分享：热弯成形对双相不锈钢弯管焊缝 低温冲击性能的影响

摘 要:某 LC６５Ｇ２２０５双相不锈钢焊管在热弯成形后进行低温冲击试验,发现弯管焊缝的冲击 性能严重降低.采用金相检验、断口分析、热处理工艺验证等方法,研究了热弯成形对弯管焊缝低 温冲击性能的影响.结果表明:焊管热弯成形过程中冷却速度较慢导致大量σ相析出,使位错滑移 受阻,大量位错聚集在弯管焊缝并造成应力集中,最终导致焊缝的低温冲击性能显著下降. 

关键词:２２０５双相不锈钢;焊管;热弯成形;σ相;低温冲击性能 

中图分类号:TG１５６ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６１６Ｇ０５

双相不锈钢组织中铁素体和奥氏体体积分数各 占５０％,因而其不仅具有铁素体不锈钢热导率高、 线膨胀系数小的特点,还具有奥氏体不锈钢韧性高、 脆性转变温度低、耐晶间腐蚀和耐氯离子腐蚀能力 强等特性[１].２２０５双相不锈钢作为第二代双相不 锈钢中的经典钢种,因具有优异的力学性能和耐腐 蚀性能,被广泛用于船舶、石油化工、油气管道、造纸 工业以及深海管道等领域[２Ｇ７].

管道广泛 用 于 石 油、化 工 和 冶 金 等 行 业 中 的 流体输送,管 道 转 弯 时 通 常 采 用 弯 管 连 接.当 双 相钢管道用 于 天 然 气 采 集 系 统 时,其 所 处 的 环 境 及介质条件 非 常 苛 刻,管 道 内 部 流 通 介 质 成 分 复 杂,包括 Cl－ ,SO２－ ４ ,H２S 等 多 种 腐 蚀 性 介 质.从 以往管道服 役 期 间 失 效 案 例 来 看,在 弯 管 焊 缝 位 置的失效占 很 大 比 例,弯 管 焊 缝 是 管 道 最 薄 弱 的 部位.由于管道是高压、密闭的输送系统,如果因 焊缝问题造 成 弯 管 失 效,将 会 导 致 重 大 的 安 全 事 故和经济损失.

某 LC６５Ｇ２２０５双相不锈钢弯管采用焊管感应 加热煨弯法进行热推弯成形,如图１所示,焊缝位于 上中心 线 偏 内 弧 侧 １０°处,加 热 温 度 为 １０１５~ １０３５ ℃,弯制推进速度为２５~２７mm??min－１,加热 区宽度为５０~６０mm,冷却水压为０．３MPa,保温时间为２~２．５min.为确保管道安全运行,根据ISO １５５９０Ｇ１:２００９ Petroleum and Natural Gas IndustriesＧInductionBends,FittingsandFlanges for PipelineTransportationSystemsＧPart１ :InductionBends,在热弯成形后对弯管焊缝区(感 应加热区)和与弯管相连的直管焊缝区(未感应加热 区)分别取样,在－４６ ℃下进行低温冲击试验,发现 弯管焊缝试样的平均冲击吸收能量仅为３４J,远低 于技术条件要求的７５J,而直管焊缝试样的平均冲 击吸收能量达到１４５J,高于技术条件的要求.由此 可确定是热弯成形导致了弯管焊缝区管材的低温冲 击性能显著降低.为查明管材在热弯成形过程中弯 管焊缝低温冲击性能发生变化的原因,避免类似问 题再次发生,笔者通过试验对 LC６５Ｇ２２０５双相不锈 钢弯管进行了检验和分析,为后续生产作业提供理 论依据及工艺改进方向.

１ 试样制备与试验方法 

试验采用牌号为 LC６５Ｇ２２０５ 的双相不锈钢焊 接弯管,管材规格为?４０６mm×１１mm,其化学成 分如表１所示. 

在 LC６５Ｇ２２０５ 双相不锈钢焊接弯管上以焊缝 为对称中心沿横向截取尺寸为７．５mm×１０mm× ５５mm 的试样,采用ZBC２４５２ＧC型冲击试验机对该 试样进行－４６ ℃低温冲击试验,实际初始势能(载 荷)为４５０J.试验后试样从中部沿宽度方向断裂为 两部分.取其中一部分用丙酮超声清洗,再用干燥无 油的压缩空气吹至完全干燥,用SＧ３４００N型扫描电镜 观察断面形貌.按照 ASTM E３Ｇ１１(２０１７)Standard GuideforPreparationofMetallographicSpecimens, 在该冲击试样另一断裂部分的纵截面截取金相试 样,依次进行粗磨、细磨,抛光至镜面并用丙酮擦净. 将该金相试样置于体积分数为１０％的草酸溶液中 电解５~１０s,用丙酮超声清洗后风干,采用 Axio ImagerMzm 型光学显微镜观察截面显微组织,用 SＧ３４００N 型扫描电镜(SEM)观察截面形貌,并使用 附带的能谱仪(EDS)进行微区成分分析. 

２ 试验结果与分析 

２．１ 金相检验 

冲击试样纵截面的显微组织如图２所示,可见母 材和焊缝的显微组织均由深色的铁素体α相和浅色的奥氏体γ相组成,且在铁素体α相和奥氏体γ相的 交界处分布着少量σ析出相,σ相硬且脆,会显著降低钢的塑 性 和 韧 性,是 对 钢 危 害 性 最 大 的 一 种 析 出 相[８];焊缝组织中奥氏体γ相连续分布在铁素体α相 基体上,呈现出铸态组织的特点;母材组织中奥氏体 γ相以条带状均匀分布于铁素体α相基体中.

图３为冲击试样纵截面的 SEM 形貌,可见在 铁素体相和奥氏体相界面及铁素体相内部存在一定 数量的黑色点蚀坑,在点蚀坑周围有亮白色的σ相. σ相的析出导致其周围铁素体相出现贫铬区,贫铬 区钝化膜的主要成分为 Cr２O３ [９],该钝化膜较疏松, 在草酸溶液电解过程中易被浸蚀形成点蚀坑.点蚀 坑出现在σ相周围并沿其方向扩散,造成部分σ相 被腐蚀脱落.

对γ相、α相和σ相对应的位置 A、位置 B和位 置 C处的 EDS分析结果如表２所示,可知 α相、σ 相和γ相中均富含铬、镍和钼,其中α相和σ相中的 铬、钼的含量比 γ相中的要高,σ相中的铬、钼的含 量又比α相中的要高,γ相中的镍含量最高.

２．２ 断口分析

一般情况下,冲击试样的断口存在纤维区、放射 区和剪切唇区,如图４所示.断裂源位于冲击试样 前期加工形成的缺口槽根部,裂纹沿着缺口槽两侧 和试样内部扩展,先在缺口槽附近形成纤维区,然后 依次形成放射区及剪切唇,其中,剪切唇沿无缺口槽 的其他三侧边分布.在冲击力作用下,试样无缺口 槽的一侧承受压缩应力,缺口一侧承受拉应力,有时 在无缺口槽的一侧出现二次纤维区[１０].

图５为冲击试样焊缝处冲击断口的宏观形貌, 可见断口均为放射区,没有剪切唇,说明材料塑性较 差.放射区内存在准解理状和纤维状两种不同的形 貌,如图６所示.其中,准解理状断口较平坦,由多 个彼此连接的小平面组成,平面交接处存在大量高 密度的撕裂岭、断口空洞和少量韧 窝,如 图 ６a)所 示;放大后可见一定数量的σ相聚集在断口空洞处, 使试样产生脆性断裂的倾向,如图６b)所示.另一 种为垂直于缺口槽的纤维状断口,靠近缺口槽的断 口表面较平滑,具有典型的解理舌状花样和拉长的 韧窝,如图６c)所示.

σ相的析出使位错滑移受阻,在冲击弯曲应力 的作用下,大量位错集中在位于缺口槽根部的σ相处,位错的大量聚集使应力集中于σ相区域.由于 冲击弯曲应力加载速率较大,试样来不及进行充分 的塑性变形,只能通过断裂来释放高应力.而不是 所有的奥氏体相和铁素体相的界面处都会形成 σ 相,σ相的偏析导致晶界弱化,对裂纹扩展阻力减 小,使材料的韧性和塑性大幅降低.

３ 热处理工艺验证

σ相通常由铁素体相分解发生共析转变而来, 其形成过程的主要影响因素是温度[１].图７为采用 JMatPro热力学软件计算得到的相图,可见母材和 焊缝中 σ相 析 出 的 温 度 范 围 很 宽,分 别 为 ４８０~ ９７５ ℃和５２０~１０００ ℃. 

在与上述试验弯管相连的直管部分以焊缝为对称中 心 沿 横 向 截 取 尺 寸 为 ７．５ mm×１０ mm× ５５mm 的试样,在１０１５ ℃下保温２．５ min进行模 拟热处理试验,水冷后对该试样在－４６ ℃下进行低 温冲击试验,发现其平均冲击吸收能量为１５３J,这 与模拟热处理前的平均冲击吸收能量(１４５J)非常 接近.按对弯管部分的试验步骤对直管部分取样观 察纵截面显微组织,如图８所示,可见经过模拟热处 理后在试样焊缝和母材组织中的铁素体相和奥氏体 相界面及铁素体相内部均未发现σ相,这是由于试 样经模拟热处理后的冷却速率较大,试样在σ相析 出的温度区间内停留时间很短,σ相还未来得及析 出,温度就已降低至析出温度以下.模拟热处理试 验的热处理温度及时间与失效管材热推弯成形的热 处理温度及时间相同,仅冷却速率不同.结合图７ 可知,失效管材在进行热处理后,σ相析出是由于热 推弯成形后冷却速率较低,试样在σ相析出的温度 区间内停留时间延长,相当于σ相在该温度区间进 行保温处理,铁素体充分分解所导致.通常将不使 σ相析出的最小冷却速率称为临界冷却速率,实际 生产过程中,经过１０１５~１０３５ ℃热推弯成形后有 σ相析出是由于没达到临界冷却速率. 

４ 结论 

LC６５Ｇ２２０５双相不锈钢焊管热弯成形过程中 有大量σ相析出,使 大 量 位 错 聚 集 在 弯 管 焊 缝 区并造成应力集中,最 终 导 致 焊 缝 区 低 温 冲 击 性 能 显著降低,非常容易引发 焊 管 失 效.热 弯 成 形 过 程中焊管 冷 却 速 度 较 慢 是 导 致 σ相 析 出 的 主 要 原因.

参考文献: 

[１] 陈万里．２７０７双相不锈钢中σ相析出行为及其对性 能的影响[D]．太原:太原理工大学,２０１８． 

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[４] 石树坤．等温退火工艺对２２０５钢耐点蚀性能的影响 [J]．金属热处理,２０１９,４４(３):１８４Ｇ１８７． 

[５] 穆瑞三,张志远,顾顺杰,等．２２０５双相不锈钢硫化物 应力腐蚀机理研究[J]．钢管,２０１８,４７(６):２０Ｇ２４． 

[６] 逄旭光,侯冠宇,梁平．氯离子对２２０５双相不锈钢抗 氢氟酸腐蚀性能的影响[J/OL]．辽宁石油化工大学 学报:１Ｇ２．http:∥kns．cnki．net/kcms/detail/２１．１５０４． TE．２０１８０２２７．０９１５．００２．html．２０１９Ｇ０５Ｇ０５． 

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[９] 王文明,张毅．双相不锈钢和镍基合金钝化膜特性和 耐蚀机理研究[C]∥中国金属学会轧钢学会钢管学 术委员会六届二次年会论文集．包头:中国金属学会 轨钢学会钢管学术委员会,２０１２:２８０Ｇ２８４． 

[１０] 钟群鹏,赵子华．断口学[M]．北京:高等教育出版社, ２００６:１６５Ｇ１６６．

文章来源——材料与测试网