焊接工艺对Super304H钢管焊接接头晶间腐蚀敏感性的影响分析

焊接工艺对Super304H钢管焊接接头晶间腐蚀敏感性的影响分析

尹武昌1左敦桂2

(1神华国华寿光发电有限责任公司山东潍坊262714;2苏州热工研究院江苏苏州215000)

摘要：针对高温再热器Super304H钢管焊接接头发生晶间腐蚀问题，通过晶间腐蚀试验、金相检验等方法探析不同焊接工艺对接头晶间腐蚀敏感性的影响规律。结果表明，随焊接热输入量的增加，焊接接头晶间腐蚀敏感性呈现上升趋势，并且在焊接工艺参数基本相同的情况下，层间温度越高，焊接接头的晶间腐蚀裂纹深度越深。

关键词：Super304H钢接头；晶间腐蚀；敏感性；焊接工艺；影响分析

当下，国内火电锅炉中的高温耐热材料以铁素体系、奥氏体系耐热钢等为主，Super304H是当下超超临界火电机组锅炉过热器与再热器高温段的常用材料。Super304H钢[1-3]是在TP304H的基础上，增加C含量，降低Mn、Si、Cr和Ni含量上限，加入约2.5%～3.5%的Cu、0.30%～0.60%的Nb和0.05%～0.12%的N。该材料的成分设计使得奥氏体基体中可能形成M23C6(M=Fe,Cr)、Nb(C,N)、NbCrN以及ε-Cu相等四种主要析出相，通过发挥它们的强化作用，提高材料的高温性能。但由于Super304H碳含量较高，且长期在其敏化温度区间服役，Cr23C6的沿晶析出消耗了大量的元素，而Cr在奥氏体中扩散速率很慢，导致晶界附近损失的Cr没有得到补充，从而形成贫铬区。此外，含稳定化元素的不锈钢中游离的Cr沿晶析出型MC碳化物也会导致晶界附近贫铬。晶界区杂质或第二相选择性溶解理论认为，当非敏化不锈钢晶界析出了σ相（FeCr金属间化合物）或是有杂质如（如P、Si）偏析时，在强氧化性介质中便会发生选择性溶解，从而导致晶间腐蚀[1-3]。

Super304H钢在焊接过程中，由于焊缝金属的组织、成分等与基体较大的差异，同时焊接残余应力的存在以及焊后冷却过程中在敏化温度区的停留，都使其抗晶间腐蚀性能受到了较大考验[4-7]。本文通过探究不同焊接工艺对Super304H钢管焊接接头晶间腐蚀性能的影响规律，从而有效控制焊接质量，为机组安全稳定运行提供有效的依据。

1实验材料与方法

实验所选材料为日本住友生产的Super304H不锈钢管，尺寸规格为Ф51×3.5mm，成分如表1所示。焊接采用钨极氩弧焊，焊丝为YT340H，焊丝直径为Ф2.4mm，保护气体为纯氩，流量为7~10L/min，焊后采用自然冷却。具体焊接工艺如表2所示。

表1实验材料化学成分

在Super304H焊接管上纵截面上截取80*15*mm试样开展晶间腐蚀试验研究，过程如下：在650℃保温试2h，空冷；对试样表面进行打磨、清洗、干燥等处理；制得硫酸－硫酸铜溶液，用带有冷凝管的锥形烧瓶，在锥形烧瓶底部铺层铜屑（纯度≥99.5%），继而将试样放置其中，促使每个试样和铜屑充分接触，但试样间相互独立，加热处理并通冷却水促使溶液维持微沸状态，记录时间，持续进行16h；取出试样，经清洗、干燥处理后，利用弯曲观察是否出现晶间腐蚀裂纹情况。测试标准为GB/T4334-2008《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》。

采用ZEISSAXIOVERT200MAT研究级倒置万能金相显微镜，对经过晶间腐蚀试验的试样进行金相取样，测量焊接接头部位的晶间腐蚀裂纹深度。检测标准为GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》。2.2焊接质量分析

3实验结果分析

3.1焊接接头检查

焊接接头宏观形貌照片见图2，焊接接头均未见明显的裂纹、未熔合、气孔等宏观表面缺陷情况，接头内部未见焊接缺陷和晶间腐蚀裂纹等缺陷。

3.3.1不同焊接电流对Super304H钢管接头晶间腐蚀敏感性产生的影响

层间温度控制在<100℃的情况下，焊接电流对焊接接头晶间腐蚀敏感性的影响规律如图3所示。管内壁侧晶间腐蚀裂纹深度规律不太明显，裂纹深度最浅的接头焊接电流为105A；管外壁侧晶间腐蚀裂纹深度规律较为明显，随着焊接电流的增加，晶间腐蚀裂纹深度也呈现增加的趋势。

层间温度控制在<300℃的情况下，焊接电流对焊接接头晶间腐蚀敏感性的影响规律如图4所示。管内壁侧、外壁侧晶间腐蚀裂纹深度规律不太明显，裂纹深度最浅的接头焊接电流为105A。

4总结

通过不同焊接电流以及不同层间温度对Super304H钢管焊接接头晶间腐蚀敏感性的研究结果，得出以下结论：

（1）层间温度一定的情况下，焊接电流对焊接接头晶间腐蚀敏感性的影响规律为：管内壁侧晶间腐蚀裂纹深度规律不太明显，裂纹深度最浅的接头焊接电流为105A；管外壁侧晶间腐蚀裂纹深度规律较为明显，随着焊接电流的增加，晶间腐蚀裂纹深度也呈现增加的趋势；

（2）随着焊接热输入量的增加，焊接接头晶间腐蚀敏感性整体上呈现增加的趋势，且在相同焊接工艺下，层间温度越高，焊接接头的晶间腐蚀裂纹深度越深；

（3）从晶间腐蚀裂纹深度检验结果来看，Super304H钢管的焊接电流在105A，层间温度控制在<100℃情况下对接头晶间腐蚀敏感性影响最低。

参考文献：

[1]孙叶柱.用于超超临界锅炉的Super304H材料的性能[J].电力建设,2013,24(09):11-14.

[2]杨华春.日本SUPER304H奥氏体不锈钢锅炉管评介[J].东方锅炉,2003,(02):13-24.

[3]宁保群等.铁素体耐热钢的发展现状与研究前景[J].材料导报,2006,12(20):83-88.

[4]商福志,孙健.奥氏体耐热钢的焊接技术与工艺探讨[J].精密成形工程,2016,8(04):87-91.

[5]张春雷,熊夏华,郑志军，等.稳定化处理对Super304H奥氏体耐热钢晶间腐蚀敏感性的影响[J].材料研究学报,2013,27(04):411-418.

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