碳鋼/不銹鋼復(fù)合管封焊接頭斷裂性分析

0 前言

應(yīng)用在石油、化工、建筑等領(lǐng)域的傳輸用管道多數(shù)都是由金屬材料碳鋼制造的，而碳鋼管道在腐蝕性介質(zhì)及高溫、高壓等情況下，內(nèi)壁易發(fā)生剝落、減薄、開裂等損害，在強腐蝕性介質(zhì)中碳鋼管道根本無法使用。因此目前工業(yè)領(lǐng)域往往采用碳鋼基質(zhì)內(nèi)襯不銹鋼材料作為管道復(fù)合體應(yīng)用于腐蝕介質(zhì)的傳輸[1]。

由于不銹鋼與普通碳鋼之間存在著較大的材料性能差異[2]，當碳鋼/不銹鋼復(fù)合管道在進行焊接、熱處理以及在高溫環(huán)境及介質(zhì)中運行時，會在兩種材料之間產(chǎn)生體積變化差異，從而增大管道產(chǎn)生縫隙、裂紋等質(zhì)量缺陷的概率。

大多數(shù)的碳鋼/不銹鋼復(fù)合管道都是通過液壓漲合或擠壓成型的方式結(jié)合的[3-4]。一般碳鋼作為基材，其厚度較大，可承受大部分的介質(zhì)壓力，而不銹鋼層厚度較小，主要用于防腐蝕。受工藝限制，基層和復(fù)合層金屬接觸面間常存在著一定的縫隙和雜質(zhì)等成分[5]。為了解決復(fù)合管基層與復(fù)合層間縫隙而導(dǎo)致的不嚴密接觸問題，同時減少因碳鋼與不銹鋼之間因材料收縮率差異而導(dǎo)致的管層錯動，在復(fù)合管焊接之前，先在碳鋼基層與不銹鋼復(fù)合層之間進行封焊處理。國內(nèi)外不少學(xué)者對碳鋼/不銹鋼復(fù)合管道封焊工藝進行了研究[6-8]，但針對復(fù)合管封焊接頭性能，尤其是斷裂性能的研究還比較少。

本研究基于20G/316L復(fù)合管道，利用金相分析方法分析了復(fù)合管封焊接頭的斷裂性能，為復(fù)合管接頭后續(xù)進行的焊接及使用中斷裂性能的判斷提供了依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 復(fù)合管及坡口結(jié)構(gòu)

碳鋼/不銹鋼復(fù)合管采用20G碳鋼基體，內(nèi)襯316L不銹鋼復(fù)合層。碳鋼層厚度22 mm，不銹鋼層厚度1.5 mm?；诜夂感枰?，不銹鋼層不進行處理，同時將碳鋼部位切削掉約10 mm，以露出不銹鋼層，而基于管道對接焊需要，將管道碳鋼端部處理成60°坡口。復(fù)合管封焊接頭及多道焊坡口結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 復(fù)合管接頭及坡口結(jié)構(gòu)示意

1.2 封焊工藝及接頭截取方法

為密封碳鋼/不銹鋼復(fù)合管，在處理好的復(fù)合管含坡口接頭上進行堆焊處理，堆焊材料為不銹鋼焊絲，利用焊絲在兩層材料界面部位反復(fù)堆焊，最終形成約10 mm×10 mm的堆焊層。堆焊層材料與碳鋼及不銹鋼間均形成熔合，碳鋼/不銹鋼復(fù)合管封焊焊縫截面形貌示意如圖2所示。

圖2 復(fù)合管封焊層橫截面示意

為減少對接頭的破壞，同時由于20G碳鋼基層較厚，截取包含316L不銹鋼層全部（包含部分碳鋼）、厚度約8 mm進行試驗分析。

2 封焊接頭試樣制備及宏觀分析

2.1 封焊接頭金相試樣制備

對5mm×3mm×8mm復(fù)合管封焊試樣進行鑲嵌和拋光。由于316L不銹鋼為奧氏體不銹鋼，因此利用王水溶液（濃鹽酸與濃硝酸按3∶1比例混合而成，且放置時間在24 h之內(nèi)的混合液）進行腐蝕。王水可以腐蝕不銹鋼及成分與不銹鋼類似的封焊層金屬，但碳鋼在王水中濃硝酸的作用下表面迅速鈍化，形成細小致密的鈍化組織，因此不能形成真正的腐蝕產(chǎn)物。介于此原因，對復(fù)合接頭采用兩次腐蝕、分別拍照的方法進行金相分析。

首先，利用4%硝酸酒精溶液對接頭進行腐蝕，可以看到，只有處于碳鋼部位的材料發(fā)生了明顯的腐蝕現(xiàn)象。對碳鋼組織進行金相分析后，再次拋光接頭，并利用王水溶液腐蝕，接頭各材料全部腐蝕，其中碳鋼組織呈現(xiàn)不正常的暗黑顏色，可推斷其組織為致密鈍化的偽組織。

2.2 封焊接頭宏觀金相分析

復(fù)合管封焊接頭宏觀形貌如圖3所示。從圖中可看出，在經(jīng)過封焊過程后，不銹鋼及碳鋼部位組織狀態(tài)良好，晶粒細小致密，且晶粒取向呈分散狀，并不具有明顯的裂紋敏感形貌。而封焊層金屬晶粒明顯粗大，且部分區(qū)域形成了沿凝固方向的樹枝晶組織。從金相照片可見，封焊層部位晶粒取向全部沿封焊層凝固方向即平行與不銹鋼與碳鋼結(jié)合面的方向分布，具有比較大的撕裂和晶間腐蝕傾向。

而在碳鋼與不銹鋼之間可見清晰的縫隙存在。從復(fù)合管封焊接頭宏觀照片中并未觀察到明顯的裂紋存在，可見單純封焊過程并不會使接頭產(chǎn)生諸如裂紋等明顯的缺陷。

圖3 復(fù)合管封焊層終始焊端宏觀金相照片

3 復(fù)合管封焊接頭斷裂性分析

3.1 封焊接頭不同區(qū)域金相及斷裂性分析

封焊過程為熔融金屬的堆焊過程，由于封焊金屬溫度超過了材料的熔點，因此會對接頭碳鋼、不銹鋼層組織產(chǎn)生熱影響。為分析堆焊熱影響對接頭碳鋼、不銹鋼層組織形貌的影響，并分析封焊層組織的斷裂性能，圖4比較了經(jīng)過封焊過程后的復(fù)合管封焊接頭中不銹鋼、碳鋼及封焊層部位金相組織照片（500×）。

從圖4可看出，在經(jīng)過封焊過程后，不銹鋼部位組織狀態(tài)良好，為殘余奧氏體組織，晶粒細小致密，且晶粒取向呈分散狀，并不具有明顯的裂紋敏感形貌。在經(jīng)過封焊工藝后，復(fù)合管接頭碳鋼部位組織為較粗大的板條狀馬氏體組織，雖然晶粒比不銹鋼部位粗大，但碳鋼組織晶粒取向分散，晶粒大小較均勻，并不具有典型的裂紋敏感形貌。而封焊后，封焊層金屬完全為鑄態(tài)凝固組織，具有典型的鱗片狀形貌，雖然整體晶粒比較細小致密，但其晶粒取向卻有高度的一致性，因此具有一定的裂紋敏感性。

結(jié)合接頭宏觀形貌分析可知，復(fù)合管封焊接頭封焊層部位金屬由于特殊的堆焊工藝，及由內(nèi)而外的逐層冷卻方式，形成了明顯的細長樹枝狀晶粒分布狀態(tài)，且晶粒取向全部沿封焊層凝固方向即平行于不銹鋼與碳鋼結(jié)合面的方向分布，具有比較大的撕裂和晶間腐蝕傾向?？梢妼τ趶?fù)合管接頭，在經(jīng)過封焊以后，接頭上最易出現(xiàn)裂紋是封焊層的填充金屬組織。

圖4 復(fù)合管封焊接頭各區(qū)域金相組織

3.2 封焊接頭焊縫及縫隙部位斷裂性分析

封焊層金屬與不銹鋼及碳鋼之間均可形成熔焊連接，其中不銹鋼與封焊材料間因組織相近，可形成很窄的焊縫，而碳鋼與封焊材料間因組織相差較大，界面明顯，未出現(xiàn)明顯的焊縫形貌。

不銹鋼與封焊金屬間的細小焊縫微觀形貌如圖5所示。通過金相顯微分析可知，封焊層金屬與不銹鋼之間形成了一條極細的焊縫，寬度約為40 μm，組織細小致密?？梢姺夂附饘倥c不銹鋼產(chǎn)生冶金反應(yīng)所形成的細小焊縫并不是形成裂紋的敏感區(qū)域。但由于不銹鋼與填充金屬接頭兩側(cè)的組織具有極大的不均勻性，因此在受熱、受力等情況下，因兩側(cè)金屬膨脹收縮等比例不同，焊縫部位將可能承受復(fù)雜且不利的應(yīng)力分布狀態(tài)。

圖5不銹鋼與封焊金屬間的焊縫

由于復(fù)合管兩層材料之間為機械結(jié)合，并未達到熔合的程度，而兩種材料間較大的收縮性能差異常會引發(fā)兩層材料間的相互錯動，為此有必要就復(fù)合管兩層材料間的間隙狀態(tài)進行微觀分析。

不銹鋼與碳鋼間存在的間隙形貌如圖6所示。通過金相顯微分析可知，在不銹鋼和碳鋼的結(jié)合面上可見明顯的縫隙，寬度約為20 μm?？梢娞间摵筒讳P鋼層并未形成冶金結(jié)合，兩金屬層之間僅僅存在著公差配合關(guān)系。復(fù)合接頭單側(cè)金屬受力，則兩側(cè)金屬沿結(jié)合面發(fā)生滑移及相對張開的傾向非常大。

圖6復(fù)合管接頭碳鋼與不銹鋼間的間隙

在經(jīng)過封焊以后，接頭上最易出現(xiàn)裂紋的組織為封焊層的填充金屬組織。而位于封焊金屬和不銹鋼、碳鋼之間的冶金結(jié)合焊縫，由于寬度極窄，且組織致密，因此裂紋敏感性較低。由于在不銹鋼和碳鋼之間存在間隙，因此在隨后的幾道焊接工藝中，不太大的驅(qū)動力即可使兩層金屬之間產(chǎn)生較大的張開和變形。而這種由變形和張開引起的擴張拉伸作用，極易使晶粒取向高度一致的封焊層金屬產(chǎn)生裂紋。因此可知，在兩層金屬接頭部位施加封焊工藝，如不改進封焊層金屬組織成分、凝固方法和封焊位置，則封焊填充金屬部位極有可能成為后續(xù)焊接過程中的裂紋起源位置。

4 結(jié)論

通過對20G碳鋼基體內(nèi)襯316L不銹鋼復(fù)合管封焊接頭宏觀及各區(qū)域微觀組織及斷裂性能的分析，得出如下結(jié)論：

（1）經(jīng)過封焊以后，復(fù)合管接頭碳鋼與不銹鋼區(qū)域組織改變不大，晶粒較致密，開裂敏感性低。而封焊層組織晶粒取向沿封焊層凝固方向高度一致，晶間撕裂敏感性高。

（2）位于封焊金屬和不銹鋼、碳鋼之間的冶金結(jié)合焊縫，由于寬度極窄，且組織致密，因此裂紋敏感性較低。

（3）由于在不銹鋼和碳鋼之間存在間隙，因此并不太大的驅(qū)動力即可使兩層金屬間產(chǎn)生較大張開和變形。從而極易使晶粒取向高度一致的封焊層金屬產(chǎn)生裂紋。

（4）在兩層金屬接頭部位施加封焊工藝，如不改進封焊層金屬組織成分、凝固方法和封焊位置，則封焊填充金屬部位極有可能成為后續(xù)焊接過程中的裂紋起源位置。

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