316L 不锈钢焊管应变时效状态的耐晶间腐蚀性能研究

夏正文， 许全光， 马世龙， 刘 蔚， 颜俊杰， 吴胜强

（1. 浙江天管久立特材有限公司， 浙江 湖州 313012；2. 浙江久立特材科技股份有限公司， 浙江 湖州 313008）

双金属衬里复合管（mechanically lined pipes,MLP） 是一类兼具高强度、 耐蚀性、 经济性的油气输送管道[1-3]， 目前行业通常采用的成型方法是将耐蚀合金内衬管经水压扩径， 与外层碳钢基管紧密贴合而成。 由于受深海用复合管敷设方式（J-lay 或Reel-lay） 的影响， 对衬管母材及焊缝的晶界腐蚀性能有十分严格的要求[4]， 其中一种评定方法是： 将衬管母材和焊缝样品先经过应变处理 （5%拉伸） 后， 再经过250 ℃的时效热处理1 h， 按ASTM A262 E 法进行敏化和腐蚀试验， 然后进行180°弯曲试验。

低碳316L 不锈钢是一种常见的耐蚀合金衬管材料， 这种材料在焊接后不易在热影响区析出Cr23C6相而造成晶界贫Cr， 具有较好的抗晶间腐蚀能力。 母材成型后进行直缝焊接， 焊接过程可以添加焊丝也可以不加焊丝。 若用焊丝进行焊缝填充， 考虑到焊缝耐蚀性的要求， 通常选择耐蚀性不低于母材的合金钢焊丝。

本研究中， 不锈钢焊管焊接后经过在线固溶处理， 以退火态交货的状态称为交货态 （AR）；焊管在固溶热处理后， 再经过应变处理 （5%拉伸）， 并经过250 ℃的时效热处理1 h， 则称为应变时效态 （SA）。 为了满足双金属机械复合管对316L 不锈钢衬管母材和焊缝在交货态和应变时效态的抗晶界腐蚀要求， 本研究评价了316L不锈钢母材， 以及不添加焊丝和添加不同焊丝的两种工艺得到的焊缝的抗晶界腐蚀能力， 焊丝分别选择ER316L、 ER317L、 ER385 和ERNiCrMo-3合金焊丝[5-8]。 对焊缝组织进行了晶间腐蚀敏感性测试， 观察了焊缝组织的物相分布和形貌， 并通过Lippold 焊缝凝固模型分析了焊缝的凝固组织， 并利用Suutala 图对焊接凝固组织裂纹的敏感性进行了验证。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

样管母材选择ASTM A240 标准的316L 不锈钢板， 钢板厚度为4.1 mm， 在连续机组线上进行成型、 焊接、 热处理和定径， 最终规格为Φ168.3 mm×4.1 mm。 焊接工艺采用等离子焊接，I 形坡口， 单面焊双面成形。 焊接电流225 A， 电压25 V， 焊接速度550 mm/min。 填充焊丝分别选择ER316L、 ER317L、 ER385 和ERNiCrMo-3，对焊后组织的化学成分进行了分析， 分析结果见表1。

表1 316L 不锈钢焊管不同焊丝条件下焊缝的化学成分

焊后热处理工艺选择整管在线固溶热处理，即将成型后的焊管在连续机组线上通过感应热处理炉进行在线热处理， 固溶热处理温度设定为1 070 ℃， 时间约3 min， 水冷。

1.2 试验方法

采用ASTM A262 E 法 “铜-硫酸铜-16%硫酸试验” 进行晶间腐蚀试验。 截取样管制备成25 mm×75 mm 规格的弧形试样， 将焊缝保留在弧长的中心位置。 对于AR 态和SA 态试样， 都要经过675 ℃×1 h 敏化热处理， 然后浸入16%硫酸和6%硫酸铜的沸腾溶液中腐蚀15 h， 再将试样弯曲180°， 在受拉弯曲面进行10 倍放大观察， 如无裂纹则判定为合格， 有裂纹则判定为不合格。

2 试验结果

2.1 母材晶间腐蚀试验

对316L 焊管母材进行交货态 （AR） 和应变时效态（SA） 的晶间腐蚀试验， 沿垂直于母材轧制方向的横向取样， 晶间腐蚀测试全部合格， 说明母材的成分均匀、 抗敏化性能满足产品要求。

2.2 焊缝晶间腐蚀试验

采用不添加焊丝和添加焊丝工艺进行对焊缝焊接， 焊接参数相同， 在线热处理后焊缝晶间腐蚀试验结果见表2。 从表2 可以看出， 未添加填充金属的AR 态和SA 态试样， 晶间腐蚀试验结果均显示合格。 对于添加添加ER316L 焊丝和ER317L焊丝的焊缝， 在AR 态晶界腐蚀试验结果均符合要求， 但在SA 态下则不合格。 而使用ER385 焊丝和ER NiCrMo-3 焊丝的焊缝， AR 态和SA 态下晶间腐蚀试验结果均不符合要求。

表2 焊缝在线热处理后的晶间腐蚀试验结果

对4 种添加焊丝的焊缝进行金相观察， 分析结果如图1 所示。 由图1 可以看出， 随着合金含量的增加， 铁素体相从弥散分布逐渐增多。 选择ER316L 焊丝和ER317L 焊丝的焊缝， 其中铁素体大部分以颗粒状存在， 颜色较浅， 弥散分布，说明成分偏聚现象较弱。 但采用ER385 焊丝和ERNiCrMo-3 焊丝的焊缝， 铁素体成条块状， 且沿枝晶生长方向连续分布， 成分偏析现象严重。

图1 添加不同焊丝的焊缝经过固溶热处理后的组织形貌

3 分析和讨论

应变时效处理是模拟不锈钢管后续制造、 安装阶段的应变过程。 应变处理过程使材料发生塑性变形， 增加了位错、 滑移和缺陷， 产生大量残余应力， 时效过程虽消除部分变形残余应力， 但不能改变因添加合金元素造成的成分偏析。

焊缝区域主要包括金属完全熔化或部分熔化形成的熔合区， 以及固态形式存在的热影响区。对于添加焊丝或不添加焊丝的焊缝， 焊接参数相同， 热输入量对组织的影响基本相同。 本研究结果表明， 对于不加焊丝的焊缝， 无论是交货态还是应变时效状态， 都能通过ASTM A262 E 法的晶间腐蚀测试。 但添加焊丝的焊缝， 就存在较大的差异。 为了理解上述差异， 需要结合焊缝熔合区的组织成分、 耐蚀性以及开裂敏感性进行分析。

对于焊丝的选择， 除了考虑所添加焊丝自身的耐蚀性一般比母材要高的要求外， 还需要分析不同焊丝液化再固化过程中的凝固模式。 Lippold 整理了不同Creq/Nieq 比例的焊接组织凝固模式， 如图2 所示。 其中的Creq、 Nieq 当量按照WRC1992 算 法 计 算[9]。 Suutala 等 人[10]统 计 了不同Creq/Nieq 比例的裂纹敏感性， 如图3 所示。 根据Lippold 凝固模式预测公式和Suutala 的焊缝开裂敏感性预测公式， 分别得到对应的Creq 和Nieq 当量值， 汇总于表3。

表3 按照不同算法得到的焊丝Creq/Nieq 当量值

图2 不同Creq/Nieq 比值的奥氏体不锈钢的凝固模式

图3 用于预测奥氏体不锈钢焊接凝固组织裂纹敏感性的Suutala 图

对比可知， 采用ER316L 和ER317L 焊丝的不锈钢是以FA 模式（铁素体-奥氏体模式） 发生凝固， 而采用ER385 和ERNiCrMo-3 焊丝的不锈钢是AF 模式（奥氏体-铁素体模式） 发生凝固。裂纹敏感性主要来源于金属凝固过程中热胀冷缩及组织变化产生的内应力。 FA 模式具有较好的抗裂纹敏感性， 这是因为先析出的δ 铁素体成为了形核中心， 有利于晶粒细化； 而AF 模式凝固的组织， 奥氏体容易快速生长形成粗大组织， 并在晶界形成连续分布的铁素体， 对焊缝力学性能不利。预测结果与试验结果一致， ER316L 和ER317L 焊丝不锈钢具有较好的抗开裂组织敏感性， 而ER385 和ERNiCrMo-3 焊丝不锈钢容易在热敏化后出现开裂， 说明理论模型具有较强的预测能力。

综上， 当焊管生产时， 若交货态要求进行ASTM A262 E 法试验， 可考虑不添加焊丝或采用ER316L 焊丝和ER317L 焊丝； 若要求应变时效态交货， 不添加填充金属最有利于保证焊缝的抗晶间腐蚀能力。 对于合金含量更高的ER385和ERNiCrMo-3 焊丝， 在所述工艺下无法为焊缝提供较好的抗晶间腐蚀能力。

4 结 论

（1） 对于焊后固溶处理状态下的316L 不锈钢焊管， 建议采用不添加焊丝的焊接工艺， 或添加ER316L、 ER317L 焊丝进行焊接， 能够保证焊缝的抗晶间腐蚀性能满足ASTM A262 E 法试验标准。

（2） 对于焊后进行应变时效条件下的316L 焊管， 不添加焊丝的焊缝能够满足抗晶间腐蚀的要求， 而添加焊丝则无法通过ASTM A262 E 法试验。

（3） 预测焊缝组织耐蚀性， 除了需要对比焊丝成分， 还要考虑焊缝熔合区的凝固模式， 分析焊后组织是否满足预期。

（4） 采用Suutala 图预测Creq/Nieq 以1.5 为界， 可以帮助判断焊缝的抗裂纹敏感性， 并能帮助预测应变时效态的焊缝抗晶间腐蚀能力。