核電焊接用奧氏體不銹鋼組織中鐵素體相的作用和定量

1、核電焊接用奧氏體不銹鋼組織中鐵素體相的作用和定量這就導(dǎo)致在設(shè)備制造過程中存在多種工藝方法,多種考核標(biāo)準(zhǔn),這樣不利于制造廠和業(yè)主方對設(shè)備質(zhì)量的控制.促進管板堆焊工藝的標(biāo)準(zhǔn)化,進一步提高管板堆焊技術(shù)水平和質(zhì)量控制水平是今后管板堆焊工藝發(fā)展的方向和課題.參考文獻核電焊接專題r蜉擄2008(1):3539.2顧永康,張仁剛.核電蒸汽發(fā)生器管板大面積鎳基合金電渣堆焊研究C.南京:第五屆全國壓力容器學(xué)術(shù)會議,2oo1.337342.3路文江,中尾嘉邦,筱崎賢二.鎳基合金焊接熱影響區(qū)的液化裂紋敏感性J.焊接,1993,14(3):186193.1張茂龍,李雙燕,錢旭輝.核電蒸汽發(fā)生器管板IN.作者簡介:劉鳴

2、宇,1983年出生,碩士研究生.目前為核島主CONEL690鎳基合金帶極電渣堆焊技術(shù)J.裝備機械,設(shè)備監(jiān)造工程師.核電焊接用奧氏體不銹鋼組織中鐵素體相的作用和定量環(huán)境保護部核與輻射安全中心(北京市100082)孫海濤摘要一定比例的鐵素體相存在于核電用奧氏體不銹鋼組織,包括奧氏體不銹鋼堆焊層,奧氏體不銹鋼對接焊縫,鑄造奧氏體不銹鋼等.其中鐵素體相的形態(tài)和含量對奧氏體不銹鋼組織的性能有一定的影響,因此分析其影響機理和確定其比例限值是控制奧氏體不銹鋼產(chǎn)品質(zhì)量所必須的.關(guān)鍵詞:奧氏體不銹鋼鐵素體相鐵素體含量.相熱裂紋中圖分類號:TG457.111奧氏體不銹鋼與鐵素體相奧氏體相是碳溶于Fe中所形成的面心

3、立方晶體間隙固溶體,其塑性很好,強度較低,具有一定韌性.鐵素體相是碳溶于O/.Fe的體心立方晶格間隙固溶體,相對于奧氏體相,鐵素體相強度較高,塑韌性較低.奧氏體不銹鋼是指在常溫下具有穩(wěn)定奧氏體相的不銹鋼,主要含Cr,Ni,c元素.奧氏體不銹鋼具有高韌性和塑性,較好的耐腐蝕性能和加工性能,因此在核電站設(shè)備與部件中得到大量的使用.但因其對晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕比較敏感,且強度較低,故在核電使用中需要通過適當(dāng)添加合金元素(如Ti,Nb)及控制其加工工藝來改善其使用性能.如果奧氏體不銹鋼中各種合金元素成分控制合適,且經(jīng)過固溶熱處理,基本上可以獲得單一的奧氏體相.但實際產(chǎn)品中,由于鐵素體相穩(wěn)定化元素(如Cr

4、)收稿日期:20101019的作用,或奧氏體相形成元素(如Ni)的含量不夠高,同時受加工1=藝的影響,則常溫下主要是奧氏體相,另一小部分則是鐵素體相,即在奧氏體不銹鋼組織中仍會存在一定數(shù)量的鐵素體相.鐵素體相的含量主要取決于奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分,特別是Cr,Ni當(dāng)量的影響,同時氮(N)也是奧氏體不銹鋼組織鐵素體含量的重要影響元素.圖1是沿奧氏體晶界分布的鐵素體相金相照片,圖1沿奧氏體晶界分布的鐵素體相形態(tài)2011年第1期33俘慈核電焊接專題在凝固結(jié)晶過程中生成并保留至常溫的鐵素體相的形態(tài)及數(shù)量會顯著影響到奧氏體不銹鋼組織的各種性能(如力學(xué)性能,熱加工性能,焊接性能等).其中有利的影響有:鐵素

5、體相的增加提高奧氏體不銹鋼的強度;減小奧氏體不銹鋼焊接產(chǎn)生熱裂紋的傾向;強化鑄造奧氏體不銹鋼等.不利的影響有:鐵素體相的增加降低奧氏體不銹鋼的延塑性;增大奧氏體不銹鋼鍛件熱加工裂紋產(chǎn)生傾向;使其耐點蝕性能下降;鐵素體相在高溫下長時間加熱會轉(zhuǎn)變?yōu)镺r相使鋼變脆等.2鐵素體相在核設(shè)備用奧氏體不銹鋼組織中的控制核電站安全殼內(nèi)與反應(yīng)堆冷卻劑相接觸的設(shè)備部件,主要由抗腐蝕材料(如304或316型奧氏體不銹鋼)或具有相當(dāng)抗腐蝕性的材料鍛造或焊接成形.一般僅使用三類金屬材料:不銹鋼,鎳一鉻一鐵合金及少量的鈷基合金.對于不銹鋼材料,只使用奧氏體和馬氏體不銹鋼.其中奧氏體不銹鋼在核電站機械設(shè)備中得到最大量使用,

6、其在保證設(shè)備力學(xué)性能的同時,滿足了設(shè)備部件耐冷卻劑腐蝕的要求.而鐵素體相的存在對于核電站用奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能,抗腐蝕性能,焊接性能等都有比較大的影響.下面就奧氏體不銹鋼的幾種加工制造方式進行分析和說明.2.1奧氏體不銹鋼堆焊層中鐵素體含量的要求奧氏體不銹鋼堆焊在核電站設(shè)備上被廣泛地使用,如反應(yīng)堆壓力容器簡體堆焊層,穩(wěn)壓器簡體堆焊層,蒸汽發(fā)生器管板堆焊層等.在低合金鋼上的奧氏體不銹鋼堆焊層一般分兩層,即Z2CN24.12(E309L)型焊接材料的過渡層和Z2CN20.10(E308L)型焊接料材的耐蝕層.研究和實際使用中發(fā)現(xiàn),奧氏體不銹鋼堆焊層在經(jīng)受一定時間的高溫(600850)加熱后會沿晶

7、界析出一種硬而脆的or相(相是Fecr金屬間化合物,其硬度可達68HRC以上),從而導(dǎo)致堆焊層脆化,塑性和韌性顯著下降,易產(chǎn)生裂紋.同時又由于相富鉻(50%多),因而在其周圍往往出現(xiàn)貧鉻區(qū)或由于相本身的溶解,而使鋼的耐腐蝕性能降低.圖2的金相照片中黑色相即相的組織形態(tài).過量的鐵素體會增加相的轉(zhuǎn)變傾向,因此在選擇堆焊用焊接材料時,必須嚴(yán)格控制熔敷金屬中的鐵素體含量.對于EQ308L焊材的驗收,需滿足RCCMS2960的要求,其中要求鐵素體含量計算結(jié)果在7%17%范342011年第1期圍內(nèi),最好不超過12%.ASMESFA一5.4和5.9中也說明在高溫工作下鐵素體相也是有害的,因為它會轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈缘?/p>

8、相_2j.為使過渡層具有良好的抗裂性和塑韌性,RCCM$3634堆焊工藝評定結(jié)果中規(guī)定6鐵素體含量,按照修正的Schaeffler圖確定,應(yīng)在5%15%之間(最好不要超過12%).在有疑問的情況下,可用直接磁性測量法(根據(jù)MC1340要求)作補充檢驗.因此防止奧氏體不銹鋼堆焊層脆化相的產(chǎn)生,需要減少堆焊層金屬在高溫下的停留時間,同時限制焊縫金屬中的鐵素體含量(最好小于12%).對已析出的相,在條件允許時可進行固溶處理,使相溶解入奧氏體,隨后快冷可消除相脆性并恢復(fù)堆焊層的韌性.網(wǎng)2不銹鋼中相的形態(tài)2.2奧氏體不銹鋼對接焊縫中鐵素體含量的要求奧氏體不銹鋼管道的對接焊在核電站核島設(shè)備制造和安裝中應(yīng)用

9、廣泛,比較典型的是機組核輔助系統(tǒng)管道接管環(huán)焊縫采用氬電聯(lián)焊成型.在焊接線膨脹系數(shù)大,冷卻收縮應(yīng)力大的奧氏體不銹鋼管道(例如E316L焊條焊接304L母材管道)時,在焊接冷卻凝固過程中,雜質(zhì)金屬易富集于晶界,形成低熔點共晶化合物且形成液態(tài)薄膜,在組織拉伸應(yīng)力作用下開裂而形成熱裂紋.熱裂紋是微觀裂紋,具有沿晶薄膜分離的形貌特征.圖3和圖4分別是帶實際缺陷焊縫的金相覆膜照片和裂紋微觀形貌,可以看出熱裂紋為沿焊縫柱狀晶的晶間開裂.而一定數(shù)量鐵素體相的存在,可以增強焊縫的抗熱裂紋能力.主要因為鐵素體相比奧氏體相能溶解更多的有害雜質(zhì)(如S,P等),能防止這些元素偏析并減少低熔點共晶化合物的形成.此外鐵素體

10、相可以細化.核電焊接專題r鱷擄奧氏體組織,使柱狀晶變細,晶界增多,同樣數(shù)量的低熔點共晶化合物被分割而不連續(xù)地分散在各個晶界上,從而降低熱裂紋傾向.同時鐵素體相中含鉻量遠高于奧氏體,碳化鉻優(yōu)先在鐵素體的邊緣以內(nèi)析出,因而不致于在奧氏體晶界上形成貧鉻區(qū),從而提高了奧氏體不銹鋼組織的抗晶間腐蝕性能.罔3焊縫缺陷覆膜金相照片圖4熱裂紋微觀形貌.因此,在實際焊接過程中為了防止焊接熱裂紋的產(chǎn)生,除了控制焊接電流和層間溫度外,還應(yīng)選用堿性藥皮的奧氏體不銹鋼焊條,以限制焊縫金屬中易偏析元素和S,P等雜質(zhì)元素含量.核電站設(shè)備制造和安裝實踐經(jīng)驗證明,關(guān)鍵是將焊縫金屬的鐵素體含量控制在5%以上,以使焊縫金屬呈奧氏體

11、+鐵素體雙相組織,大量溶解有害的S,P雜質(zhì),使得其在晶界處的聚集傾向減少.ASME規(guī)范NB一2433.2焊接材料驗收標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定6鐵素體的最低可接受值應(yīng)為5FN,6一鐵素體含量測定結(jié)果應(yīng)記錄在NB一2130或NB一4120經(jīng)確認的材料試驗報告中.在RCCM奧氏體和奧氏體一鐵素體不銹鋼的對接焊焊接工藝評定($3300)6鐵素體含量中規(guī)定熔敷金屬中鐵素體含量由修正的Schaffler圖確定,其含量在5%l5%之間(最好不超過12%).如有疑問,可用磁性測定儀作補充測定(按照MC1340),其結(jié)果應(yīng)在3%15%之間.RCCM焊接填充材料的驗收$2000中也有類似規(guī)定.RG1.31中規(guī)定推薦焊縫填充金屬

12、中的鐵素體含量為520FN,最低5FN的含量限制是為了提供充足的鐵素體以避免焊縫中微裂紋的產(chǎn)生,最高20FN的含量限制是為了提供適合的鐵素體以防止過分稀釋.因此,在進行奧氏體不銹鋼焊接時,需要控制焊接材料和焊縫熔敷金屬的鐵素體含量盡量不低于5%,以防止熱裂紋的產(chǎn)生,保證焊縫的產(chǎn)品質(zhì)量.2.3鑄造奧氏體不銹鋼中鐵素體含量的要求鑄造奧氏體不銹鋼(CASS)主要應(yīng)用于反應(yīng)堆冷卻劑主管道(包括離心澆鑄的直管段和靜力鑄造的彎頭),反應(yīng)堆冷卻劑泵泵殼等.由于其中通常含有5%25%的鐵素體相,因此ASMEA35l標(biāo)準(zhǔn)定義為承壓元件用奧氏體,奧氏體一鐵素體(雙相)鑄件,RCCMM3406產(chǎn)品采購技術(shù)規(guī)范也定義

13、為用不含鉬的鉻鎳奧氏體一鐵素體不銹鋼制造的離心澆注管.鑄件中一定數(shù)量的鐵素體相可防止鑄造熱裂紋,同時提高鑄件的強度.但鐵素體相的過量存在,使在280320oC的溫度條件下長時間服役的鑄造奧氏體不銹鋼更傾向于發(fā)生熱老化脆化.隨著服役時間的增長,鐵素體相引起的脆化效應(yīng)逐漸加重,最終導(dǎo)致材料的熱老化失效.鐵素體相的數(shù)量和形態(tài)決定了鑄造奧氏體不銹鋼的熱老化程度,因此在規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了鐵素體相含量.國內(nèi)根據(jù)RCCM規(guī)范建造的核電站,其主管道材料Z3CN2009M是滿足RCCMM3406要求的離心鑄造奧氏體一鐵素體不銹鋼鑄件.在鐵素體含量的測定中規(guī)定按MC1290中的Schaeffler曲線圖對熔煉分析

14、結(jié)果評定的鐵素體含量應(yīng)為12%25%,理想含量為15%18%.還應(yīng)根據(jù)成品分析結(jié)果按MC1340的要求進行第二次鐵素體含量評定,并作為數(shù)據(jù)資料提供.主泵泵殼材料是滿足RCCMM3401要求的不含鉬的鎳鉻奧氏體一鐵素體不銹鋼鑄件,對鐵素體含量也有同樣的規(guī)定,稍微不同的是理想含量為15%20%.AP1000反應(yīng)堆冷卻劑泵殼材料為CF3A或CF8A奧氏體一鐵素體(雙相)鑄件,滿足ASME規(guī)范SA351要求的同時,其鐵素體含量應(yīng)為720FN(根據(jù)Hull2011年第1期35r蜉擄核電焊接專題.當(dāng)量因子計算鐵素體含量).其中鑄造奧氏體不銹鋼的最小鐵素體含量是5%(約7FN),是根據(jù)RG1.44,part

15、C4b的規(guī)定要求的.因此,為了保證鑄造奧氏體不銹鋼的產(chǎn)品質(zhì)量以及滿足長期服役的要求,應(yīng)保證其鐵素體含量不超過20FN,同時在選擇鑄造奧氏體不銹鋼焊接用焊條時也應(yīng)滿足同樣的技術(shù)條件限制.3鐵素體相的定量鐵素體含量測定的方法,主要包括磁測法,金相法和化學(xué)分析法.3.1磁測法和金相法磁測法是測定與鐵素體含量相關(guān)的某一磁性物理量,用已知鐵素體含量的標(biāo)準(zhǔn)塊來標(biāo)定(標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)如AWSA4.2測定奧氏體焊縫金屬中鐵素體含量用磁性儀器標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)方法)相同鋼種的試樣鐵素體含量.RCCMMC1342磁飽和法規(guī)定了詳細的測定方法.金相法是根據(jù)金相試樣微觀放大視區(qū)內(nèi)鐵素體所占面積比,推出三維空間的體積百分比.ASTME

16、562是金相法檢測鐵素體含量的標(biāo)準(zhǔn),RCCMMC1343金相法是按AFNOR標(biāo)準(zhǔn)NFA05165進行.3.2化學(xué)分析法化學(xué)分析法需要測出母材或焊縫的化學(xué)成分,并根據(jù)一定的計算經(jīng)驗公式或標(biāo)準(zhǔn)圖來判定鐵素體含量.常見的有Schaeffler圖法,WRC圖法,Delong圖法(相比Schaeffler圖法,在鎳當(dāng)量中考慮了氮元素的影響),Hammer公式法,Hull公式法等.鐵素體形成元素(Cr,Mo,Si和Nb)和奧氏體形成元素(Ni,C,Mn和N)之間的平衡關(guān)系決定了奧氏體不銹鋼組織中鐵素體相的含量.因此鉻當(dāng)量cr鎳當(dāng)量M就用來衡量和計算鐵素體含量的大小.ASMENB一2433焊縫鐵素體含量的測

17、定中規(guī)定用NB一2432的化學(xué)分析方法,再結(jié)合圖NB一2433.11(圖5)來確定焊接材料的6鐵素體含量.其鉻,鎳當(dāng)量(cr.q,Ni.)的計算公式為:Cre=Cr+Mo+0.7Nb(1)Ni.=Ni+35C+20N+0.25Cu(2)RCCMMC1290鐵素體含量的測定規(guī)定測定奧氏體一鐵素體鑄件中鐵素體含量時,應(yīng)根據(jù)已知化學(xué)成分,使用Schaeffler方法確定鉻,鎳當(dāng)量,通過計算或者在圖MC1290.1上確定鐵素體含量,此計算法對于鐵素體含量在10%25%范圍內(nèi)有效.其鉻,鎳當(dāng)量362011年第1期(crNi.)的計算公式為:Cr.:%Cr+%Mo+1.5%Si+0.5%Nb(3)Ni=%

18、Ni+30%C+O.5%Mn(4)RCCM第1V卷$2000和$3000要求對奧氏體不銹鋼材料和焊縫進行鐵素體含量的測定.材料鐵素體含量的測定在材料驗收時采用化學(xué)分析法,而焊縫的鐵素體含量的測定在焊接工藝評定期間,利用Delong或McKay修正的Schaeffler曲線進行確定,并在所有熱處理之前用直接磁性測量法進行復(fù)檢.U0+Z0+rJv,+窆fL.Z16141210182O222426283OC口=Cr+Mo+o.7Nb圖5確定焊接材料占一鐵素體含量ASMEWRC曲線圖在實際核電產(chǎn)品的鐵素體含量計算時,可以根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)條件或者規(guī)范要求選擇合適的計算方法,并需要注意材料化學(xué)成分的準(zhǔn)確性.4結(jié)論綜合對核電用奧氏體不銹鋼堆焊層,奧氏體不銹鋼對接焊縫,鑄造奧氏體不銹鋼中的鐵素體相的作用和含量限制進行的分析,在核電奧氏體不銹鋼的