硫化物的分布形态对SA335 P91钢焊接根部热裂纹的影响

摘要：对SA335 P91炉管对接全位置固定单面焊双面成形焊缝试样进行了金相分析，电镜扫描和微区能谱分析。结果表明，尽管SA335P91钢及所使用的焊材的S、P含量很低，但如果工艺选择不当，仍然会产生结晶裂纹；结晶裂纹产生与否主要取决于S的低熔点共晶化合物在晶界的分布形态，而不是取决于S的绝对含量。在S的含量比较高的情况下，S的含量高但以点状分布于晶界上对晶界的削弱效果并不明显，如果以膜状或者块状物形式分布的硫化物存在于晶界上，则容易导致晶界上结晶裂纹的产生。

关键词：SA335 P91钢        结晶裂纹        低熔共晶体  分布形态

前言

提高火电厂的效率是今后解决全球环境问题的一个有力手段，采用超高温高循环是高效率化的手段之一[1]。到本世纪五十年代，电站锅炉钢管大多采用铁素体合金钢(21/4Cr-1Mo)和奥氏体不锈钢(TP304、TP347等)，但随着高参数机组的发展，锅炉温度和压力的进一步提高，对钢管材料的高温蠕变性能和抗应力腐蚀方面提出了更高的要求[2]。在这种背景下，美国曾在1974年对大量的现有材料进行了一项庞大的论证工作，结果表明，改进型9%Cr-1%Mo钢在诸如耐腐蚀性、焊接性、加工性、力学性能等方面显示出了卓越的综合性能。

但是，近年来，许多锅炉制造厂在使用9%Cr-1%Mo钢制造锅炉、压力容器时，所遇到的问题不仅仅是冷裂纹的问题，对于焊接过程中出现的热裂纹也越来越重视[3-6]。

某油建公司在制造北方某大型乙烯改扩建项目中，裂解对流段的的超高压蒸汽过热器段是以SA335 P91为材质，规格为φ73.3×9.53mm,焊后进行X射线检测时，发现部份焊口存在裂纹，导致大量返修，对工期造成了较大的影响。作者在文献[7]中针对该工程中出现的焊接根部裂纹进行了分析，认为其裂纹属于结晶热裂纹，并指出闭合区内晶界上硫、磷等晶间偏析元素含量高、偏析严重以及闭合区较高的应力集中是裂纹产生的主要原因之一。因此，本文将重点分析焊接工艺参数对SA335 P91钢焊缝组织结晶偏析的影响，以期通过工艺参数的调整来提高焊接接头的焊接质量。

1 焊接试验材料与试验方法

1.1试验材料

试验选用的SA335 P91钢管由日本住友金属公司生产，规格为φ73.3×9.53mm,其化学成份与机械性能如表1 所示。焊接方法采用手工氩弧焊，焊材用英国曼彻特焊接材料公司的ER90S-B9焊丝，直径φ2.4 mm，其熔敷金属的化学成份如表2所示。

1.2 试验方法

试验采用管对接水平固定加障碍物全位置焊，首先从6点钟的位置顺时焊至12点针位置，把收弧处加以打磨后，再从6点钟位置逆时针方向右焊，后半部份与前半部份闭合前电弧在此稍作停留和摆动,待小孔闭合后，电弧继续前移5mm左右电弧引出坡口外收弧。焊接速度为105mm/min,其它工艺参数见表3。从文献[7]的分析中可知，焊接裂纹主要产生于根部打底焊时左右焊道交汇闭合小孔处。如图1、图2所示。所以，检验取样时主要取在裂纹发生的区域，试样经X射线探伤后，把有裂纹的试样经轴向和周向准确定位后用线切割方法沿开裂面分开且要保留裂纹的原始形貌，而对没有发现有裂纹的试样则沿左右焊交汇闭合小孔中心强制打断，然后分别用荷兰hilips公司XL-30FEG型扫描电镜进行断口扫描、用美国EDAX公司的DX4i型x射线能谱仪进行能谱分析、用德国Leica公司出品的DMIRM型求学显微镜进行微观金相分析。其中能谱分析主要是对被分析微区求平均值。

2 试验结果

2.1能谱分析结果

对三个主要工艺参数进行根部焊接试验，对所焊试样的打底焊道中左右焊道交汇闭合小孔处所在区域微区EDAX能谱分析数据结果如表4所示。

表1  SA335 P91钢的化学成份及力学性能(注：①：标准 ；  ②：实测值)

Table1 Chemical composition and mechanical property of SA335P91steel

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>化学成份（Wt%）

 

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>C

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>Mn

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>Si

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>Cr

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>Mo

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>V

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>Nb

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>Ni

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>N

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>S

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>P

①

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.08-0.12

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.30-0.60

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.20-0.50

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>8.00-9.50

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.85-1.05

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.18-0.25

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.06-0.10

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.40

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.03-0.07

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>≤0.01

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>≤0.02

②

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.10

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.48

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.39

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>8.98

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.93

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.21

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.08

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.40

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.06

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.0035

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.016

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>力学性能

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>σ_b /MPa

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>σ_S /Mpa

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>δ₅(%)

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>Ak(J)(+20℃)

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>HB

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>≥ 585

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>≥415

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>≥ 20

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>≥41

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>≤250

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>677

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>501

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>34

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>87

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>178

normal style="MARGIN-LEFT: 0cm; MARGIN-RIGHT: 0cm; TEXT-ALIGN: center" align=center>表2 ER90S-B9熔化学成份（质量百分数，%）

normal style="MARGIN-LEFT: 0cm; MARGIN-RIGHT: 0cm; TEXT-ALIGN: center" align=center>Table2 Chemical composition of deposited metal of welding wire

 

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>C

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>Mn

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>Si

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>Cr

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>Mo

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>V

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>Nb

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>Ni

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>N

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>S

normal style="TEXT-INDENT: 7.9pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>P

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>Al

normal style="TEXT-INDENT: -3.25pt">①

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.08-0.13

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.40-0.80

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.15-0.30

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>8.00-9.50

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.80-1.1

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.15-0.25

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.03-0.08

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.40-0.8

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.03-0.07

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>≤0.01

normal style="TEXT-INDENT: -1.65pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>≤0.01

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>≤0.04

normal style="TEXT-INDENT: 2pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>②

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.10

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.50

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.25

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>8.70

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>1.00

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.20

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.05

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.6

normal style="TEXT-INDENT: -1.3pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>0.03

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0.006

normal style="TEXT-INDENT: 1.1pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>0.008

normal style="TEXT-INDENT: 0.85pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>≤0.01

normal style="LINE-HEIGHT: 12pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>图1 裂纹产生区域

normal style="LINE-HEIGHT: 12pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>Fig 1 Region of crack occurring

normal style="LINE-HEIGHT: 12pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>图2 左右焊交汇小孔闭合区域示意图

normal style="LINE-HEIGHT: 12pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>Fig 2 Region of hole closed

normal style="LINE-HEIGHT: 12pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>表3 典型试验工艺参数及结果

normal style="MARGIN-TOP: 2.5pt; LINE-HEIGHT: 12pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>Table3 Typical test parameters and results

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center> 试验序号

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>焊接电流（A）

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>预热热温度（℃）

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>小孔停留时间（s）

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>EDAXS%(w%)

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>是否开裂

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>2#

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>100

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>170

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>——

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>否

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>5#

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>130

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>170

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>5

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>6．2270

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>否

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>8#

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>150

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>170

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>10

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0．5090

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>裂

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>12#

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>130

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>170

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>10

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0．7252

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>裂

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>14#

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>150

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>250

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>5

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>0．3876

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>否

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>18#

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>150

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>250

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>5

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>10．584

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>否

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>21#

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>150

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>170

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>15

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>3．2290

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>裂

2.2 微观金相分析

normal style="LINE-HEIGHT: 12pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>图3 2#焊缝显微组织 100x

normal style="LINE-HEIGHT: 12pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>Fig.3 Microstructure of 2# weld seam

图3是执行规范较小的2#工艺制备的试样焊态下闭合小孔处的显微组织图，焊接电流和小孔停留时间较短,故晶粒比较细,板条马氏体束较短且窄, 而图4则是表3中21#工艺试样在焊态下闭合小孔处的显微组织图和裂纹形貌，显然，其晶粒尺寸要比图3所示的大，马氏体束既长又粗且方向性极强。

normal style="LINE-HEIGHT: 12pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>图4  21#焊缝裂纹显微组织 100x

normal style="LINE-HEIGHT: 12pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>Fig.4 Microstructure of 21 # weld crack

2.3 扫描电镜分析结果
5#、8#、18#、21#试样中，5#和18#是没有开裂的，用冲击的办法把试样从左右焊道交汇闭合小孔处冲断，而8#、21#试样是有裂纹的，则从裂纹面一分为二，分别在扫描电镜下观察到的微观形貌，其典型特征如图5-6所示。

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>表4  典型试样EDAX分析详细结果(单位：Wt％)

normal style="TEXT-ALIGN: center" align=center>Table.4 results of EDAX for typical specimens

 

normal style="TEXT-INDENT: 13.5pt">C

normal style="TEXT-INDENT: 13.5pt">S

normal style="TEXT-INDENT: 18pt">Cr

normal style="TEXT-INDENT: 18pt">Mn

normal style="TEXT-INDENT: 18pt">Fe

normal style="TEXT-INDENT: 13.5pt">Al

normal style="TEXT-INDENT: 13.5pt">Ti

normal style="TEXT-INDENT: 13.5pt">Ni

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">5#

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">2.153

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">6.227

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">11.817

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">12.089

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">68.199

 

 

 

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">18#

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">3.603

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">10.584

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">12.781

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">18.777

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">44.608

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">1.888

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">2.022

 

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">8#

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">5.359

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">0.509

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">10.698

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">0.723

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">82.627

normal style="TEXT-INDENT: 9pt"> 

normal style="TEXT-INDENT: 9pt"> 

normal style="TEXT-INDENT: 9pt"> 

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">21#

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">1.804

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">3.229

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">8.510

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">0.192

normal style="TEXT-INDENT: 9pt">83.950

normal style="TEXT-INDENT: 18pt"> 

normal style="TEXT-INDENT: 18pt"> 

2.315

normal style="LINE-HEIGHT: 12pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>图5 18#焊缝断口形貌图

normal style="LINE-HEIGHT: 12pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>Fig.5 The fracture pattern of 18# weld seam

normal style="LINE-HEIGHT: 12pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>图6 21#焊缝裂纹断口形貌图

normal style="LINE-HEIGHT: 12pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>Fig.6 The fracture pattern of 21# weld crack

normal style="MARGIN-LEFT: 0cm">3 分析与讨论

normal style="TEXT-INDENT: 21pt">从前面的试验结果可以看出：

normal style="TEXT-INDENT: 21pt">1） 左右焊交汇闭合小孔处是否开裂与焊接规范密切相关，主要取决于焊接电流和小孔闭合处停留时间，开裂的试样都是I偏大或是t_hole偏长或是二者都偏大。

normal style="TEXT-INDENT: 21pt">2） 从EDAX结果看，总体上，开裂的试样S的相对含量都比较高，这说明，焊接热裂纹的产生与否和焊缝内晶界上S的含量有关，试验所选用的钢管和焊丝的S含量都是非常低的，那么晶界上S必然是通过编析聚集而来的^[8-10]。

normal style="TEXT-INDENT: 21pt">表4显示了这四个典型试样的断面上部份物质的能谱结果，5#、18#试样没有裂纹产生，8#、21#试样有裂纹产生，从18#试样的人为断口形貌看，是典型的韧性断口，韧窝底部有球形夹杂物，对其进行能谱分析，结果表明它是硫化锰夹杂物，它的熔点点是1610℃,这种以球状（颗粒状）分布的硫化锰夹杂物存在的硫元素，对结晶裂纹的形成与产生没有任何贡献，因而没有裂纹产生，同时在韧窝底部的夹杂物中还发现了高熔点的硫化物形成元素Ti，这进一步印证了高熔点硫化物形成元素可降低热裂纹的敏感性的观点。而8#、21#试样的裂纹表面，通过能谱分析发现，存在大量的低熔点共晶体形成元素S、Ni、Fe等及其促成元素C，它们是FeS-Fe和Fe-S裂纹面上的低熔点共晶体延绵绵起伏分布，表面光亮，棱角圆滑，成团成块，形态自然，这说明其凝固时间长。在焊接材料和母材相同的条件下，这些被分析的焊缝有些发现了裂纹，有些却没有，究其原因，主要是和焊接工艺参数有关，有裂纹产生的焊缝，其裂纹的产生主要是成份偏析相当严重，这又与焊缝奥氏体晶粒大小关系密切，金相分析结果证明了这一点。孔停留时间thole对结晶裂纹的产生影响最大，尤其是当thole增大 时，发现焊缝组织中的板条马氏体束变长变粗，方向性极强，这必然导致成份偏析加剧，进而在其它条件满足的前提下，将产生裂纹。从表4显示的结果及其分析表明，通过优化选择焊接规范，电弧在左右焊道闭合小孔处作5秒以内的停留是预防热裂纹产生的有效措施。

normal style="MARGIN-LEFT: 0cm">4 结论

normal style="TEXT-INDENT: 21pt">1)尽管SA335P91钢及其所选用的焊材含S、P等杂质严格控制在标准规定的下限，但是如果焊接规范选择不当，仍会造成严重的成份偏析从而引发结晶裂纹。

normal style="TEXT-INDENT: 21pt">2)结晶裂纹的产生与否主要取决于低熔点共晶硫化物的分布形态而不是单纯取决于S 的绝对含量。S的含量高但以(Mn,Fe)S共晶形式点状分布于晶界上对晶界的削弱效果并不明显，而以FeS-Fe和FeS的形式呈膜状、块状物的形式分布于三叉晶界上则会严重削弱了晶界结合力，降低了晶界断裂强度，最易导致结晶裂纹的产生。