液化天然氣儲罐低溫鎳基合金焊縫射線探傷底片中不明影像產(chǎn)生的原因

蔡嘯濤，齊彥昌，魏金山，馬成勇

(1.鋼鐵研究總院焊接研究所，北京 100081；2.江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院，張家港 215600)

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的高速發(fā)展和綠色環(huán)保政策的出臺，我國對液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)及其相關(guān)的低溫儲運(yùn)設(shè)備用材料的需求日益增加。以9Ni鋼為主的鎳系低溫鋼以其優(yōu)異的低溫強(qiáng)韌性和良好的焊接性，而廣泛應(yīng)用于-163 ℃下服役的大型LNG儲罐中[1-3]。LNG儲罐中焊接接頭是薄弱環(huán)節(jié)，在低溫服役過程中會經(jīng)受嚴(yán)苛的熱脹冷縮過程。為保持良好的抗疲勞性能，同時獲得低溫韌性良好的焊接接頭，通常選用線膨脹系數(shù)與9Ni鋼較為接近的低碳鎳基焊材進(jìn)行焊接[4-6]。在LNG儲罐建造施工中，橫焊位置的焊接方法通常為埋弧焊，而立焊位置一般采用手工電弧焊或自動氣體保護(hù)焊，其中ENiCrMo-6低溫鎳基合金焊條是較常用的焊接材料[7-8]。

某大型LNG儲罐項(xiàng)目施工采用ENiCrMo-6鎳基合金焊條進(jìn)行焊接，其焊縫的射線探傷合格率較低，探傷底片上部分區(qū)域可見點(diǎn)狀和絮狀不明影像，不明影像較周圍區(qū)域略亮，對應(yīng)焊縫在后續(xù)返修及剖面檢查時，卻并未發(fā)現(xiàn)明顯的未熔合、未焊透、裂紋、夾渣、氣孔等常規(guī)焊接缺陷。目前，該類不明影像主要在現(xiàn)場大規(guī)模施工中發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室及工藝評定試板中較為少見，國內(nèi)外文獻(xiàn)中也未有相關(guān)報(bào)道。此類不明影像對射線探傷評片過程造成了較大干擾，對工程進(jìn)度影響較大，同時對焊接質(zhì)量的影響尚不明確。為此，作者采用顯微組織觀察、能譜分析、硬度測試、低溫沖擊及熱力學(xué)計(jì)算等方法，分析了底片上不明影像的產(chǎn)生原因，研究了該不明影像對焊縫力學(xué)性能的影響，并探討了相關(guān)的改善措施。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為取自某大型LNG儲罐焊縫探傷底片上存在不明影像的焊接接頭。接頭母材為厚度20 mm的06Ni9DR鋼，經(jīng)淬火+臨界淬火+回火處理后，其顯微組織為回火馬氏體和彌散分布的逆轉(zhuǎn)奧氏體，具有良好的低溫強(qiáng)韌性[9-10]；焊接所用材料為φ3.2 mm的ENiCrMo-6進(jìn)口鎳基合金焊條，其焊縫金屬在-196 ℃下具備良好的韌性，焊材中添加了鉻、鉬、鈮、鎢等合金元素，在起到固溶強(qiáng)化作用的同時也促進(jìn)了焊縫凝固后期各種第二相的形成[11-12]。母材與焊條熔敷金屬的化學(xué)成分、力學(xué)性能分別如表1和表2所示?，F(xiàn)場施工時采用手工電弧焊進(jìn)行多層多道焊接，焊前嚴(yán)格清理焊接區(qū)域及周邊的氧化皮、油污等影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)，焊前不預(yù)熱，焊接坡口類型為V型，坡口角度為60°，根部間隙為2 mm，焊接位置為立焊，焊接電流為100～110 A，焊接電壓為24～25 V，焊接速度為8～10 cm·min-1，焊接熱輸入為14～20 kJ·cm-1，采用交流電源，層間溫度控制在100 ℃以下，反面清根方式為砂輪打磨。

表1 母材與焊條熔敷金屬的化學(xué)成分

表2 母材與焊條熔敷金屬的力學(xué)性能

經(jīng)過多次X射線探傷后，精確定位試樣上不明影像的位置，根據(jù)不明影像的尺寸和分布，利用線切割在不明影像密集的區(qū)域截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光后，用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液對母材和熱影響區(qū)進(jìn)行腐蝕，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%鉻酸溶液對鎳基合金焊縫區(qū)域進(jìn)行電解腐蝕，采用GX 51型光學(xué)顯微鏡(OM)、FEI Quanta650型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)和Xmax-50型能譜儀(EDS)進(jìn)行顯微組織觀察與微區(qū)成分分析。采用EM500-2A型顯微硬度計(jì)測焊縫橫截面局部區(qū)域的維氏硬度，載荷為1.96 N，保載時間為10 s。分別按照GB/T 2651—2008和GB/T 2650—2008，在不明影像密集的焊縫區(qū)域和正常焊縫區(qū)域取橫向全厚度拉伸試樣和焊縫金屬標(biāo)準(zhǔn)V型缺口夏比沖擊試樣，分別在GNT-600型萬能試驗(yàn)機(jī)和NI-300型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)和-196 ℃沖擊試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)時的拉伸速度為6 mm·min-1，在掃描電鏡下觀察沖擊斷口形貌。利用Jmatpro軟件對焊條熔敷金屬進(jìn)行了元素偏析計(jì)算。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 接頭宏觀形貌

由圖1可以看出，焊縫金屬與母材熔合良好，接頭各區(qū)域在宏觀上未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，電解腐蝕后焊縫各層道間未發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷，但由于母材對焊縫金屬的稀釋程度不同，導(dǎo)致焊縫各區(qū)域呈現(xiàn)不同的腐蝕狀態(tài)，焊縫上表面的腐蝕程度高于焊縫根部，焊道間界面的腐蝕程度較重，打底焊道的腐蝕程度最輕。

圖1 電解腐蝕前后焊接接頭的宏觀形貌

2.2 焊縫顯微組織與微區(qū)成分

在焊接接頭的熔合區(qū)和熱影響區(qū)中均未發(fā)現(xiàn)缺陷，但在焊縫區(qū)發(fā)現(xiàn)了尺寸不一的夾雜物，如圖2(a)和圖2(b)所示。夾雜物周圍的奧氏體枝晶形態(tài)明顯，析出相在枝晶間彌散析出，且大部分夾雜物均位于不同焊道間的界面位置。在接頭上多次取樣后，對焊縫中類似的夾雜物進(jìn)行了觀察統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)不明影像密集的焊縫中，夾雜物的尺寸在25～150 μm之間，平均密度約為12.0 cm-1。除夾雜物以外，還在焊縫中發(fā)現(xiàn)較多不規(guī)則和線狀析出相團(tuán)簇，如圖2(c)和圖2(d)所示，與夾雜物類似，大部分析出相團(tuán)簇均分布于焊道間，該區(qū)域部分較大的析出相在電解腐蝕過程中脫落，形成形態(tài)各異的深色不規(guī)則組織，部分析出相團(tuán)簇的尺寸較大，最大尺寸可達(dá)300 μm。

圖2 焊縫中不明影像密集區(qū)域夾雜物和析出相團(tuán)簇的OM形貌

由圖3可以看出，焊縫中夾雜物邊緣平滑，周圍分布著因析出物脫落而形成的孔洞，夾雜物區(qū)域的鎢元素顯著偏聚，夾雜物周圍孔洞區(qū)域的鈮元素也存在一定富集。由圖4可以看出，析出相團(tuán)簇呈網(wǎng)狀形態(tài)，分布范圍較大，網(wǎng)狀析出相團(tuán)簇區(qū)域內(nèi)的鈮、鉬元素發(fā)生明顯偏聚，鎳元素則相對貧化。

圖3 焊縫中不明影像密集區(qū)域夾雜物的SEM形貌與EDS元素面掃描結(jié)果

圖4 焊縫中不明影像密集區(qū)域析出相團(tuán)簇的SEM形貌與EDS元素面掃描結(jié)果

由圖5和表3可知：焊縫正常區(qū)域的奧氏體基體相上枝晶臂兩側(cè)分布著細(xì)長的鏈狀析出相，該析出相中的鈮、鉬元素存在一定程度的富集；夾雜物中主要為鎢質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于97%的α-W相，其附近基體中除含有少量鎢元素以外，其他成分與正常焊縫基體相中A2點(diǎn)的成分接近；與正常焊縫相比，網(wǎng)狀析出相團(tuán)簇區(qū)域的析出相數(shù)量明顯增多，且析出相(C1點(diǎn))的鈮、鉬元素含量也明顯高于基體(C2點(diǎn))和正常區(qū)域析出相(A1點(diǎn))。

表3 圖5中不同位置的EDS分析結(jié)果

圖5 焊縫中正常區(qū)域以及不明影像密集區(qū)域夾雜物和析出相團(tuán)簇的SEM形貌

2.3 接頭力學(xué)性能

由圖6可以看出：富鎢夾雜物的硬度最高，其次為析出相團(tuán)簇，且二者均遠(yuǎn)高于周圍奧氏體基體的硬度。對多個區(qū)域的顯微硬度進(jìn)行了測試統(tǒng)計(jì)，測得富鎢夾雜物和析出相團(tuán)簇的平均硬度分別為456，288 HV，均高于富鎳奧氏體基體的平均硬度204 HV。

圖6 焊縫中不明影像密集區(qū)域夾雜物和析出相團(tuán)簇附近的顯微硬度

由表4可以看出，與正常區(qū)域相比，不明影像密集區(qū)域的抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊吸收能量的穩(wěn)定性均顯著下降，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度下降明顯，斷裂位置由母材變?yōu)楹缚p，焊縫區(qū)域的-196 ℃沖擊吸收能量也有一定程度的下降。這是由于尺寸較大的硬脆富鎢夾雜物和析出相團(tuán)簇容易引起應(yīng)力集中，在拉伸和沖擊試驗(yàn)過程中，這些區(qū)域可能會成為裂紋源，在數(shù)量較多時裂紋更容易在此萌生并擴(kuò)展，從而導(dǎo)致焊縫金屬的強(qiáng)度與塑韌性下降[13]。由圖7可以看出：不明影像密集區(qū)域沖擊斷口中的富鎢夾雜物在沖擊載荷作用下發(fā)生解理，附近存在少量二次裂紋，周邊區(qū)域韌窩較為細(xì)小，由于富鎢顆粒與基體的性能差異明顯，使得斷口起伏較大；析出相團(tuán)簇區(qū)域存在大量的二次裂紋，呈現(xiàn)明顯的脆性斷裂特征，部分析出相團(tuán)簇在受到?jīng)_擊載荷時脫落，形成較大的凹陷。

表4 焊接接頭正常區(qū)域和不明影像密集區(qū)域的橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果和低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖7 不明影像密集區(qū)域焊縫金屬的低溫沖擊斷口形貌

2.4 熱力學(xué)計(jì)算

采用多元熱動力學(xué)金屬材料相圖計(jì)算軟件JMatPro配合鎳基合金模塊數(shù)據(jù)庫，對ENiCrMo-6鎳基合金焊條熔敷金屬凝固過程液相中的元素含量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，在焊接熔池凝固過程中，隨著固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，殘余液相中的溶質(zhì)元素含量發(fā)生相對富集或貧化，錳、鉬、鈮元素在凝固末期向殘余液相分配，而鐵、鎳、鉻元素則更易于向固相中分配，鎢元素的偏析現(xiàn)象不明顯。通過電子探針分析方法，基于Scheil公式估算得到鎳基合金焊縫中鈮、鉬等元素的平衡分配系數(shù)均小于1，說明二者具有向液相偏析的傾向[14]，與作者的計(jì)算結(jié)果基本相符。

圖8 熔池金屬凝固過程液相中的元素含量計(jì)算結(jié)果

2.5 分析與討論

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，推測焊縫探傷底片中的不明影像很有可能是由原子序數(shù)較大的鈮、鉬、鎢元素的偏聚造成的。鈮、鉬、鎢元素的原子序數(shù)較焊縫金屬中其他元素大，對X射線的衰減作用也較大[15]，當(dāng)部分區(qū)域存在較多大尺寸的富鎢夾雜物和富鈮、鉬析出相團(tuán)簇時，在焊縫厚度方向上對X射線的累積衰減比周圍區(qū)域大，當(dāng)形成的黑度差達(dá)到肉眼可見的程度時，就在探傷底片上形成了白色影像。由于大部分富鎢夾雜物的尺寸較大，同時根據(jù)夾雜物位置和熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果，可推斷該類富鎢夾雜物并非熔池凝固后期的偏析產(chǎn)物，而是未完全熔化的外來鎢顆粒；而鎳基合金焊縫中的鈮、鉬元素雖然具有較小的平衡分配系數(shù)，即在焊縫熔池凝固時更易向殘余液相中分配，但由于立焊的熱輸入較大，鎳基合金焊縫金屬凝固結(jié)晶較緩慢，實(shí)際上并不利于大尺寸富鈮、鉬析出相團(tuán)簇的形成[16]，同時大部分此類析出相團(tuán)簇均處于焊道間，因此推測該類缺陷的形成受焊接材料因素的影響較大。

更換不同批次的焊條，并采用相同的焊接工藝進(jìn)行焊接后，按照NB/T 47013.2—2015對鎳基合金焊縫進(jìn)行100% X射線無損探傷，探傷I級合格率由61.9%上升至95.2%，不明影像出現(xiàn)的概率顯著降低。對該焊縫進(jìn)行多次顯微組織觀察和分析統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)夾雜物的尺寸和數(shù)量遠(yuǎn)低于問題焊縫；富鎢夾雜物的尺寸在2～5 μm之間，平均密度約為2.0 cm-1，同時未發(fā)現(xiàn)富鈮、鉬大尺寸析出相團(tuán)簇。因此，可推斷焊接材料是造成鎳基合金焊縫探傷底片中出現(xiàn)不明影像的重要原因。從ENiCrMo-6鎳基合金焊條的生產(chǎn)過程來看，由于鎳基合金的加工性能較差，且其較高的電阻率會導(dǎo)致焊接時藥皮發(fā)紅開裂，因此該類焊條多采用純鎳作為焊芯，其他合金元素則通過焊條藥皮進(jìn)行過渡。當(dāng)藥皮組分混合不均勻或者藥粉顆粒度不均勻時，就有可能造成焊縫金屬中合金元素的異常偏聚。

3 結(jié) 論

(1)采用ENiCrMo-6鎳基合金焊條焊接的低溫鎳基合金焊縫的射線探傷底片中的點(diǎn)狀和絮狀不明影像主要由大尺寸富鎢夾雜物和富鈮、鉬的析出相團(tuán)簇造成。

(2)富鎢夾雜物和析出相團(tuán)簇區(qū)域的平均顯微硬度分別為456，288 HV，均高于富鎳奧氏體基體相的平均硬度，該類組織導(dǎo)致焊接接頭的強(qiáng)度和低溫沖擊韌性降低，并對二者的穩(wěn)定性造成了不良影響。

(3)更換焊條批次后，焊縫中不明影像出現(xiàn)的概率顯著降低，該類不明影像的產(chǎn)生與ENiCrMo-6鎳基合金焊條生產(chǎn)過程中藥皮組分混合不均勻或者藥粉顆粒度不均勻，造成焊縫金屬中合金元素的異常偏聚有關(guān)。