304不锈钢补焊接头残余应力与应力腐蚀开裂研究

304不锈钢补焊接头残余应力与应力腐蚀开裂研究

压力容器在制造、安装和服役过程中难免会产生各类危险性缺陷,通常需要采用补焊的方法对设备进行局部修复,以恢复其结构完整性。但是在补焊过程中,补焊接头因受热不均匀,不可避免地会产生较大的残余应力。而残余应力通常对补焊设备的后期服役寿命产生很大的影响,特别是在腐蚀介质和残余应力共同作用下,设备容易发生应力腐蚀开裂。

因此,对补焊接头残余应力及其应力腐蚀开裂行为进行研究,具有重要的科学研究价值。本文以304不锈钢补焊接头为研究对象,对其残余应力、微观组织、显微硬度分布规律以及在3.5%NaCl溶液中应力腐蚀开裂机理进行研究;并研究线能量、补焊余高、补焊长度等补焊工艺参数对残余应力和应力腐蚀敏感性的影响规律,为优化补焊工艺提供参考。主要结论如下:(1)对304不锈钢局部补焊区的金相组织和显微硬度进行研究,发现焊缝、熔合线和热影响区的金相组织均由奥氏体基体与δ铁素体组成,区别在于这三个区域内δ铁素体相应呈网状、板条状和条带状;显微硬度值在焊缝处最大,其次热影响区,熔合线处硬度值最小。

随着线能量和补焊余高的增大,补焊接头焊缝和热影响区δ铁素体含量与显微硬度值均减小。(2)通过X射线衍射测试与有限元法相结合对304不锈钢局部补焊区残余应力分布规律进行研究,发现有限元计算结果与测试结果一致。焊缝和热影响区存在较大的横向和纵向残余应力,且纵向残余应力明显大于横向残余应力。

横向残余应力在补焊起点位置小于在补焊止点位置,而补焊起止点处的纵向残余应力相差不大。(3)线能量、补焊余高和补焊长度这三个补焊工艺参数均对横向残余应力影响较大,随着线能量和补焊长度的增加,焊缝和热影响区的横向残余应力显著降低,而补焊余高降低横向残余应力主要受焊缝层数的控制。线能量、补焊余高和补焊长度对补焊试样纵向残余应力影响较小。

(4)通过慢应变速率拉伸试验(SSRT)与扫描电镜(SEM)断口分析相结合对304不锈钢局部补焊区的应力腐蚀开裂行为进行研究,发现不管是在惰性介质(空气)还是在腐蚀介质(3.5%NaCl溶液)下,补焊接头热影响区均发生脆性断裂,而焊缝区和母材区均发生韧性断裂。焊缝区组织因存在半网状和网状的δ铁素体,对腐蚀介质不敏感;而母材区和热影响区组织对腐蚀介质有一定的敏感性。同时发现局部补焊区原缺陷边缘与补焊起止点是补焊设备再次开裂的危险部位。

(5)随着线能量、补焊余高和补焊长度的增加,补焊试样在空气和3.5%NaCl溶液中的断裂时间和延伸率均相应增大。随着线能量和补焊余高的增加,补焊试样在3.5%NaCl溶液中的应力腐蚀敏感性相应减小;然而随着补焊长度的增加,补焊试样的应力腐蚀敏感性有增大趋势。