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.江蘇科技大學蘇州理工學院，張家港 215600)

0 引 言

隨著國民經濟水平的高速發展和綠色環保政策的出臺，我國對液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)及其相關的低溫儲運設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異的低溫強韌性和良好的焊接性，而廣泛應用于-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節，在低溫服役過程中會經受嚴苛的熱脹冷縮過程。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與9Ni鋼較為接近的低碳鎳基焊材進行焊接[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儲罐項目施工采用ENiCrMo-6鎳基合金焊條進行焊接，其焊縫的射線探傷合格率較低，探傷底片上部分區域可見點狀和絮狀不明影像，不明影像較周圍區域略亮，對應焊縫在后續返修及剖面檢查時，卻并未發現明顯的未熔合、未焊透、裂紋、夾渣、氣孔等常規焊接缺陷。目前，該類不明影像主要在現場大規模施工中發現，實驗室及工藝評定試板中較為少見，國內外文獻中也未有相關報道。此類不明影像對射線探傷評片過程造成了較大干擾，對工程進度影響較大，同時對焊接質量的影響尚不明確。為此，作者采用顯微組織觀察、能譜分析、硬度測試、低溫沖擊及熱力學計算等方法，分析了底片上不明影像的產生原因，研究了該不明影像對焊縫力學性能的影響，并探討了相關的改善措施。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為取自某大型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奧氏體，具有良好的低溫強韌性[9-10]；焊接所用材料為φ3.2 mm的ENiCrMo-6進口鎳基合金焊條，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，在起到固溶強化作用的同時也促進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成分、力學性能分別如表1和表2所示。現場施工時采用手工電弧焊進行多層多道焊接，焊前嚴格清理焊接區域及周邊的氧化皮、油污等影響焊接質量的雜質，焊前不預熱，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成分

表2 母材與焊條熔敷金屬的力學性能

經過多次X射線探傷后，精確定位試樣上不明影像的位置，根據不明影像的尺寸和分布，利用線切割在不明影像密集的區域截取金相試樣，經打磨、拋光后，用體積分數4%硝酸酒精溶液對母材和熱影響區進行腐蝕，用質量分數10%鉻酸溶液對鎳基合金焊縫區域進行電解腐蝕，采用GX 51型光學顯微鏡(OM)、FEI Quanta650型熱場發射掃描電子顯微鏡(SEM)和Xmax-50型能譜儀(EDS)進行顯微組織觀察與微區成分分析。采用EM500-2A型顯微硬度計測焊縫橫截面局部區域的維氏硬度，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域和正常焊縫區域取橫向全厚度拉伸試樣和焊縫金屬標準V型缺口夏比沖擊試樣，分別在GNT-600型萬能試驗機和NI-300型沖擊試驗機上進行室溫拉伸試驗和-196 ℃沖擊試驗，拉伸試驗時的拉伸速度為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行了元素偏析計算。

2 試驗結果與討論

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，接頭各區域在宏觀上未發現明顯缺陷，電解腐蝕后焊縫各層道間未發現宏觀缺陷，但由于母材對焊縫金屬的稀釋程度不同，導致焊縫各區域呈現不同的腐蝕狀態，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成分

在焊接接頭的熔合區和熱影響區中均未發現缺陷，但在焊縫區發現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行了觀察統計，發現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，還在焊縫中發現較多不規則和線狀析出相團簇，如圖2(c)和圖2(d)所示，與夾雜物類似，大部分析出相團簇均分布于焊道間，該區域部分較大的析出相在電解腐蝕過程中脫落，形成形態各異的深色不規則組織，部分析出相團簇的尺寸較大，最大尺寸可達300 μm。

圖2 焊縫中不明影像密集區域夾雜物和析出相團簇的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，夾雜物區域的鎢元素顯著偏聚，夾雜物周圍孔洞區域的鈮元素也存在一定富集。由圖4可以看出，析出相團簇呈網狀形態，分布范圍較大，網狀析出相團簇區域內的鈮、鉬元素發生明顯偏聚，鎳元素則相對貧化。

圖3 焊縫中不明影像密集區域夾雜物的SEM形貌與EDS元素面掃描結果

圖4 焊縫中不明影像密集區域析出相團簇的SEM形貌與EDS元素面掃描結果

由圖5和表3可知：焊縫正常區域的奧氏體基體相上枝晶臂兩側分布著細長的鏈狀析出相，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量分數大于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點的成分接近；與正常焊縫相比，網狀析出相團簇區域的析出相數量明顯增多，且析出相(C1點)的鈮、鉬元素含量也明顯高于基體(C2點)和正常區域析出相(A1點)。

表3 圖5中不同位置的EDS分析結果

圖5 焊縫中正常區域以及不明影像密集區域夾雜物和析出相團簇的SEM形貌

2.3 接頭力學性能

由圖6可以看出：富鎢夾雜物的硬度最高，其次為析出相團簇，且二者均遠高于周圍奧氏體基體的硬度。對多個區域的顯微硬度進行了測試統計，測得富鎢夾雜物和析出相團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域夾雜物和析出相團簇附近的顯微硬度

由表4可以看出，與正常區域相比，不明影像密集區域的抗拉強度和低溫沖擊吸收能量的穩定性均顯著下降，焊接接頭的抗拉強度下降明顯，斷裂位置由母材變為焊縫，焊縫區域的-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簇容易引起應力集中，在拉伸和沖擊試驗過程中，這些區域可能會成為裂紋源，在數量較多時裂紋更容易在此萌生并擴展，從而導致焊縫金屬的強度與塑韌性下降[13]。由圖7可以看出：不明影像密集區域沖擊斷口中的富鎢夾雜物在沖擊載荷作用下發生解理，附近存在少量二次裂紋，周邊區域韌窩較為細小，由于富鎢顆粒與基體的性能差異明顯，使得斷口起伏較大；析出相團簇區域存在大量的二次裂紋，呈現明顯的脆性斷裂特征，部分析出相團簇在受到沖擊載荷時脫落，形成較大的凹陷。

表4 焊接接頭正常區域和不明影像密集區域的橫向拉伸試驗結果和低溫沖擊試驗結果

圖7 不明影像密集區域焊縫金屬的低溫沖擊斷口形貌

2.4 熱力學計算

采用多元熱動力學金屬材料相圖計算軟件JMatPro配合鎳基合金模塊數據庫，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行計算，結果如圖8所示。由圖8可知，在焊接熔池凝固過程中，隨著固相質量分數的增加，殘余液相中的溶質元素含量發生相對富集或貧化，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均小于1，說明二者具有向液相偏析的傾向[14]，與作者的計算結果基本相符。

圖8 熔池金屬凝固過程液相中的元素含量計算結果

2.5 分析與討論

基于上述試驗結果，推測焊縫探傷底片中的不明影像很有可能是由原子序數較大的鈮、鉬、鎢元素的偏聚造成的。鈮、鉬、鎢元素的原子序數較焊縫金屬中其他元素大，對X射線的衰減作用也較大[15]，當部分區域存在較多大尺寸的富鎢夾雜物和富鈮、鉬析出相團簇時，在焊縫厚度方向上對X射線的累積衰減比周圍區域大，當形成的黑度差達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，同時根據夾雜物位置和熱力學計算結果，可推斷該類富鎢夾雜物并非熔池凝固后期的偏析產物，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，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晶較緩慢，實際上并不利于大尺寸富鈮、鉬析出相團簇的形成[16]，同時大部分此類析出相團簇均處于焊道間，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行焊接后，按照NB/T 47013.2—2015對鎳基合金焊縫進行100% X射線無損探傷，探傷I級合格率由61.9%上升至95.2%，不明影像出現的概率顯著降低。對該焊縫進行多次顯微組織觀察和分析統計，發現夾雜物的尺寸和數量遠低于問題焊縫；富鎢夾雜物的尺寸在2～5 μm之間，平均密度約為2.0 cm-1，同時未發現富鈮、鉬大尺寸析出相團簇。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不明影像的重要原因。從ENiCrMo-6鎳基合金焊條的生產過程來看，由于鎳基合金的加工性能較差，且其較高的電阻率會導致焊接時藥皮發紅開裂，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行過渡。當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 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、鉬的析出相團簇造成。

(2)富鎢夾雜物和析出相團簇區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，該類組織導致焊接接頭的強度和低溫沖擊韌性降低，并對二者的穩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的概率顯著降低，該類不明影像的產生與ENiCrMo-6鎳基合金焊條生產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。