Inconel 600簡介：

600合金是鎳－鉻－鐵基固溶強化合金，具有良好的耐高溫腐蝕和抗氧化性能、優(yōu)良的冷熱加工和焊接工藝性能，在700℃以下具有滿意的熱強性和高的塑性。合金可以通過冷加工得到強化，也可以用電阻焊、熔焊或釬焊連接。

引言

nconel600屬于鎳鉻鐵合金，由于合金中含Ni較高，因而耐許多有機和無機酸、堿等腐蝕，而且耐氯化物條件引起的應(yīng)力腐蝕；由于合金中含Cr量高，因而對氧化性酸、高溫氧化條件也有良好的耐蝕和抗氧化性能。hconel600廣泛引用于化工、石化、原子能工業(yè)中，用于制造各種反應(yīng)器。但是，焊接時有熱裂紋傾向，易產(chǎn)生氣孔、夾雜等缺陷，降低焊縫強度；同時在550～850 ℃,經(jīng)焊中溫敏化處理(如焊接后),鉻的碳化物如CrC?(高于760 ℃)和Cs?C?(低于760 ℃)沿晶界析出產(chǎn)生貧鉻區(qū)，致使在使用過程中，產(chǎn)生晶間腐蝕，進而導(dǎo)致事故的發(fā)生。

1設(shè)備基本參數(shù)

該反應(yīng)器類別為Ⅲ,材質(zhì)為hconel600,材料標準為ASME-SB168、ASW A5.11,工作介質(zhì)為Cl、HCl甲烷氯化物，規(guī)格為中1400mm ×16 mm ×11850mm,設(shè)計壓力為1.3MPa,設(shè)計溫度為500 ℃,工作壓力為0.74MPa,工作溫度為425 ℃,焊接型號為ENCrFe-2,焊接接頭系數(shù)為0.95。

2開裂分析和化學(xué)成分及力學(xué)性能分析

2?1開裂分析

2?1.1宏觀分析

反應(yīng)器的裂紋在反應(yīng)器的縱向焊縫上，裂紋在焊縫中線上，且平行于焊縫，如圖1所示，且裂紋在焊縫與加熱銅瓦固定架的交匯處。

斷口的宏觀形貌如圖2所示，斷口表面被反應(yīng)生成物覆蓋，經(jīng)過清理，部分斷口顯露出來，斷口呈粗大的柱狀晶。

將焊縫橫向切開，可以看到橫截面上有較典型的沿晶應(yīng)力腐蝕裂紋，如圖3所示，在主裂紋兩側(cè)還有較多小裂紋由焊縫表面向內(nèi)部擴展。

2?1.?2斷口微觀分析

將所取試樣斷口在電子探針下觀察，斷口上大部分為垂直于焊縫表面的粗大的柱狀樹枝晶，部分枝晶間有明顯的空隙，枝晶表面布滿了點腐蝕的蝕坑，其形貌如圖4所示，證明該處發(fā)生了沿晶腐蝕。

心部發(fā)現(xiàn)較圓滑的小坑，其內(nèi)表面上的二次枝晶表面圓滑，證明有氣孔和夾渣，如圖5所示。夾渣成分如表1所示，這是由于焊接時產(chǎn)生的氣體和夾渣未及時溢出所致。

心部部分粗大枝晶的表面為自由面，光潔圓滑，證明柱狀樹枝晶間部分有縮孔和疏松，如圖6所示，這是由于焊接時冷速過快，當(dāng)柱狀晶形成長大后液相未能補給造成的。

2?1.3金相分析

2?1.3.1開裂焊縫處金相分析

裂紋處焊縫的金相組織為粗大的柱狀樹枝晶，在奧氏體基體中分布著大小不等的點狀高合金富集區(qū)(成分如表1所示),焊縫中有大小不同的沿柱狀晶界面的裂紋，如圖7所示。由于熔池體積小，冷速快，熔池中心與邊緣有較大的溫度梯度，且熔池中液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)，使焊縫中柱狀晶得到很大發(fā)展。

在凝固過程中，液固兩相的合金成分是變化的，一般先結(jié)晶的固相含溶質(zhì)的濃度低，后結(jié)晶的固相含溶質(zhì)的濃度較高，并富集了較多的雜質(zhì)。因此，枝晶內(nèi)溶質(zhì)濃度較低，枝晶間的合金元素和雜質(zhì)元素含量較高，形成偏析，如圖8所示。

合金元素在晶界上含量較高，元素的面分布分析結(jié)果充分證明了這一點，圖9為合金元素的面分布分析結(jié)果。

由于冷速太快，焊縫中產(chǎn)生的氣體和夾雜來不及逸出，而產(chǎn)生氣孔和夾雜，并且焊縫中枝晶間由于凝固收縮時殘余的金屬液體不足而不能及時填充，形成縮松，因此，多數(shù)氣孔、夾雜和縮松都集中在枝晶間，如圖10所示。

焊縫上裂紋沿柱狀晶晶界分布，熱影響區(qū)裂紋沿晶界呈網(wǎng)狀分布。晶界是雜質(zhì)和合金元素偏析的地方，甚至形成連續(xù)的薄膜而導(dǎo)致脆化，晶界上合金碳化物富集成網(wǎng)，使材料的性能大大下降，材料易由此開裂，形成沿晶裂紋，如圖11所示。

反應(yīng)器內(nèi)壁表層腐蝕呈多孔結(jié)構(gòu)，如圖12所示。截面有約1mm的均勻腐蝕層，非焊縫處腐蝕層形貌如圖13所示，表層腐蝕均勻，腐蝕層內(nèi)有許多腐蝕孔，孔的形狀與合金化合物形狀相似，說明小孔是鋼中合金化合物被腐蝕形成的，腐蝕后，表層中合金元素被腐蝕掉，幾乎只剩下鎳元素，腐蝕層的成分如表2所示。腐蝕層擴展前沿，均勻發(fā)展，無晶間擴展現(xiàn)象。

焊縫處腐蝕層形貌如圖14所示，表層腐蝕均勻，腐蝕層內(nèi)也有許多合金元素被腐蝕掉后形成的小孔，腐蝕后表層中也幾乎只剩下鎳元素。均勻腐蝕層下，腐蝕有沿晶間擴展現(xiàn)象，由于鉻的碳化物沿奧氏體晶界析出,造成晶界附近鉻的貧化而引起的，而且晶界富合金碳化物及夾雜加速晶間腐蝕。同時，由于有焊接應(yīng)力存在，該腐蝕是沿晶應(yīng)力腐蝕，焊縫表面的腐蝕沿柱狀晶晶界擴展，熱影響區(qū)沿等軸晶晶界擴展。這種腐蝕危險性很大，它通常不引起金屬外形的變化，但機械性能急劇降低，以至引起突然破壞。

2?1.3.2未開裂焊縫處金相分析

未開裂焊縫處采用FeCl腐蝕后，發(fā)現(xiàn)此焊縫共有5層，如圖15所示。焊縫的金相組織為柱狀樹枝晶，比裂紋處焊縫的柱狀樹枝晶小，在奧氏體基體中分布著大小不等的點狀高合金富集區(qū)。

反應(yīng)器內(nèi)壁表層也有約1mm厚的均勻腐蝕層，表層腐蝕均勻，腐蝕層內(nèi)有許多腐蝕孔，均勻腐蝕層下，腐蝕有沿晶間擴展現(xiàn)象，如圖16所示，也是沿晶應(yīng)力腐蝕。

21.3.3母材的金相分析

母材的組織為奧氏體加枝晶加細小的粒狀碳化物，如圖17所示。

2?2化學(xué)成分分析

采用CAAP60000等離子體原子光譜分析儀對母材及焊縫的化學(xué)成分進行分析，檢測結(jié)果見表3。

由表3可見，母材與焊縫的化學(xué)成分符合相應(yīng)材料標準的要求。

2?3力學(xué)性能分析

對未開裂焊縫進行了宏觀檢驗，發(fā)現(xiàn)此氯化反應(yīng)器的焊道

數(shù)為5,進行拉伸和彎曲試驗l?-],斷口均為脆性斷口，且晶粒粗大，試驗檢測結(jié)果見表4、表5。

由表4、表5可知，即使加工硬化后的焊縫的抗拉強度也比母材的最小抗拉強度值低14.55%和10.55%。通過開裂分析和拉伸斷口及彎曲斷口分析可知：焊縫組織晶粒粗大，且存在氣孔、夾雜等焊接缺陷，由此可推斷原始焊縫強度較母材偏低。

由表4、表5可知，即使加工硬化后的焊縫的抗拉強度也比母材的最小抗拉強度值低14.55%和10.55%。通過開裂分析和拉伸斷口及彎曲斷口分析可知：焊縫組織晶粒粗大，且存在氣孔、夾雜等焊接缺陷，由此可推斷原始焊縫強度較母材偏低。

3結(jié)論

通過以上的分析，得出焊縫開裂的原因：

(1)?該氯化反應(yīng)器焊接過程熱輸入過大，冷卻速度過快導(dǎo)致焊縫柱狀晶粗大，氣孔、夾渣和縮松，使焊縫強度降低；

(2)?焊接過程中，沒能有效地避開敏化區(qū)間或者在敏化區(qū)間停留時間過長，出現(xiàn)焊縫成分不均勻，組織不均勻，鉻的碳化物沿晶界析出，使晶界處貧鉻，產(chǎn)生氯離子晶間腐蝕；

(3)?反應(yīng)介質(zhì)脫水不徹底，高溫下產(chǎn)生氫離子腐蝕，形成約1mm的均勻腐蝕層，降低了焊縫的強度；

(4)焊接過程中產(chǎn)生的夾雜物加速了晶間腐蝕，使焊縫強度急劇降低，導(dǎo)致焊縫在設(shè)備運行時開裂。