铁素体含量的测定在定期检验中的应用

2014-03-28邵冬冬尹建斌过世钧金学峰宁波市特种设备检验研究院

中国特种设备安全 2014年3期

邵冬冬尹建斌过世钧金学峰宁波市特种设备检验研究院

奥氏体不锈钢中通常含有一定数量的铁素体，其作用具有双重性，但在压力容器定期检验规则和其他许多检验细则中对于铁素体含量测定的具体方法都没有明确的规定，因此在压力容器定期检验中掌握铁素体含量的现场测定和具体应用具有十分重要的意义。

1 奥氏体不锈钢主要成分分析

奥氏体不锈钢具有较好的耐蚀性、耐热性、耐低温性及良好的易成形性和优异的可焊接性，在石油化工行业中有着十分广泛的应用。奥氏体不锈钢主要由奥氏体相和铁素体相组成。奥氏体相是碳溶于α-Fe中所形成的面心立方晶体间隙固溶体，其塑性好，强度低，具有一定的韧性。铁素体相是溶于α-Fe的体心立方晶格间隙固溶体，相对于奥氏体相，铁素体相强度较高，塑韧性较低。

铁素体相的形态及数量显著影响奥氏体不锈钢力学性能、热加工性能、焊接性能等。其中有利的影响有：铁素体相的增加能提高奥氏体不锈钢的强度；减小奥氏体不锈钢焊接产生热裂纹的倾向；强化铸造奥氏体不锈钢等。其不利的影响有：铁素体相的增加会降低奥氏体不锈钢的延塑性；增大奥氏体不锈钢锻件热加工裂纹产生倾向；使其耐点蚀性能下降；铁素体相在高温下长时间加热会转变成为σ相使钢变脆等。由于上述不利影响的存在，所以针对某些工况下使用的化工设备，需要对奥氏体不锈钢材料及其焊缝金属进行铁素体含量的测定，以确保设备在使用过程中的安全运行。

2 定期检验中的铁素体含量测定

目前我国国内对于奥氏体不锈钢及其焊接材料和焊缝金属中铁素体的合适含量还没有一个统一的标准，对于奥氏体不锈钢中铁素体含量的规定主要涉及核电站、核反应堆、国防军工专用设备及重要化工装置用奥氏体钢铸件、焊接母材和焊材等。笔者通过总结前人的研究以及结合定期检验过程中遇到的情况，总结了以下几种情况需要着重考虑铁素体含量测定。

2.1 防止腐蚀的需要

选择性腐蚀的条件下使用的奥氏体不锈钢需侧贴素体含量，如尿素级不锈钢。

尿素装置具有高温、高压、易燃、易爆和易腐蚀等特点，属于特别危险生产区域。尿素生产中的介质有液氨、氨水、CO2、尿素溶液和尿素甲胺溶液等，在高温高压条件下易对材料产生多种腐蚀。

尿素级不锈钢是单相的奥氏体组织，由于成分配比和生产工艺控制过程的不同往往可能存在少量的铁素体。由于铁素体在尿素介质中容易产生相的选择性腐蚀，尿素级不锈钢（包括焊接熔敷金属）要求其铁素体含量不超过0.6%。因此，在对此类设备进行定期检验过程中，可以进行相应的铁素体含量测定，以确保设备的安全运行。

2.2 高温条件下使用的需要

1）高温蠕变。当奥氏体不锈钢焊缝金属中的铁素体含量达到约10FN时，会形成连续的铁素体网络，裂纹会在铁素体-奥氏体界面上较早的起裂，从而促使在高温条件下使用的奥氏体不锈钢发生快速的蠕变破坏。因此，对于高温条件下使用的奥氏体不锈钢，应控制其焊缝金属中的铁素体含量不大于5FN，以减少蠕变破坏的发生。

2）475℃脆化。Cr含量在15%～70%的Fe-Cr合金，在加热到425℃～550℃温度区间会出现475℃脆化现象，钢的强度、硬度增加，塑性、韧性明显下降。研究表明，铁素体不锈钢475℃脆化倾向，随着钢中铁素体形成元素（Cr、Mo、Ti、Nb、Al、Si等）含量的增加而加强，随着钢中奥氏体形成元素（Ni、Mn、Cu等）含量的增加而加强超过一定含量后降低。而奥氏体不锈钢焊缝金属的铁素体相，实质上是把铁素体镶嵌在奥氏体母体中，因此在425～550℃温度区间长时间停留（约5000h），铁素体相会脆化，从而导致焊缝金属的硬度增加，塑性和韧性减小。

大于550℃的短时加热，可以消除这种脆化现象，但长时间加热又会引起σ相脆化。

3）σ相脆化。σ相是铬铁合金化合物，名义成分为FeCr，是Cr含量为20%～70%的铁铬合金中，由于加热到500～800℃温度区间停留而形成的，σ相硬而脆，当其体积含量高时会降低韧度和延性。在全奥氏体的微观组织中σ相析出较慢，且长时间停留（一般要几百到几千小时）。高Cr含量会加速σ相的形成，Mo，Nb，Si，Ti等铁素体化元素会促进σ相形成。在奥氏体-铁素体焊缝金属中，铁素体中Cr含量高于奥氏体，σ相能够快速形成，甚至在焊后热处理的几个小时内就可以形成。

σ相一般在铁素体—奥氏体界面上形成，必须在组织中呈连续的或近似连续的分布，才会引起韧性和延性的降低。在σ相中铬含量高于铁素体的铬含量，铁素体向σ相转变时体积上是不等量的，焊缝金属中铁素体含量在8FN以下时，只能转化为4%以下的σ相，这个体积分数不足以使焊缝脆化，尽管韧性会有一些下降。因此，当焊缝金属中铁素体含量维持在8FN以下时可以避免σ相脆化的发生。

σ相在高温时有足够的韧性，室温韧性低，因此高温工作的设备，停车时要对这种脆化破坏足够重视。

2.3 深冷条件下使用的需要

奥氏体不锈钢在低温下表现出良好的强度，延性和韧度。而铁素体在低温下会发生脆性转变，因此对于在低温环境中的奥氏体不锈钢，要控制其焊缝中的铁素体含量，减少其对焊缝金属低温韧性的影响。

奥氏体不锈钢焊缝中含有少量的铁素体就会使低温韧度降低，当焊缝中铁素体含量达到10FN时，低温韧度会下降50%。国内外压力容器标准都规定，设计温度低于-100℃时焊缝应进行冲击试验。

2.4 确认奥氏体不锈钢成分的需要

在实际检验过程中，经常遇到某些对其化学成分产生怀疑的奥氏体不锈钢设备，就可以通过现场铁素体含量的测定，来初步验证其材质的化学成分是否符合相关标准。

在当前定期检验中，通常针对不锈钢设备的母材进行铁素体含量的测定，但实际上铁素体含量的对于焊缝的影响比母材更大，因此针对焊缝中的铁素体含量测定比针对母材测定更加具有实际意义。

3 铁素体含量的现场检测

铁素体含量的测定方法通常来讲有3种，分别为磁性仪测量法、金相检验法和计算法。现场检验中最常用的是磁性仪测量法，其工作原理为：测试仪内部线圈产生的磁场区域与工件内的磁性部件相互作用，磁场区域的变化使得第二个线圈内产生感生电压，该电压与铁素体含量成比例关系，然后评估该电压就可以得到工件内部的铁素体含量。所有的磁性部件，也就是说，除了δ铁素体，还包括其转化形式马氏体都能被识别。

铁素体含量通常采用两种表示方法，百分比含量(%)和铁素体序数(FN)。铁素体序数(FN)是由美国焊接研究学会(WRC)采用的技术术语，用来表示奥氏体不锈钢焊缝中铁素体含量独立的标准化的数值。百分比含量(%)与铁素体序数(FN)的换算通过实验总结得出接近于线性关系，如图1所示。因此，铁素体序数(FN)可以认为与“铁素体百分比含量”相同。