焊后热处理：解决焊接残余应力的有效方法及相关问题探讨

焊后热处理的作用：焊后热处理可以化解焊接残余应力，软化硬化区，改善组织，降低氢含量，从而降低焊接接头的延迟裂纹倾向。

问题案例：既然焊后热处理可以解决焊接残余应力，那么是不是所有金属材料焊接后都需要热处理呢？某石化公司高温高压渣油加氢装置TP347厚壁管道（ø427×50）焊接后经RT射线探伤未发现过多缺陷，但经稳定化热处理后发现大量裂纹。下面介绍两种定义：焊接热裂纹和再热裂纹。

定义 ①焊接热裂纹有两种类型。一种是凝固裂纹（或结晶裂纹）。结晶裂纹是焊接熔池中二次结晶晶界处产生的裂纹，一般发生在凝固线温度（T，）范围内。结晶裂纹只出现在焊缝中，特别是弧坑中，又称弧坑裂纹。另一种是液化裂纹。液化裂纹是在靠近熔合线的焊缝区域附近，由于母材晶界局部重熔，造成晶间液膜分离，并产生收缩应力而产生的裂纹。液化裂纹常出现在近焊缝区域。

晶界裂纹和液化裂纹都具有沿晶开裂的特征。热裂纹的微观特征是：晶粒内有明显的树枝状突起，晶间表面光滑，断口有明显的氧化。热裂纹一般较小，可能出现在焊缝表面，也可能出现在焊缝金属内部。

347/H比321/H更容易产生热裂纹的主要原因是铌是强的氮化物和碳化物形成元素，能明显改善钢的室温和高温性能。铌还是一种细化晶粒的元素，微量的铌（例如0.03%）就能明显细化钢的晶粒，提高钢的室温抗拉强度。但强度高不利于抵抗热裂纹，铌与铁、碳等元素易形成低熔点共晶组织，增大焊缝金属的热裂纹倾向。工程上，347/H不锈钢中Nb/C不应小于10，但铌含量不应超过1%。

定义②再热裂纹是指焊接后对焊接接头进行再加热而产生的开裂现象。再热裂纹常发生在接近再结晶温度的温度范围内。它与液膜无关，而是由于再结晶引起晶界韧性急剧下降所致。当焊接残余应力松弛时，应力引起的应变超过晶界金属的变形能力，从而产生开裂。

再热裂纹产生的条件有两种：

（1）存在焊接残余应力或受外载荷作用而引起的应力集中。任何焊接接头都存在焊接残余应力，即使经过焊后处理，焊接残余应力也不可能100%消除。对于奥氏体不锈钢来说，由于其热膨胀系数较大，其残余应力水平仍然较高，这也是奥氏体不锈钢容易产生再热裂纹的重要原因。

（2）敏感组织的存在。所谓敏感组织是指具有敏感化学成分的粗晶粒组织。在二次加热（包括焊后热处理）热循环过程中，由于再结晶的发生，一些敏感组织发生共晶、析出或偏析，导致晶界的弱化。

对于壁厚25mm以下的薄壁材料，焊接应力相对较小，且在热处理过程中应力消除得足够快，不易产生再热裂纹；但对于厚壁材料（40mm及以上），现场热处理时内外壁温差较大，热应力相对较大，极易产生再热裂纹；

还有一种情况也会产生再热裂纹，即它不是在焊后稳定化热处理过程中产生的，而是在538℃以上的高温环境下长期使用过程中产生的。

TP347不锈钢交货状态应为固溶处理+稳定化热处理，并进行晶间腐蚀试验。

相关数据显示，在427℃以下的操作环境中，TP347管道不需要进行热处理，其固有的抗晶间腐蚀性能完全可以满足使用要求；对于427℃以上的操作温度，则需要进行稳定化热处理，以提高焊缝的抗晶间腐蚀性能。

不锈钢321在低于427℃的工作温度下不易发生敏化，347在低于454℃的工作温度下不易发生敏化，因此通过焊后稳定化热处理来提高抗敏化能力意义不大。

各类标准规范中对奥氏体不锈钢焊后热处理尚无明确的指导性规定。GB 150.4-2011第8.2.4、8.2.5条规定奥氏体不锈钢焊后热处理应按设计文件规定执行，除设计文件另有规定外，焊接接头不得进行热处理。SH/T 3554-2013的资料性附录C指出，含稳定化元素的奥氏体不锈钢管道焊接接头焊后热处理通常为稳定化热处理。显然，焊后稳定化热处理并非强制要求。NB/T 10068-2018《含稳定化元素不锈钢管道焊后热处理规范》有以下观点：

加氢装置反应部分采用的不锈钢管道材质通常为347，要求材料经过固溶+稳定化热（+酸洗钝化）处理后供货。

一般设计要求为：除另有规定外，当347管道工作温度大于450℃时，需要进行焊后稳定化热处理；当347管道工作温度≤450℃时，不需要进行焊后稳定化热处理，但必须满足相关要求。

目前加氢装置反应部分347不锈钢管道的工作温度一般不超过450℃，因此347不锈钢在加氢装置中往往不进行焊后稳定化热处理。