P92焊接的主要問(wèn)題及對(duì)策

SA335－92鋼大口徑厚壁管道

焊接的主要問(wèn)題及對(duì)策研究

上海電力建設(shè)有限公司林志華吳明生2/4/20231摘要本文闡述了SA335－P92鋼大口徑厚壁管道焊接中存在的主要問(wèn)題，并從焊接和熱處理工藝方面提出解決問(wèn)題的對(duì)策措施。關(guān)鍵詞P92鋼焊接問(wèn)題對(duì)策

2/4/20232一．P92鋼的化學(xué)成份和主要性能2/4/202331．P92鋼的化學(xué)成份及特點(diǎn)

SA335－P92鋼是在P91鋼的基礎(chǔ)上添加W元素，適當(dāng)減少M(fèi)o元素的含量，開(kāi)發(fā)出來(lái)一種新型鋼種，適用蒸汽溫度在580～620℃的超超臨界機(jī)組厚壁部件材料。

其化學(xué)成份見(jiàn)表1。2/4/20234表1：SA335－P92鋼化學(xué)成份（%）

CMnPSSiCrWMoVNbNBAlNi0.07～0.130.30～0.60≤0.020≤0.010≤0.508.50～9.501.50～2.000.30～0.600.15～0.250.04～0.090.030～0.0700.001～0.006≤0.040≤0.40從表中可以看出P92鋼化學(xué)成份的特點(diǎn)是低的含碳量，低的P、S含量及具有微量的Nb、Al、N、B和較低的V含量。2/4/202352．P92鋼的主要性能（1）具有良好的物理性能P92鋼的線(xiàn)膨脹系數(shù)與P91鋼相同，比奧氏體鋼低，甚至還低于P22鋼的線(xiàn)膨脹系數(shù)，故P92鋼在機(jī)組啟動(dòng)和停止時(shí)，抗疲勞損傷的能力不僅會(huì)優(yōu)于奧氏體鋼，也會(huì)比P22鋼強(qiáng)，導(dǎo)熱率與P91鋼相同，比奧氏體鋼高。2/4/20236T91/P91、T92/P92、T22/P22和TP316鋼的線(xiàn)膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率見(jiàn)圖1、圖2所示2/4/20237圖1T91/P91、T92/P92、T22/P22圖2T91/P91、T92/P92、T22/P22

和TP316鋼的線(xiàn)膨脹系數(shù)比較和TP316鋼的熱導(dǎo)率比較2/4/20238（2）具有比P91鋼更高的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度P92鋼的常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度高于P91鋼。根據(jù)各國(guó)測(cè)試結(jié)果，按照ASME標(biāo)準(zhǔn)估算出來(lái)的550℃、600℃和625℃等不同溫度下10萬(wàn)小時(shí)P92鋼的蠕變斷裂強(qiáng)度分別為199Mpa、131Mpa和101Mpa；而P91鋼在相應(yīng)溫度下的蠕變斷裂強(qiáng)度分別為141Mpa、98Mpa和68Mpa。可以明顯地看到P92鋼的高溫蠕變強(qiáng)度比P91鋼高出很多。幾種鋼的高溫蠕變強(qiáng)度比較見(jiàn)圖3所示。2/4/20239圖3幾種鋼的高溫蠕變強(qiáng)度比較2/4/202310（3）具備優(yōu)異的常溫沖擊韌度從P92（NF616）鋼的沖擊韌度一溫度曲線(xiàn)圖所示，它和P91鋼的情況大致相同，遠(yuǎn)比EM12（9Cr2MoVNb）鋼的韌度好。P92鋼不僅具有比傳統(tǒng)鋼明顯優(yōu)越的高溫性能，而且還有優(yōu)異的常溫韌度。2/4/202311圖4T91、HCM12、X20等鋼的圖5P92鋼的沖擊值-試驗(yàn)溫度曲線(xiàn)常溫韌度比較2/4/202312（4）具備優(yōu)良的抗氧化性能

P92鋼的抗煙灰氧化和抗水蒸汽氧化性能與P91鋼大致相同。經(jīng)測(cè)試，P92鋼與P91鋼在600℃、700℃下3000小時(shí)的水蒸汽氧化皮厚度大致相同。（5）P92鋼的焊接裂紋敏感性比傳統(tǒng)的鐵素體耐熱鋼低。從斜Y拘束試驗(yàn)測(cè)試圖中，可以看出P92鋼只需預(yù)熱到100℃，P91鋼需要預(yù)熱到180℃裂紋率為零，而P22鋼需預(yù)熱到300℃才能達(dá)到。T91、T22、P92鋼裂紋率如圖6、圖7所示。2/4/202313圖6HCM2S、T91、T22鋼的斜Y圖7P92鋼斜Y型拘束裂紋

型拘束裂紋試驗(yàn)結(jié)果比較試驗(yàn)結(jié)果2/4/202314二．P92鋼焊接性的主要問(wèn)題及對(duì)策2/4/2023151．焊縫韌度（1）整個(gè)焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)在焊縫，表現(xiàn)為焊縫韌度比母材低很多，尤其是厚壁構(gòu)件，見(jiàn)圖8所示。圖8P91鋼焊接接頭韌度（厚壁大徑管）2/4/202316（2）影響焊接韌度的因素1)焊接線(xiàn)能量，預(yù)熱和層間溫度對(duì)焊縫韌度的影響。由于P92鋼的焊縫韌度性能與P91鋼基本相同，從P91模擬熱循環(huán)試樣韌度與t8/5的關(guān)系圖9中也可以了解P92鋼的韌度與t8/5的關(guān)系。圖9說(shuō)明試樣的韌度對(duì)線(xiàn)能量，對(duì)800～500℃區(qū)間的冷卻速度極其敏感。圖中焊縫韌度隨著t8/5的增加而降低，當(dāng)t8/5超過(guò)100s后，焊縫韌度降得更厲害，如圖中曲線(xiàn)1所示。當(dāng)工件形狀和尺寸確定以后，t8/5就由焊縫線(xiàn)能量，預(yù)熱溫度和層間溫度確定。過(guò)大的焊接線(xiàn)能量，過(guò)高的預(yù)熱溫度和過(guò)高的層間溫度都會(huì)增大t8/5，導(dǎo)致低劣的焊縫韌度。（*）2/4/202317圖9P91模擬熱循環(huán)試樣韌度與t8/5的關(guān)系

從對(duì)P92鋼大口徑厚壁管焊接接頭性能的試驗(yàn)研究中證實(shí)了上述的觀點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)在相同焊接位置，相同的焊接工藝條件下，焊道層的增厚（即焊接線(xiàn)能量的增大）對(duì)熔敷金屬的沖擊韌度的影響明顯。在其他焊接工藝條件相同的情況下，層間溫度的高低對(duì)熔敷金屬?zèng)_擊韌度也有影響。2/4/2023182)焊后熱處理溫度對(duì)焊縫韌度的影響。在臨界溫度AC1以下，提高焊后回火溫度或延長(zhǎng)回火時(shí)間都有利于使馬氏體得到盡可能充分的回火和提高焊縫韌度。圖10為焊后高溫回火時(shí)的回火溫度和回火保溫時(shí)間對(duì)焊條電孤焊焊縫金屬韌度和硬度的影響。圖中數(shù)據(jù)代表的是焊縫金屬分別為T(mén)hyssen9v和ThermanitMTS焊條焊接的熔敷金屬（*）2/4/202319圖10PWHT時(shí)間對(duì)焊縫韌性的影響(a)PWHT

條件對(duì)P91鋼熔敷金屬韌度的影響(b)PWHT

條件對(duì)P91鋼熔敷金屬硬度的影響2/4/202320P92鋼焊后熱處理溫度由于受焊縫金屬AC1的限制，現(xiàn)推薦的焊后熱處理溫度為760±10℃。熱處理溫度對(duì)P92鋼焊縫韌度影響很大。經(jīng)試驗(yàn)研究在推薦的焊后熱處理溫度范圍之內(nèi)熱處理時(shí)可確保焊縫的沖擊功＞41J的指標(biāo)；熱處理溫度在740℃時(shí)則必須延長(zhǎng)恒溫時(shí)間，焊縫的沖擊功才能達(dá)到41J以上；而熱處理溫度為730℃時(shí)，焊縫的沖擊功＜41J不能滿(mǎn)足P92鋼焊縫韌度指標(biāo)的要求。由此可見(jiàn)熱處理溫度對(duì)P92鋼焊縫的韌度影響特別敏感。2/4/202321現(xiàn)超超臨界機(jī)組的主蒸汽管P92鋼的壁厚已達(dá)100mm，隨著壁厚的增厚熱處理時(shí)造成的內(nèi)外壁溫差也隨之增大，由于P92鋼熱處理溫度范圍比較窄，焊接接頭的內(nèi)壁局部焊縫熱處理溫度很可能處在熱處理溫度下限之下。這部分焊縫的韌性則很難達(dá)到規(guī)定值，從而使整個(gè)焊接接頭的性能處于不均勻狀態(tài)，這給施工現(xiàn)場(chǎng)P92鋼大口徑厚壁管焊后熱處理帶來(lái)了一定的難度。加上目前的熱處理設(shè)備的測(cè)溫系統(tǒng)還存在不同程度的測(cè)量誤差及熱電偶采用綁扎的固定位置形式這些因素都將影響熱處理溫度的精確性，并直接影響焊接接頭的韌度。2/4/202322（3）提高焊縫韌度的對(duì)策1)嚴(yán)格按焊接工藝評(píng)定控制焊接施工中的焊接線(xiàn)能量、預(yù)熱溫度和層間溫度則有利于提高焊縫的韌度。a.焊接線(xiàn)能量焊接線(xiàn)能量的輸入大小對(duì)焊縫韌度的影響關(guān)系密切。線(xiàn)能量輸入過(guò)大t8/5也隨之增大則韌度下降。由于焊接線(xiàn)能量的大小在工程實(shí)際中執(zhí)行起來(lái)比較抽象焊工在實(shí)際操作過(guò)程中很難把握。工程中將焊接線(xiàn)能量的大小，具體反映在控制每層焊道層的增厚上。增厚層越高則線(xiàn)能量越大，反之則越小。（在電弧電壓不變的情況下，焊接線(xiàn)能量的大小，由焊接電流和焊速?zèng)Q定。在焊接電流又不變的情況下，焊接線(xiàn)能量大小則由焊速來(lái)決定。焊速快易獲得薄層焊道的增高則體現(xiàn)為焊接線(xiàn)能量小。）經(jīng)試驗(yàn)研究P92鋼焊接時(shí)控制每層焊道的焊縫增高厚度≤2.5mm時(shí)，熔敷金屬的沖擊功可達(dá)到41J以上。改變操作時(shí)的焊接運(yùn)條方法即采用快速寬擺焊則更容易獲得焊縫增厚≤2.5mm的薄層焊道，擺動(dòng)幅度控制在25mm左右，有利于焊縫成型同時(shí)可減少焊縫夾渣類(lèi)缺陷。2/4/202323b.層間溫度在對(duì)P92鋼層間溫度對(duì)焊縫韌度影響的試驗(yàn)中，層間溫度控制在150～200℃時(shí)的焊縫韌度比層間溫度在200～250℃時(shí)來(lái)的高，綜合工程實(shí)際情況層間溫度在200～250℃時(shí)，取下限200℃左右更有利于控制t8/5的增大，提高焊縫的韌度。目前工程對(duì)層間溫度的測(cè)溫存在著誤區(qū)?，F(xiàn)層間溫度的測(cè)溫是在坡口邊緣10mm處設(shè)一個(gè)熱電偶并以該處熱電偶的溫度來(lái)代表焊縫層間溫度，這是很不科學(xué)的。按AWSD1.5M/D1.5:2000對(duì)層間溫度（道間溫度）的解釋?zhuān)憾嗟篮钢性谙乱坏篱_(kāi)始前焊道的溫度為焊縫的層間溫度。層間溫度測(cè)量方法的不正確會(huì)直接影響層間溫度的控制，過(guò)高的層間溫度會(huì)增大t8/5不利焊縫的韌度，焊接施工時(shí)層間溫度的測(cè)量可采用遠(yuǎn)紅外激光測(cè)量?jī)x或測(cè)溫筆對(duì)下一道開(kāi)始前焊縫的溫度進(jìn)行測(cè)量。2/4/202324c.預(yù)熱溫度P92鋼的焊接裂紋敏感性比傳統(tǒng)的鐵素體耐熱鋼來(lái)的低，圖7中表示P92鋼斜Y型拘束裂紋試驗(yàn)結(jié)果的預(yù)熱溫度為100℃。但考慮施工中的環(huán)境溫度和拘束情況工程中的預(yù)熱溫度在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上再加50℃，所以P92鋼的預(yù)熱溫度以150℃為宜，可保證焊接時(shí)焊縫不出現(xiàn)冷裂紋。過(guò)高的預(yù)熱溫度會(huì)影響t8/5的增大，導(dǎo)致焊縫韌度的下降。焊接施工中對(duì)預(yù)熱溫度的測(cè)溫方法與層間溫度相同，同樣存在著誤導(dǎo)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)φ546×100mm的P92鋼焊前預(yù)熱溫度的測(cè)量，坡口邊緣10mm處的熱電偶連接的表記溫度達(dá)150℃時(shí)，坡口根部處的實(shí)際溫度只有50℃，在這種情況下進(jìn)行TIG打底焊，很容易產(chǎn)生根部裂紋，焊接施工時(shí)必須引起高度的重視。目前工程中大口徑厚壁管的焊前預(yù)熱均采用電阻加熱，這種加熱法造成的管內(nèi)外壁溫差大，而且預(yù)熱升溫速度也慢，如改用電感應(yīng)加熱可縮小內(nèi)外壁溫差容易提升坡口根部處的溫度，預(yù)熱升溫速度也快，再配以正確的測(cè)溫法，預(yù)熱溫度完全可控，打底焊縫的裂紋問(wèn)題不僅可徹底解決，還有利于提高焊縫的韌度。2/4/2023252)改電阻加熱法為電感應(yīng)加熱法熱處理以提高焊縫韌度熱處理溫度對(duì)P92鋼的焊縫韌度的影響是敏感的，由于P92鋼的熱處理最佳溫度760±10℃溫度范圍相對(duì)比較窄，現(xiàn)電站施工中焊后熱處理普遍采用的是電阻加熱設(shè)備，這種加熱設(shè)備在對(duì)P22鋼大口徑厚壁管φ558×90mm熱處理時(shí)測(cè)得的管內(nèi)外壁溫差最小為33℃最大為54℃，此時(shí)管內(nèi)壁溫度處在730℃左右，而焊縫熱處理溫度在730℃時(shí)的沖擊功＜41J。采用先進(jìn)的Proheat35型電感應(yīng)加熱設(shè)備在同等條件下做熱處理測(cè)得的內(nèi)外壁溫差最小值為14℃最大為16℃，遠(yuǎn)比電阻加熱法來(lái)得小，此時(shí)的管內(nèi)壁溫度接近760℃±10℃mm范圍之內(nèi)，熱處理時(shí)加上合理的恒溫時(shí)間，可確保整個(gè)焊接接頭的焊縫韌度在規(guī)定的指標(biāo)以上。為確保熱處溫時(shí)溫度的精確性，施工前必須對(duì)熱電偶，補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)及儀表進(jìn)行校驗(yàn)，以減小測(cè)溫誤差。熱電偶的固定采用儲(chǔ)能壓焊的方法，使熱電偶的熱端與焊接牢固地接觸。這種固定法較綁扎法好，測(cè)溫準(zhǔn)確可靠。這些措施對(duì)提高焊縫的韌度都是十分有利的。2/4/2023262．時(shí)效傾向（1）P92鋼具有時(shí)效傾向P92鋼時(shí)效傾向如圖11所示圖11P92鋼時(shí)效傾向2/4/202327從圖中可以看到，P92鋼經(jīng)3000小時(shí)時(shí)效后，其韌度下降了許多。P92鋼的沖擊功從時(shí)效前的220J左右降到了70J左右，在3000小時(shí)時(shí)效以后，沖擊功繼續(xù)下降的傾向不明顯，沖擊功將穩(wěn)定在時(shí)效3000小時(shí)的水平。時(shí)效傾向發(fā)生在550～650℃的范圍內(nèi)，這個(gè)溫度范圍正是該鋼材的工作溫度范圍。母材具有明顯的時(shí)效傾向，與母材成分相近的焊縫也會(huì)有同樣的傾向。研究發(fā)現(xiàn)，這些鋼在時(shí)效過(guò)程中會(huì)析出兩種新相，一種是由Cr、W、Mo等合金元素與Fe、Si形成的金屬間化合物，稱(chēng)為L(zhǎng)aves相；另一種是數(shù)量很少，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)尚不清楚的Z相。Laves相是顆粒大的脆性析出物，它導(dǎo)致了材料的韌度惡化。（*）2/4/202328（2）解決焊縫金屬時(shí)效后韌度不足的途徑1)提高焊縫金屬時(shí)效前的原始韌度，為時(shí)效留出足夠的余量。提高焊縫金屬時(shí)效前的原始韌度在前面已就焊接線(xiàn)能量，預(yù)熱溫度層間溫度和焊接熱處理溫度對(duì)焊縫韌度的影響及提高焊縫韌度的對(duì)策，都是為提高焊縫金屬時(shí)效前的原始韌度為時(shí)效留出足夠的余量而進(jìn)行的，這里不再作敘述。但有一點(diǎn)必須注意，不要片面地追求過(guò)高的沖擊功，而忽略了焊縫金屬的高溫性能。二者必須綜合考慮。2)盡量設(shè)法降低時(shí)效前后韌度的降低幅度。從焊縫金屬成份的選擇著手，在設(shè)計(jì)焊縫成分時(shí)，限制Si含量，控制焊縫金屬的Si含量可能是有助于確保焊縫金屬時(shí)效后韌度的有利措施。2/4/2023293．焊接裂紋敏感性經(jīng)一系列的試驗(yàn)和測(cè)試證明P92鋼的焊接裂縫的敏感程度較傳統(tǒng)鐵素體耐熱鋼低。但并不等于P92焊接時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生焊接裂紋，特別是大厚構(gòu)件的焊接，如果沒(méi)有正確把握好防止焊接裂紋產(chǎn)生的各項(xiàng)條件。焊接裂紋產(chǎn)生的機(jī)率還是有的，面前提到的大厚件工件焊接預(yù)熱時(shí)溫度的測(cè)量，這種測(cè)量預(yù)熱溫度方法的不正確性導(dǎo)致工件焊接處的溫度遠(yuǎn)低于規(guī)定的預(yù)熱溫度，在這種狀態(tài)下焊接完全可能產(chǎn)生焊接裂紋。所以正確理解和把握好防止焊接裂紋的各項(xiàng)條件，從細(xì)節(jié)處著手就顯得很重要。2/4/2023304．焊縫中的δ相P92鋼中由于含有眾多的鐵素體形成元素，大大擴(kuò)大了高溫一次結(jié)晶的鐵素體----δ鐵素體的區(qū)域，很容易出現(xiàn)δ相。它會(huì)明顯降低材料的蠕變斷裂強(qiáng)度和沖擊韌度，是一種不希望出現(xiàn)的組織，如圖12所示。（*）