新型鐵素體耐熱鋼焊接工藝要領(lǐng)

1、關(guān)于“新型鐵素體耐熱鋼焊接工藝要領(lǐng)”的發(fā)言稿上海電力建設(shè)有限責(zé)任公司 吳宣武1、 前言1.1 為了發(fā)展高參數(shù)火力發(fā)電機(jī)組，自上世紀(jì)70年代后期以來，美國、日本、歐洲等先后開發(fā)了一系列新型鐵素體和奧氏體耐熱鋼，并成功地用于超臨界、超超臨界火力發(fā)電機(jī)組。它們是： 奧氏體耐熱鋼： ASME-SA213 TP347HFG ASME code case 2328 SUPER304H ASME code case 2115-1 HR3C 鐵素體耐熱鋼： ASME-SA213 T91 ASME-SA335 P91 ASME-SA213 T92 ASME-A335 P92 ASME code case2180

2、 T122 ASME code case2180 P122 ASME code case2199 T23 ASME code case2199 P23 ASME A213草案 T24 本文僅對上述新型鐵素體耐熱鋼的焊接要領(lǐng)進(jìn)行論述。1.2 T/P91鋼是美國在T/P9鋼的基礎(chǔ)上于80年代初開發(fā)成功的。P91鋼的問世是冶金技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物可焊細(xì)晶強(qiáng)韌化馬氏體耐熱鋼。（1） 超純凈冶煉技術(shù)，如鐵水予處理，堿氧爐煉鋼、鋼包精煉、真空精煉等。目前已能夠達(dá)到的純凈化水平如下：P20PPM， S5PPM，N20PPM，010PPM，H1.0PPM,模鑄連鑄（2） 控制軋制及微合金化，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的鋼的強(qiáng)

3、化方法及其對韌性的影響降低熱軋溫度，增加形變速度，限制形變奧氏再結(jié)晶后的晶粒長大，Nb、V等微量合金元素對細(xì)化晶粒的作用。1.3 T/P92鋼是日本順著美國開發(fā)出T/P91鋼的思路，于上世紀(jì)80年代后期開發(fā)出來的高溫強(qiáng)度更高的9%Cr馬氏體耐熱鋼（日本鋼號NF616）。T/P92鋼與T/P91鋼在成份上的主要差別是增加了約1.7%的W，并將T/P91鋼約1%的Mo含量降為約0.5%。在焊接方面，除各有相應(yīng)的焊接材料，并由于W是鐵素體形成元素，焊縫沖擊韌性有所降低外，其余對予熱、層間溫度、焊接線能量，待馬氏體轉(zhuǎn)變完成隨即進(jìn)行焊后熱處理以及熱處理溫度、恒溫時(shí)間的要求都是完全相近的。1.4 T/P1

4、22鋼是日本在德國X20CrMoV121鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)成功的12%Cr馬氏體耐熱鋼（日本鋼號HCM12A），其高溫強(qiáng)度比X20CrMoV121提高，焊接冷裂縫傾向顯著降低。與X20CrMoV121相比，其化學(xué)成分特點(diǎn)是：含C量從0.20%降至0.10%左右，同時(shí)加入約2%W,約1%Cu和少量的Nb。該鋼Cr高C低，并且含2%W ，在T122小管中，由于Cr含量偏上限，可能含有少量鐵素體。T/P122鋼焊接工藝要求與T/P91鋼相仿，但應(yīng)特別關(guān)注如何確保焊縫沖擊韌性符合要求。15 T/P23鋼是日本在T/P22鋼的基礎(chǔ)上，吸收了102鋼的優(yōu)點(diǎn)開發(fā)成功的（日本鋼號HCM2S）。該鋼高溫強(qiáng)度高于T/

5、P22，焊接性能優(yōu)于102鋼。 2 . 焊接T/P91、T/P92、T/P122鋼的難點(diǎn)及解決途徑2.1 焊接冷裂紋 由于它們的C、S、P等元素含量低、純凈度高，其焊態(tài)低C馬氏體仍具有一定的塑性，焊接冷裂紋傾向大為降低，如圖1、2、3所示，Y一型坡口拘束試驗(yàn)的結(jié)果表明，T/P91、T/P92、T/P122鋼防止冷裂紋所需的最低予熱溫度均低于P22鋼。但是，它們終久還是有一定的焊接冷裂紋傾向的，焊接時(shí)必須相應(yīng)地采取一些必預(yù)防措施，如需要一定的予熱及層間溫度等，根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)研究單位的試驗(yàn)結(jié)果及制造安裝單位的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，預(yù)熱及層間溫度宜控制在200300 范圍內(nèi)，鎢極氬弧打底時(shí)可適當(dāng)降低至15020

6、0。圖1 P23 、 P91、P22鋼焊接接頭斜Y型坡口試驗(yàn)裂紋率與預(yù)熱溫度間的關(guān)系圖2 P92(NF616)鋼焊接接頭斜Y型坡口試驗(yàn)裂紋率與預(yù)熱溫度間的關(guān)系 圖3 P122(HCM12A)、P91鋼焊接接頭斜Y型坡口試驗(yàn)裂縫率與預(yù)熱溫度間的關(guān)系22 焊縫韌性與母材不同，焊縫金屬在其熔敷成型及冷卻過程中，不可能取得控制軋制和形變熱處理的機(jī)會(huì)，其中的Nb和V元素也不具備形成碳（氮）化合物以極細(xì)微顆粒彌散析出以促使焊縫晶粒細(xì)化的條件，大部分仍固溶在焊縫金屬中，通過固溶強(qiáng)化反而降低焊縫韌性。因此，對于T/P91、T/P92、T/P122鋼，焊縫金屬的沖擊韌性總是低于母材的。從韌性角度看，焊縫是整個(gè)焊

7、接接頭的薄弱部位。2.2.1焊接方法的影響常用的幾種焊接方法，GMAW焊縫，由于比較純凈，含氧量低，沖擊韌性較高，SAW及SMAW焊縫則較低，遠(yuǎn)低于母材的韌性。表1是河南火電公司用窄間隙脈沖熱絲TIG焊接323 .932 P91鋼管所獲得的接頭性能，表2是德國Thyssen公司提供的采用Thermanit MTS616電焊條焊接P92鋼管，焊縫金屬及焊接接頭機(jī)械性能的試驗(yàn)結(jié)果。表1 TIC熱絲全位置焊接P91厚壁管接頭韌性缺口位置沖擊功 J平均值 J焊 縫74 91 12597熔合區(qū)190 210 213204熱影響區(qū)192 211 227210表2 Results of SMAW All W

8、eld Metal as well as of a Welding Procedure on a P 92 Pipe WeldSMAW:Thermanit MTS616：E1-4.0mm;Amperage:120-140A:Preheating Temperature:250Interpass temperature:270Chemical composition of all Weld metalCS1MnpsCrMoNivwNNb0.110.270.650.0180.0088.950.530.70.191.720.0450.044Mechanical propertiesa)all wel

9、d metalPWHT/HTest temp.YSMpaTSMPaElongation%CVN(ISO-V)J760/2760/2+2060067543580058517.61250/55/58b)pipe weld P92:pipe-0:300mm;wall thickness:40mmPWHT/hTest temp.YSMpaTSMPaLocation offractureCVN(ISO-V)JHardnessHV10760/2760/2+20600489300665349BMBM60/58/65236-262222焊縫的韌性除上述與焊接方法有關(guān)外，還與焊接材料有關(guān)。鑒于焊縫金屬溶敷成型條

10、件與鋼材治煉軋制完全不同，焊接材料熔焊金屬的成份與母材是不盡相同的。為了提高焊縫的韌性，各國焊材制造廠做了大量的工作，除盡量控制P、S、N、O、H雜質(zhì)及氣體含量外，與母材相比普遍作了如下調(diào)整:(1) Nb的含量取0.040.08%左右，低于母材0.060.1%的水平。這樣調(diào)整既不降低焊縫的抗蠕變性能，也可限制由于其固溶強(qiáng)化造成對焊縫韌性的降低。(2) 適當(dāng)加NI，一般控制在0.11.0%之間，Ni能降低材料的AC1溫度，從而提高材料的回火反應(yīng)程度。NI還能降低鐵素體形成的敏感性，而鐵素體的存在對焊縫韌性是不利的。但Ni含量不應(yīng)過高（如1%），否則焊縫的A C1下降得太多，可能低于焊后熱處理的溫

11、度，這將導(dǎo)致熱處理冷卻后產(chǎn)生新的未回火馬氏體。(3)錳適當(dāng)?shù)乇饶覆母咭恍?，以促進(jìn)焊縫脫氧，但Mn+Ni1.5%，以免焊縫經(jīng)熱處理后重新形成馬氏體。(4)適當(dāng)降低硅含量，如使其低于0.30%，以防止鐵素體形成。從以上分析可知，選用一種既保證常溫和高溫強(qiáng)度，塑性和韌性又好，并且含氫量低，操作性能好的焊接材料是十分重要的。223予熱及層間溫度、焊接線能量的影響 西固熱電廠擴(kuò)建工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)：P91蒸汽管道采用高的予熱及層間溫度，大線能量（250350，60KJ/cm）時(shí)的焊縫沖擊韌性僅為3.919.5J/cm2,金相組織晶粒粗大，存在魏氏體及網(wǎng)狀晶界。從下圖4所示P91鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線看，很明顯這

12、是由于焊縫冷卻速度太慢，其冷卻曲線已達(dá)高溫轉(zhuǎn)變區(qū)，致使形成鐵素體的緣故。后來他們降低予熱及層間溫度，減小線能量（220250，25KJ/cm），焊縫沖擊韌性就達(dá)到了“焊規(guī)”的要求。圖4是P92(NF616)鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。焊接T/P91、T/P92、T/P122鋼均要求在保證不產(chǎn)生焊接冷裂縫的基礎(chǔ)上，避免采用過高的預(yù)熱溫度，嚴(yán)格控制層間溫度及焊接線能量，以免焊縫冷卻太慢，產(chǎn)生鐵素體，嚴(yán)重降低焊縫韌性。控制焊接線能量，在熔化良好的條件下不要采用過大的焊接電流，對厚壁管要求采用多層多道焊，焊層不應(yīng)太厚，以便后焊道對前焊道產(chǎn)生良好的“回火”效應(yīng)，一些單位的焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，焊道厚度

13、宜控制在2.53mm以下。圖 4 P91鋼連續(xù)冷卻曲線圖5 P92鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線224焊后熱處理規(guī)范的影響不允許焊后立即升溫進(jìn)行回火，因?yàn)樵诤附舆^程中奧氏體并末完全轉(zhuǎn)變成馬氏體，熱處理后根據(jù)其冷卻速度又會(huì)形成馬氏體或鐵素體加碳化物。除小徑薄壁管外，也不允許冷卻至室溫后再升溫進(jìn)行熱處理以防產(chǎn)生冷裂紋。要求焊后冷卻至Mf點(diǎn)以下，即80100，保溫1小時(shí)，待馬氏體完全轉(zhuǎn)變后立即升溫進(jìn)行回火?；鼗饻囟燃昂銣貢r(shí)間，綜合國內(nèi)外有關(guān)研究機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果及制造、安裝單位的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，焊后熱處理規(guī)范以750770，恒溫時(shí)間4小時(shí)以上（小徑薄壁管可只恒溫1小時(shí)）為宜。要注意的是，焊接材料的成分與母材不盡相同，為提

14、高焊縫金屬的沖擊韌性加了些鎳，并對有關(guān)元素的含量作了調(diào)整，但各制造廠所提供的同一型號的焊接材料成分是有區(qū)別的，熔焊金屬的AC1溫度也可能不同，采購焊材時(shí)應(yīng)向供方了解制造廠推薦的焊后熱處理溫度和恒溫時(shí)間。23 時(shí)效傾向 T/P91、T/P92、T/P122鋼都具有較明顯的時(shí)效傾向。圖6、圖7分別表示P92、P122鋼的時(shí)效傾向。時(shí)效傾向發(fā)生在500650的溫度范圍內(nèi)，這正是這些鋼材的工作溫度?？梢钥吹?000小時(shí)時(shí)效后其韌性下降了許多，P92鋼的沖擊功從時(shí)效前的220J左右降到70J左右；P122鋼從時(shí)效前的80J降到了40J以下，但在3000小時(shí)以后沖擊功下降的傾向就不明顯了。時(shí)效過程中，Cr

15、、W、Mo等合金元素與Fe、Mn、Si形成金屬間化合物“Laves相”，導(dǎo)致韌性惡化。圖6 P92鋼的時(shí)效傾向圖7 P122鋼的時(shí)效傾向圖7 P122鋼的時(shí)效傾向與母材成分相近的焊縫也有同樣的傾向，圖8是P92鋼焊縫的時(shí)效傾向。為了確保時(shí)效后焊縫韌性能保持在要求的水平上，時(shí)效前焊縫的原始韌性必須有充分的富裕量。(x100)0510152025303540保溫時(shí)間 h 010020030040050060070008090+20沖擊功 J SMAW: Thermanit MTS 616 / Thermanit MTS 911; 4,0 mm1PWHT: 750/2 hPWHT: 750/4 h3

16、8圖8 P92鋼SMAW焊縫600時(shí)效傾向2 4 熱影響區(qū)軟化及IV型裂紋通過熱處理強(qiáng)化的鐵素體鋼，由于低于臨介溫度的過回火作用和在臨界溫度范圍內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的變化，在HAZ外端的硬度會(huì)下降，在對焊接接頭進(jìn)行持久強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，往往斷在這個(gè)部位，該部位稱作軟化帶。焊接接頭軟化帶的高溫持久強(qiáng)度與母材同一溫度的持久強(qiáng)度的比值稱作熱強(qiáng)系數(shù)。熱強(qiáng)系數(shù)的大小與材料有關(guān)，也與試驗(yàn)溫度及試驗(yàn)時(shí)間有關(guān)。合金成分愈復(fù)雜的鋼，熱強(qiáng)系數(shù)愈低。試驗(yàn)溫度愈高，試驗(yàn)時(shí)間愈長，熱強(qiáng)系數(shù)愈低。表3列出了常用低合金熱強(qiáng)鋼焊接接頭的熱強(qiáng)系數(shù)，表4列出了P91鋼焊接接頭的熱強(qiáng)系數(shù)。鐵素體熱強(qiáng)鋼在高溫長期運(yùn)行中，往往在焊接接頭的軟化區(qū)發(fā)現(xiàn)裂

17、紋，稱作型裂縫。為了控制型裂縫，焊接時(shí) 在保證焊接熔化良好，不產(chǎn)生焊接冷裂紋的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量不采用過高的預(yù)熱及層間溫度，不采用過大的焊接線能量，采取多層多道焊并避免過厚的焊道，努力使熱影區(qū)軟化帶變得窄一些，縮小其影響。3、焊接P91、P92鋼工藝要領(lǐng)3 1建議的P91、P92鋼焊接熱處理循環(huán)曲線如圖9，予熱、焊后熱處理的加熱及測溫應(yīng)符合DL/T819火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程的要求。溫度 76010 4h 200250 300 150200 80100 1h 時(shí)間（h）圖9 焊接熱處理熱循環(huán)曲線圖*小徑薄壁管焊接接頭允許冷至室溫。*小徑薄壁管焊接接頭可按每毫米5分鐘計(jì)標(biāo)，且不小于1h。32采取小線能量及多層多道焊,并且蓋面層焊退火焊道。線能量控制在20KJ/cm以內(nèi)，焊道寬度不超過焊條直徑的4倍，焊道厚度不超過焊條直徑。33電焊條、焊劑一定要烘干，并做好保溫、發(fā)放、回收、貯存等管理工作。34當(dāng)焊接接頭不能及時(shí)進(jìn)行熱處理時(shí)，應(yīng)于焊后立即做加熱溫度為350，恒溫1小時(shí)的后熱處理。35遇異種鋼焊接時(shí)，應(yīng)按“焊規(guī)”正確選擇好焊接材料，并正確確定予熱溫度、層間溫度以及焊后熱處理溫度和恒溫時(shí)間。36遇不同外徑、或不同內(nèi)徑、不同壁厚鋼管及管件焊接時(shí)，應(yīng)按“焊規(guī)”要求進(jìn)行處理，使焊縫與兩側(cè)母材之間圓滑過渡。4 T/P23、T24鋼焊接要商定的兩