TP92焊接工藝方案設(shè)計(jì)論文復(fù)習(xí)課程

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。TP92焊接工藝方案設(shè)計(jì)論文-T/P92鋼焊接工藝方案設(shè)計(jì)包鎮(zhèn)回楊丹霞1、T/P92鋼焊接性簡(jiǎn)述T/P92鋼的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分和機(jī)械性能列入表1和表2。歐洲開(kāi)發(fā)的新型馬氏體耐熱鋼E911鋼屬于T/P92鋼。日本開(kāi)發(fā)的新型馬氏體耐熱鋼NF616鋼屬于T/P92鋼，已列入ASTM/ASMEA213T91和ASTM/ASMEA335P92標(biāo)準(zhǔn)。表1T/P92鋼的化學(xué)成分CSiMnCrNiMoVWNbNBT/P92下限0.07-0.308.5-0.300.151.50.040.030.001T/P92上限0.130

2、.50.309.50.40.300.252.00.090.070.006表2T/P92鋼的機(jī)械性能鋼材屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度延伸率ASME標(biāo)準(zhǔn)EN標(biāo)準(zhǔn)MPaMPa%Akv（J）Akv（J）T/P924506202027411.1T/P92在T/P91鋼的基礎(chǔ)上加入了1.7%的鎢（W），同時(shí)鉬（Mo）含量降低至0.5%，用釩、鈮元素合金化并控制硼和氮元素含量的高合金鐵素體耐熱鋼，通過(guò)加入W元素，顯著提高了鋼材的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度。在焊接方面，除了有相應(yīng)的焊接材料，并由于W是鐵素體形成元素，焊縫的沖擊韌性有所下降外，其余對(duì)預(yù)熱、層間溫度、焊接線能量，待馬氏體完全轉(zhuǎn)變后隨即進(jìn)行焊后熱處理以及熱處理溫度、恒溫

3、時(shí)間的要求都是比較相近的。1.2T/P92鋼中有關(guān)C、S、P等元素含量低、純凈度較高，且具有高的韌性，焊接冷裂紋傾向大為降低，但由于其鋼種的特殊性，仍存在一定的冷裂紋傾向，所以焊接時(shí)必須采取一些必要的預(yù)防措施。1.3T/P92鋼中添加W元素，促進(jìn)了鐵素體的形成，使沖擊韌性比T/P91有所降低，所以焊縫的沖擊韌性與其母材、HAZ和熔合線的韌性相比，也存在明顯降低的問(wèn)題。1.4與T/P91鋼相似，存在焊接接頭熱影響區(qū)“第四類”軟化區(qū)的行為。焊接接頭經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后，焊接斷裂在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的軟化帶，此軟化帶強(qiáng)度明顯降低。2、T/P92鋼的應(yīng)用2.1T/P92鋼具有與T/P91優(yōu)良的常溫及高溫力學(xué)性能。通

4、過(guò)加入W元素，顯著提高了鋼材的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度，T/P92鋼的工作溫度比T/P91鋼高，可達(dá)630。2.2T/P92鋼中碳的含量保持在一個(gè)較低的水平是為了保證最佳的加工性能，高溫蠕變斷裂強(qiáng)度非常高，抗腐蝕性能好，提高了耐熱鋼的工作溫度，減少了鋼材的厚度，降低了鋼材的消耗量，降低了管道熱應(yīng)力。在國(guó)內(nèi)首臺(tái)USC機(jī)組玉環(huán)電廠機(jī)組對(duì)主蒸汽管道的設(shè)計(jì)中，曾有兩套方案，若采用P91鋼材，其規(guī)格為Dn349103mm；若采用P92鋼材，由規(guī)格可減為Dn34972mm。2.3用于替代電廠鍋爐的過(guò)熱器和再熱器的不銹鋼（不銹鋼焊接有嚴(yán)重的晶間腐蝕及與鐵素體、珠光體鋼等異種鋼的焊接問(wèn)題），用于極苛刻蒸汽條件下的集箱

5、和蒸汽管道（主蒸汽和再熱蒸汽管道），其熱傳導(dǎo)和膨脹系數(shù)也遠(yuǎn)優(yōu)于奧氏體不銹鋼。2.4由于T/P92鋼的含碳量低于T/P91鋼材，是低碳馬氏體鋼，須在馬氏體組織區(qū)焊接，其預(yù)熱溫度和層間溫度可以大大降低，據(jù)國(guó)外資料研究，通過(guò)斜Y型焊接裂紋試驗(yàn)法測(cè)定的止裂預(yù)熱溫度為100-250左右。3、T/P92鋼焊接接頭質(zhì)量的各種影響因素的分析3.1影響T/P92焊接接頭質(zhì)量的主要因素及影響結(jié)果見(jiàn)表14、各類影響因素控制措施的設(shè)計(jì)4.1T/P92工藝評(píng)定試驗(yàn)鋼材的要求4.1.1對(duì)T/P92,目前進(jìn)貨渠道以進(jìn)口管道為準(zhǔn)，為確保母材的鋼材質(zhì)量，降低熱裂或冷裂傾向，提高沖擊韌性，首先必須保證母材的化學(xué)成分在受控范圍內(nèi)。

6、所以進(jìn)貨時(shí)需嚴(yán)格把握材料進(jìn)貨關(guān)，必須提供鋼材質(zhì)量保證書(shū)，必要時(shí)進(jìn)行相關(guān)的材料工藝試驗(yàn)，進(jìn)行母材化學(xué)成分分析等一系列金相理化試驗(yàn)分析及硬度測(cè)試，來(lái)保證供應(yīng)商供應(yīng)的T/P92材料的加工、熱處理的正確性和均勻性。表11主要影響因素主要內(nèi)容主要引發(fā)產(chǎn)生的缺陷或結(jié)果母材重要化學(xué)成分碳（C）、釩（V）、鈮（Nb）、錳（Mn）、硅（Si）、氮（N）、硫（S）、磷（P），鎢（W）鉬（Mo）元素的含量控制對(duì)焊接接頭有重要影響易引起冷裂紋缺陷；S、P等雜質(zhì)元素及一些合金元素如Ni等易引起熱裂紋缺陷、回火脆性以及蠕變脆化傾向增加；一些沉淀強(qiáng)化元素，如Nb、Al、N等可產(chǎn)生一定的再熱裂紋問(wèn)題過(guò)量的鎢含量，使沖擊韌性和

7、蠕變斷裂強(qiáng)度大大降低焊接材料焊接材料的合理選用及焊接材料中化學(xué)成分的有效控制1成分影響與母材化學(xué)成分影響效果相同，尤其是不同焊材中鎳的成分不同，對(duì)AC1點(diǎn)影響較大；2冷裂紋、熱裂紋、再熱裂紋3、沖擊韌性低4、常溫、時(shí)效后和高溫力學(xué)性能達(dá)不到要求焊接方法不同焊接方法對(duì)接頭的沖擊韌性值及抗裂性有明顯的差別沖擊韌性值偏低；各類裂紋的敏感性增加坡口形狀及尺寸選擇合理的坡口形狀及尺寸，調(diào)整焊縫成型系數(shù)引起接頭產(chǎn)生未焊透、未熔合、夾渣等焊接缺陷預(yù)熱溫度及層間溫度預(yù)熱與層間溫度關(guān)系到冷裂紋的產(chǎn)生及焊縫沖擊韌性的要求，應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行控制，避免高溫及特定溫度點(diǎn)（如550、475以及高溫時(shí)間的長(zhǎng)時(shí)間停留等產(chǎn)生冷裂紋缺

8、陷；沖擊韌性值低，引起斷裂；焊縫接頭組織的燒損，得不到正常情況下的回火馬氏體或索氏體組織充氬保護(hù)為防止根層焊縫金屬氧化，從而保證根部焊接質(zhì)量，提高沖擊韌性值，充氬保護(hù)應(yīng)持續(xù)2-3層以上根部接頭發(fā)生氧化，使機(jī)械性能值降低根部出現(xiàn)多種焊接缺陷焊接線能量一個(gè)綜合控制的焊接要素，從焊接電流、焊接電壓、焊接速度共同控制，以達(dá)到較高的沖擊韌性值，并有效地防止各類裂紋的產(chǎn)生對(duì)沖擊韌性影響極大；產(chǎn)生冷裂紋及型裂紋加熱方法及熱電偶的布置有效地控制內(nèi)外壁溫差,保證加熱溫度的均勻性,要求內(nèi)外壁溫差控制在20以內(nèi)，從而提高沖擊韌值與防止各類裂紋的出現(xiàn)1.沖擊韌性值偏低；2產(chǎn)生冷裂紋、再熱裂紋、型裂紋焊后冷卻溫度與保溫

9、時(shí)間嚴(yán)格控制升降溫速度，控制組織轉(zhuǎn)變，以得到理想的金相組織，從而保證機(jī)械性能機(jī)械性能降低；得不到回火馬氏體組織或索氏體組織殘余奧氏體重新轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘤驳鸟R氏體組織焊接操作工藝從焊接工藝上進(jìn)行過(guò)程控制，嚴(yán)格按焊接工藝施工，從而保證機(jī)械力學(xué)性能、防止各類裂紋的產(chǎn)生機(jī)械性能降低；沖擊韌性值偏低；金相組織不符合；產(chǎn)生冷裂紋、弧坑裂紋產(chǎn)生多種其它常見(jiàn)的缺陷，如未焊透、未熔合、夾渣等4.2T/P92工藝評(píng)定試驗(yàn)焊材的要求4.2.1對(duì)選取的焊接材料也必須嚴(yán)格把握其化學(xué)成分及各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，有質(zhì)量保證書(shū)及使用說(shuō)明書(shū)、焊條的烘干要求。限制各類雜質(zhì)元素，如S、P的含量，及控制一些再熱傾向元素的含量，如Nb、Ni、S

10、i等，保證焊接材料的化學(xué)成分與母材基本一致。4.2.2選用的氬弧焊焊絲、焊條應(yīng)與母材相匹配，選用時(shí)應(yīng)注意化學(xué)成分的合理性，以獲得優(yōu)良的焊縫金屬成分，組織和力學(xué)性能。4.2.3焊縫金屬的Ac1和Mf溫度應(yīng)與母材相當(dāng)。4.2.4首次使用的焊材應(yīng)要求供應(yīng)商提供詳細(xì)的性能資料及推薦的焊接工藝（提供熔敷金屬的Ac1溫度以及焊后熱處理溫度、恒溫時(shí)間），并提供常溫、時(shí)效后和高溫力學(xué)性能曲線。4.2.5做好電焊條的保管、烘干及使用管理工作。4.3焊接方法的影響及選用4.3.1鎢極氬弧焊（TIG）是廣泛應(yīng)用于小徑管焊接中及中、厚壁管的根層打底焊。由于TIG焊的惰性氣體Ar保護(hù)，使焊縫金屬中的有害雜質(zhì)降低，使焊接

11、性得到改善，并使預(yù)熱溫度可降低50，改善了焊接條件。4.3.2根據(jù)國(guó)外研究提供的資料，TIG焊、SMAW焊、SAW、GMAW焊均可保證沖擊韌性值，一般GTAW、GMAW焊縫比較純凈，含氧量低，沖擊韌性較高，SAW及SMAW焊縫則較低，一般都低于母材的韌性。4.3.3焊接方法對(duì)高溫性能有一定的影響，根據(jù)對(duì)T/P91的研究，認(rèn)為T(mén)IG所焊焊接頭高溫拉伸強(qiáng)度R0.2(焊縫的0.2%屈服強(qiáng)度指標(biāo))在試驗(yàn)的焊接方法中最高，SMAW其次，SAW最低，斷裂發(fā)生在母材的熱影響區(qū)（HAZ）。4.3.4SMAW（手工電弧焊）：焊接要控制所用焊條的藥皮含水量，以防止氫致裂紋的出現(xiàn)。其焊縫性能比TIG要差，對(duì)焊接工藝

12、措施要求需更嚴(yán)。4.3.5埋弧焊（SAW）：SAW焊接工藝在有條件的接頭位置和結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中生產(chǎn)率最高、最具優(yōu)勢(shì)的一種工藝方法。選用時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制Si含量和焊劑中的氫含量。在選擇焊劑組合時(shí)，需考慮保證焊縫在最小回火時(shí)間（2h）內(nèi)，有足夠的Ak值；SAW工藝的HAZ比SMAW和TIG焊的寬，這點(diǎn)需另外重視。4.3.6根據(jù)玉環(huán)電廠現(xiàn)場(chǎng)的焊接環(huán)境及結(jié)構(gòu)，工藝采用GTAW和GTAW+SMAW的焊接工藝，壁厚6mm的小徑薄壁管采用全氬焊接；壁厚6mm的小徑管和大徑厚壁管采用GTAW打底，SMAW填充和蓋面。4.4坡口形狀及尺寸的設(shè)計(jì)4.4.1一般16mm以下的薄壁管子，加工V型坡口，厚壁管加工雙V型坡口，易于

13、加工，但根部偏窄，易產(chǎn)生夾渣。4.4.2厚壁管U型坡口優(yōu)點(diǎn)根部寬，易于操作不產(chǎn)生夾溝，但加工不易。4.4.3尺寸符合圖紙要求或DL/T869-2004要求?？蛇m當(dāng)增加對(duì)口間隙，采用搖擺法打底。4.4.4T/P92坡口尺寸推薦圖見(jiàn)下圖（A、B）（尺寸盡量符合玉環(huán)電廠現(xiàn)場(chǎng)焊口坡口設(shè)計(jì)尺寸，P92工藝評(píng)定坡口也可采用綜合型。4.4.5坡口加工時(shí)，鈍邊不易過(guò)大，一般為0.5-1.0mm，可有效地預(yù)防未焊透缺陷。薄壁管（16mm）坡口圖A厚壁管（16mm）坡口圖B4.5預(yù)熱溫度及層間溫度的設(shè)定4.5.1預(yù)熱的作用可以降低焊縫金屬的冷卻速度，不僅可以有效地預(yù)防冷裂紋的傾向，而且可以預(yù)防熱裂紋、氫致裂紋等的

14、產(chǎn)生。4.5.2T/P92鋼種是低碳馬氏體鋼，在馬氏體組織區(qū)焊接，其預(yù)熱溫度和層間溫度可以大大降低，據(jù)國(guó)外資料研究，通過(guò)斜Y型焊接裂紋試驗(yàn)法測(cè)定的止裂預(yù)熱溫度為100-250，考慮T/P92鋼焊接碳當(dāng)量較高，焊接性較差，具有一定的冷裂紋傾向，推薦工藝評(píng)定試驗(yàn)的GTAW預(yù)熱溫度150-200，焊條電弧焊填充并蓋面預(yù)熱溫度為200-250。4.5.3T/P92鋼焊接過(guò)程中，層間溫度對(duì)沖擊韌性影響很大，過(guò)高的層間溫度，會(huì)使焊縫金屬碳化物沿晶間析出并生成鐵素體組織，使韌性大大降低。國(guó)外資料推薦工藝評(píng)定試驗(yàn)選擇最佳的層間溫度為200-300。4.5.4T/P92鋼的焊接過(guò)程須嚴(yán)格監(jiān)視和記錄，對(duì)預(yù)熱溫度及

15、層間溫度的控制要隨時(shí)跟蹤記錄，便于分析處理一些異常情況。4.5.5由于T/P92熱強(qiáng)鋼焊接熱影響區(qū)也有明顯的軟化帶，易產(chǎn)生“型裂紋”。軟化帶是接頭的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，軟化帶用熱強(qiáng)系數(shù)（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(zhǎng)，熱強(qiáng)系數(shù)愈低。故為了控制IV型裂紋，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(guò)高的預(yù)熱溫度及層間溫度，不采用過(guò)大的焊接線能量，采取多層多道焊并避免過(guò)厚的焊道，努力使熱影響區(qū)軟化帶變得窄一些，縮小其影響。4.

16、6充氬裝置的設(shè)計(jì)4.6.1內(nèi)充氬保護(hù)是防止根部氧化的重要措施，除TIG充氬外，對(duì)T/P92鋼種根部至少要經(jīng)過(guò)SMAW2至3層的充氬。4.6.2充氬裝置的制作P92鋼焊接,要求焊縫背面充氬保護(hù)，以避免焊縫部氧化。在設(shè)計(jì)充氬裝置時(shí)考慮以下情況：1）需耐高溫。充氬裝置在對(duì)口前裝入，要等焊接接頭各項(xiàng)檢驗(yàn)全部合格后才能取出，中間要經(jīng)受預(yù)熱、焊接、熱處理過(guò)程，因此，充氬裝置要求能耐高溫。充氬裝置在焊接及熱處理過(guò)程中應(yīng)保持完好，直至焊縫檢驗(yàn)合格后才能取出。2）不僅打底時(shí)需做背面保護(hù)，焊條焊接第二、三層焊縫時(shí)，由于根部焊道仍保持較高的溫度，仍需進(jìn)行根部保護(hù)。3）考慮到焊縫有可能出現(xiàn)經(jīng)檢驗(yàn)不合格的情況，如果缺陷

17、出現(xiàn)在根部或近根部位置，則焊縫進(jìn)行返修焊接時(shí)，仍需充氬保護(hù)。4）在整個(gè)預(yù)熱、焊接、熱處理過(guò)程中，保留充氬裝置，既可防止管內(nèi)穿堂風(fēng)，又可在焊接區(qū)域形成封閉氣室，起到保溫和減小內(nèi)外壁溫差的作用。5）充氬裝置要具有較好的密封性，這主要是由于主汽管道直徑較大，管內(nèi)穿堂風(fēng)也較大，如密封性不好，會(huì)影響保護(hù)效果并造成氬氣浪費(fèi)；另外，密封性越好，保溫作用也就越好；6）充氬裝置要易于安裝的取出，并能固定牢固（尤其對(duì)橫焊和斜焊口特別重要）；7）制作簡(jiǎn)單，材料易找，成本低廉。4.6.3現(xiàn)場(chǎng)充氬裝置示意圖1）下圖圖C、D、E、F、G充氬方式供現(xiàn)場(chǎng)參考。圖C圖D圖E圖F4.6.4若使用高溫可溶紙，可在充氬范圍內(nèi)兩側(cè)25

18、0-300mm處貼兩層溶紙，焊前要檢驗(yàn)管內(nèi)氬氣量是否足夠，可用打火機(jī)引燃，如能自動(dòng)熄滅，則證明充氬效果良好，可以施焊。4.6.5現(xiàn)場(chǎng)主蒸汽管道與末級(jí)過(guò)熱器聯(lián)箱聯(lián)接的焊口考慮到氬氣消耗量及封堵工作量大，可采用局部充氬保護(hù)?？上仍趯?duì)口前，在焊口每側(cè)使用貼粘兩層易溶紙，焊口間隙用耐高溫膠帶粘牢，充氬可使用6mm的鋼管充氬。4.6.6T/P92鋼TIG焊氬氣采用純氬，氬氣流量選擇為8-15ml/min，內(nèi)充氬流量選擇為15-25ml/min。4.7焊接線能量參數(shù)設(shè)計(jì)4.7.1焊接過(guò)程中采用較小的線能量，通過(guò)控制焊接熔池的體積和降低熔池溫度來(lái)減小一次結(jié)晶晶粒尺寸，繼而達(dá)到細(xì)化晶粒的作用，以此來(lái)有效地提高

19、焊縫金屬的韌性。從這個(gè)角度分析，脈沖TIG焊有著明顯的效果。4.7.2控制焊接線能量，可以有效地提高沖擊韌性值。4.7.3小線能量使“IV型”區(qū)寬度降低，提高接頭蠕變斷裂強(qiáng)度，推遲因“IV型”區(qū)存在面引起的“IV型”蠕變斷裂。4.7.4控制焊接線能量的可行辦法是采用多層多道焊，嚴(yán)格控制焊層的厚度，一般規(guī)定不大于所用的焊條直徑，鎢極氬弧焊打底的焊層厚度控制在2.8-3.2mm范圍內(nèi)。盡量減小擺動(dòng)寬度（不超過(guò)4倍所用焊條直徑）。根據(jù)線能量公式Q=IU/V（J/mm）進(jìn)行綜合調(diào)整，經(jīng)推薦，任一焊道的焊接線能量控制在2000J/mm的范圍內(nèi)，能保證焊縫金屬有較高的沖擊韌性值。4.8焊后熱處理工藝設(shè)計(jì)4

20、.8.1加熱方法及熱電偶布置4.8.1.1P92管材加熱必須采取遠(yuǎn)紅外電阻加熱，T92可采用爐式整體加熱或中頻加熱。4.8.1.2焊前預(yù)熱由熱處理工實(shí)施。4.8.1.3焊前預(yù)熱可以防止冷裂紋，減少焊接應(yīng)力。4.8.1.4預(yù)熱采用電加熱，加熱器布置如圖，加熱器寬度，從對(duì)口中心算起，每側(cè)不小于管子壁厚的3倍。熱處理保溫寬度如圖，應(yīng)滿足從焊縫中心算起，每側(cè)不小于壁厚的5倍。（符合DL/T819-2002標(biāo)準(zhǔn)要求）4.8.1.5使用熱電偶測(cè)溫，預(yù)熱時(shí)熱電偶應(yīng)放置在焊接坡口的邊沿且數(shù)量不小于4個(gè)（如上圖所示），熱電偶與加熱器之間應(yīng)有隔熱裝置，一個(gè)在高溫點(diǎn)a和b，另一個(gè)在低溫點(diǎn)c和d，這樣可以有效地控制內(nèi)外壁溫差的影響，保證內(nèi)外壁溫差在20之間，從而有效地預(yù)防冷裂紋的產(chǎn)生以及保證沖擊韌性的要求。4.8.1.6用繩狀或履帶式加熱器包扎時(shí)，空出焊縫部位，保溫材料包扎時(shí)，也同樣空出焊縫部位，但必須覆蓋整個(gè)加熱面。如果采用繩狀加熱器，包扎纏繞時(shí)應(yīng)當(dāng)緊湊平齊，以便加熱均勻。加熱器的安置包扎，上、下部應(yīng)緊密。4.8.1.7厚度大于35mm的焊接接頭預(yù)熱時(shí)的升溫速度應(yīng)符合公式25025/壁厚/h計(jì)算要求，且不大于150/h。4.8.2PWHT熱處理過(guò)程的設(shè)計(jì)4.8.2.1后熱處理在焊接過(guò)程被迫停止或焊后未能及時(shí)進(jìn)行熱處理，應(yīng)作后熱處理，其溫度為300-350，恒溫時(shí)間不小于2h，其加熱范圍與熱處理