Cr馬氏體耐熱鋼的焊接技術(shù)和質(zhì)量控制

9-12%Cr馬氏體耐熱鋼的焊接技術(shù)和質(zhì)量控制范長(zhǎng)信西安熱工研究院有限公司目錄第一部分新型馬氏體耐熱鋼焊接性分析第二部分P92鋼焊接工藝研究第三部分焊接質(zhì)量控制第一部分新型馬氏體耐熱鋼焊接性分析管道鋼F12、F11、P91、P92、P122、P911、NF12、SAVE12日本轉(zhuǎn)子鋼TR1100、TR1500、TR1200、HR1200日本轉(zhuǎn)子鋼TOS101、TOS107、TOS110歐洲轉(zhuǎn)子鋼COSTF、COSTE、COSTB歐洲汽缸材料G-X12CrMoVNb91、G-X12CrMoVNbN1011

日本汽缸材料TOS301、TOS302、TOS3039-12％Cr馬氏體耐熱鋼家族SC/USC用新型耐熱鋼依靠進(jìn)口國(guó)內(nèi)無(wú)法生產(chǎn)SC/USC機(jī)組所需關(guān)鍵材料從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)成熟材料是發(fā)展我國(guó)超超臨界發(fā)電技術(shù)的最快捷和現(xiàn)實(shí)的途徑需要解決的問(wèn)題新型耐熱鋼的焊接、熱處理等加工工藝；新型電站用鋼的使用性能，如高溫長(zhǎng)時(shí)力學(xué)性能、疲勞性能、抗蒸汽氧化、煙氣腐蝕性能、運(yùn)行條件下的組織變化規(guī)律進(jìn)行全面研究；金屬監(jiān)督、狀態(tài)與壽命評(píng)估技術(shù)研究。------如何獲得質(zhì)量合格的焊接接頭，保證工程建設(shè)進(jìn)度，滿足機(jī)組長(zhǎng)期安全運(yùn)行，成為最為關(guān)鍵的技術(shù)難題之一

運(yùn)行組織穩(wěn)定性位錯(cuò)密度的降低；E911、P92、P122由于含W，容易析出Fe2（W、Mo）Laves相；P122中的Cu促進(jìn)Laves相的析出；蠕變中后期Z相Cr(Nb,V)N析出；

穩(wěn)定性：P91>E911>P92>P122馬氏體耐熱鋼的性能特點(diǎn)以P91為代表的9-12％Cr馬氏體鋼具有良好的綜合性能（高溫強(qiáng)度、韌性等）；馬氏體鋼與常規(guī)的低合金耐熱鋼的顯著差別是性能對(duì)組織異常敏感，制造、安裝和運(yùn)行中導(dǎo)致的組織波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致性能的較大變化。高溫持久強(qiáng)度（許用應(yīng)力）P92－600℃10萬(wàn)小時(shí)持久強(qiáng)度

1999年ASME鍋爐和壓力容器委員會(huì)批準(zhǔn)將A335P92鋼作為規(guī)范案例列入ASMEA335材料標(biāo)準(zhǔn)（2000版案例2179-3），持久強(qiáng)度為132MPa。但高溫管道（主汽、熱段）設(shè)計(jì)依據(jù)的規(guī)范ASMEB31.1至今還未將其納入2002年德國(guó)V&M公司已進(jìn)行到7萬(wàn)h蠕變?cè)囼?yàn)，外推的持久強(qiáng)度比ASME案例中的值低約10%ECCC2005年持久強(qiáng)度評(píng)價(jià)值為113MPa，較ASME案例中的值低約14%P122－許用應(yīng)力(MPa)

575℃600℃625℃

ASME1078361METI1008565SHC1006846

西安會(huì)議超超臨界主汽管材料會(huì)議紀(jì)要

服役期間間沖擊功功的變化化P122：100－125JP92：：150JE911：180JP91：：240J運(yùn)行1萬(wàn)萬(wàn)小時(shí)后后40J運(yùn)行后70J運(yùn)行后60J運(yùn)行后180J含W鋼的的沖擊功功在一萬(wàn)萬(wàn)小時(shí)內(nèi)內(nèi)下降顯顯著，之之后趨于于穩(wěn)定，，對(duì)母材材尚能滿滿足使用用要求。。對(duì)焊接接接頭需需要有一一定韌性性的儲(chǔ)備備。新型馬氏氏體耐熱熱鋼焊接接性分析析焊接接頭頭的脆化化●粗晶組織織引起●導(dǎo)致接頭頭的韌性性降低－－在焊焊接過(guò)程程中應(yīng)使使用較低低的焊接接線能量量－E=60UI/V(J/cm新型馬氏氏體耐熱熱鋼焊接接性分析析熱影響區(qū)區(qū)的軟化化●AC1~AC3之間部部分奧氏氏體化，，沉淀強(qiáng)強(qiáng)化相不不能夠完完全溶解解在奧氏氏體中，，粗化，，強(qiáng)度降降低?！褴浕瘜?duì)短短時(shí)高溫溫拉伸強(qiáng)強(qiáng)度影響響不大，，但降低低持久強(qiáng)強(qiáng)度，產(chǎn)產(chǎn)生Ⅳ型型裂紋。。Ⅰ型蠕變變裂紋：：發(fā)生在在焊縫中中的蠕變變裂紋Ⅱ型蠕變變裂紋：：發(fā)生在在焊縫中中的蠕變變裂紋向向焊接熱熱影響區(qū)區(qū)擴(kuò)展Ⅲ型蠕變變裂紋：：發(fā)生在在粗晶區(qū)區(qū)的蠕變變裂紋(再熱裂紋紋)Ⅳ型蠕變裂紋紋：發(fā)生生在細(xì)晶晶粒軟化化區(qū)的蠕蠕變裂紋紋Ⅴ型蠕變裂紋紋：發(fā)生生在熔合合區(qū)的蠕蠕變裂紋紋Ⅵ型蠕變裂紋紋：發(fā)生生在母材材應(yīng)力集集中處的的疲勞裂裂紋焊接接頭頭蠕變裂裂紋的分分類ⅥⅤ熔合區(qū)裂裂紋疲勞裂紋紋P91集集箱與P91端端蓋環(huán)焊焊縫焊接接熱影響響區(qū)發(fā)生生Ⅳ型開(kāi)裂運(yùn)行行：：3.65萬(wàn)小小時(shí)冷啟動(dòng)：：72次次熱啟動(dòng)：：469次P91、、P92、E911、、P122均有有IV開(kāi)開(kāi)裂敏感感性；IV型開(kāi)開(kāi)裂的破破壞性很很大；－設(shè)計(jì)上上考慮余余量；－焊接工工藝優(yōu)化化－－焊接線能能量不宜宜大，預(yù)預(yù)熱溫度度不能過(guò)過(guò)高等；－管系支支吊調(diào)整整、早期期診斷可可減小風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)。新型馬氏氏體耐熱熱鋼焊接接性分析析焊接冷裂裂紋（延延遲裂紋紋）●冷卻過(guò)程程中在Ms點(diǎn)以以下或更更低的溫溫度范圍圍內(nèi)形成成●三要素：：淬硬組組織、氫氫元素、、應(yīng)力●冷裂紋敏敏感性T23→P22→P122→→P91→→P22－－預(yù)預(yù)熱及及層間間溫度度低氫型型焊條條，嚴(yán)嚴(yán)格烘烘培和和保溫溫工藝藝；盡量減減少拘拘束度度；消氫或或及時(shí)時(shí)熱處處理。焊接接接頭的的化學(xué)學(xué)成分分保證綜綜合性性能提高可可焊性性合金元元素的的作用用和優(yōu)優(yōu)化控控制焊接材材料開(kāi)開(kāi)發(fā)商商完成成焊接接接頭的的組織織新型馬馬氏體體耐熱熱鋼的的組織織包括括焊接接接頭頭的組組織均均為馬馬氏體體馬氏體體板條條的位位向、、大小小、原原奧氏氏體晶晶粒度度、碳碳化物物的類類型、、形狀狀、分分布等等在BM、、HAZ、、WM的分布布有或或大或或小的的差異異

P92焊接接頭PWHT（740℃×4h）后的宏觀和微觀組織形貌

P92焊接接頭焊縫金屬的TEM像ａ）焊態(tài)ｂ）PWHT焊接接接頭的的蠕變變性能能焊縫金金屬的的蠕變變斷裂裂強(qiáng)度度低于于母材材隨著持持久斷斷裂時(shí)時(shí)間的的增加加，焊焊縫金金屬的的蠕變變斷裂裂強(qiáng)度度與母母材的的差距距越來(lái)來(lái)越大大高溫蠕蠕變?cè)囋囼?yàn)的的失效效位置置多在在HAZ的外外側(cè)，，即靠靠近母母材的的HAZ，，軟軟化區(qū)區(qū)焊接接接頭的的失效效模式式受控控于HAZ第二部部分P92鋼焊焊接工工藝研研究馬氏體體耐熱熱鋼的的焊接接F11、F12本身身成分分設(shè)計(jì)計(jì)上有有缺陷陷，導(dǎo)導(dǎo)致焊焊接困困難；；后續(xù)的的9-12％Cr馬馬氏體體鋼通通過(guò)合合金成成分優(yōu)優(yōu)化焊焊接性性能有有較大大幅度度的改改善；；P91國(guó)內(nèi)內(nèi)已經(jīng)經(jīng)應(yīng)用用10余年年，在在其焊焊接方方面已已經(jīng)積積累了了豐富富的經(jīng)經(jīng)驗(yàn)；；《T91/P91鋼鋼焊接接工藝藝導(dǎo)則則》是是國(guó)內(nèi)內(nèi)P91鋼鋼的焊焊接技技術(shù)的的里程程碑。。P91基礎(chǔ)礎(chǔ)上開(kāi)開(kāi)發(fā)的的P92、、P911、P122等等新鋼鋼種在在焊接接上沒(méi)沒(méi)有本本質(zhì)的的區(qū)別別；國(guó)內(nèi)對(duì)對(duì)這類類鋼的的焊接接還存存在什什么問(wèn)問(wèn)題？？特殊性性在哪哪里？？新型馬馬氏體體需要要什么么樣的的焊接接接頭頭？沒(méi)有焊焊接缺缺陷；；組織以以回火火馬氏氏體為為主，，合理理的析析出相相數(shù)量量、尺尺寸、、分布布；異異常組組織的的控制制（delta－鐵鐵素體體、過(guò)過(guò)度回回火組組織等等）；；與母材材的合合理的的強(qiáng)度度匹配配；足夠的的韌性性儲(chǔ)備備，以以應(yīng)對(duì)對(duì)運(yùn)行行中的的脆化化。關(guān)注焦焦點(diǎn)－－焊接接接頭頭的性性能隨著技技術(shù)進(jìn)進(jìn)步，，大多多數(shù)的的高溫溫焊接接接頭頭中已已不存存在影影響使使用安安全性性的宏宏觀缺缺陷中間探探傷規(guī)規(guī)定是是否合合理？？關(guān)注組組織的的不均均勻性性和由由此引引起的的性能能不均均勻性性存在強(qiáng)強(qiáng)度或或大或或小、、塑性性或高高或低低的區(qū)區(qū)域，，在使使用用過(guò)程程中發(fā)發(fā)生早早期失失效強(qiáng)度或或塑性性不足足不同的的蠕變變速率率，導(dǎo)導(dǎo)致接接頭中中應(yīng)力力的錯(cuò)錯(cuò)配P92鋼由由于W的加加入，，抗回回火能能力有有所提提高，，焊縫縫沖擊擊功更更難以以提高高，而而運(yùn)行行中沖沖擊功功的降降低又又更明明顯，，合理的的韌性性值和和韌性性儲(chǔ)備備是必必要的的，同時(shí)時(shí)又要要考慮慮蠕變變性能能，二二者兼兼顧，，不能能一味味追求求高沖沖擊功功P92鋼焊焊縫Ak不不得低低于41為為宜影響焊焊縫金金屬韌韌性的的因素素焊接方方法的的影響響（氧氧含量量）通常GTAW＞SMAW＞＞SAW化學(xué)成成分的的影響響預(yù)熱、、層間間溫度度的影影響焊接線線能量量的影影響焊后熱熱處理理的影影響焊接材材料的的選擇擇與母材材的成成分匹匹配;質(zhì)量的的穩(wěn)定定（AC1的波動(dòng)動(dòng)等））；焊接工工藝性性能與母材材的物物理性性能的的匹配配(如如相變變點(diǎn));雜質(zhì)(S、、P、、As、Ab等等）的的控制制；長(zhǎng)期蠕蠕變數(shù)數(shù)據(jù)的的多寡寡；合金元元素的的過(guò)渡渡方式式；焊接材材料的的選擇擇伯樂(lè)蒂蒂森ThemanitMTS616鋼芯過(guò)過(guò)渡英國(guó)曼曼徹特特Chromet92藥皮過(guò)過(guò)渡法國(guó)液液化空空氣ALCromocord92藥皮過(guò)過(guò)渡日鐵－－住金金NiffefsuN616焊接材材料的的選擇擇進(jìn)行了了如下下試驗(yàn)驗(yàn)焊接工工藝性性能比比較回火參參數(shù)與與沖擊擊功的的關(guān)系系力學(xué)性性能試試驗(yàn)AC1相變溫溫度的的測(cè)試試宏觀和和微觀觀金相相組織織分析析－－各各有千千秋－－對(duì)對(duì)P92等等的焊焊接材材料如如果合合金元元素過(guò)過(guò)渡方方式不不同，，建議議分別別進(jìn)行行工藝藝評(píng)定定Wδ-Ferrite焊縫：：回火火馬氏氏體焊接工工藝的的探討討工藝1：焊焊道寬寬、焊焊接電電流偏偏上限限、焊焊接速速度高高；工藝2：焊焊道偏偏窄、、薄、、焊接接電流流偏下下限，，但焊焊接速速度低低。（（相對(duì)對(duì)1而而言））焊接過(guò)過(guò)程中中的自自回火火國(guó)內(nèi)傾傾向于于采用用第二二種工工藝，，實(shí)踐踐證明明能明明顯提提高焊焊縫韌韌性，，但熔熔敷金金屬試試驗(yàn)表表明，，容易易導(dǎo)致致3.2、、2.4mm焊焊條的的焊縫縫金屬屬?gòu)?qiáng)度度達(dá)不不到要要求，，說(shuō)明明反復(fù)復(fù)“回回火””降低低了強(qiáng)強(qiáng)度；；國(guó)國(guó)外多多采用用第一一種工工藝，，由于于焊接接速度度高，，線能能量也也不高高，沖沖擊韌韌性也也較高高；建議國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)對(duì)兩種種工藝藝進(jìn)行行系統(tǒng)統(tǒng)的對(duì)對(duì)比研研究。。1234567Holdingtime[h]010203040506070CVN[J]?4,0mm;Pos.3Gup?4,0mm;Pos.3GupInfluenceofbeadformationonimpactpropertiesatpwht760°Cweavedbeadsstringerbeads焊后熱熱處理理焊后熱熱處理理溫度度的確確定母材AC1焊材AC1母材最最終熱熱處理理溫度度試驗(yàn)結(jié)結(jié)果在接頭頭性能能滿足足要求求的前前提下下，宜宜低PWHT溫溫度廠家推推薦的的760+0-10℃不符符合中中國(guó)國(guó)國(guó)情提出現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的的、安安全的的P92焊焊后熱熱處理理工藝藝參數(shù)數(shù)焊后熱熱處理理建議議P92鋼P(yáng)WHT溫溫度600±10℃℃對(duì)每批批焊接接材料料的AC1溫度進(jìn)進(jìn)行測(cè)測(cè)定，，適當(dāng)當(dāng)調(diào)整整熱處處理溫溫度，，至少少根據(jù)據(jù)Mn+Ni含含量進(jìn)進(jìn)行適適當(dāng)調(diào)調(diào)整；；H_011123HeatcontrolduringweldingandPWHT-conditionforP911andP92Time02004006008001000Temperature[°C]250-300°C760°CHeatingrate80-120°C/hCoolingrate100-150°C/h

<400°Ccoolinginstillair+10-10slowcoolingrate20-100°C···preheatingweldingandsoakingnecessarycoolingdownafterweldingorsoaking2-4h··第三部部分焊接質(zhì)質(zhì)量控控制焊接質(zhì)質(zhì)量控控制包包括焊接材材料－－焊接接工藝藝－焊焊后熱熱處理理任何一一個(gè)環(huán)環(huán)節(jié)的的失誤誤都會(huì)會(huì)導(dǎo)致致質(zhì)量量的失失控對(duì)P92焊焊接的的幾點(diǎn)點(diǎn)認(rèn)識(shí)識(shí)P92、P122鋼鋼從根根本上上來(lái)說(shuō)說(shuō)與P91屬于于同類類材料料，有有國(guó)內(nèi)內(nèi)多年年焊接接P91的的經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)，P92的焊焊接同同樣可可以成成功實(shí)實(shí)現(xiàn)；；P92焊接接與P91相比比還是是有一一定難難度，，回旋旋的余余地比比較小小，技技術(shù)上上應(yīng)當(dāng)當(dāng)采取取更嚴(yán)嚴(yán)格的的措施施；日本出出現(xiàn)的的超超超臨界界機(jī)組組管道道事故故提醒醒我們們更應(yīng)應(yīng)當(dāng)重重視焊焊接質(zhì)質(zhì)量，，重視視高溫溫管道道的金金屬監(jiān)監(jiān)督。。采取措措施讓一線線工作作人員員（焊焊工、、熱處處理工工）理理解每每一個(gè)個(gè)每一一個(gè)質(zhì)質(zhì)量控控制點(diǎn)點(diǎn)的重重要性性，施施工單單位要要嚴(yán)格格按工工藝施施工，，將評(píng)評(píng)定通通過(guò)的的工藝藝正確確無(wú)誤誤地移移植到到施工工中；；業(yè)主、、監(jiān)理理、監(jiān)監(jiān)督單單位要要加強(qiáng)強(qiáng)過(guò)程程質(zhì)量量監(jiān)督督管理理，除除了工工藝執(zhí)執(zhí)行情情況，，還要要重點(diǎn)點(diǎn)檢查查熱處處理設(shè)設(shè)備表表計(jì)的的檢定定情況況，并并進(jìn)行行適當(dāng)當(dāng)?shù)某槌闄z；；在正式式施工工前的的焊工工考試試過(guò)程程中安安排試試驗(yàn)，，進(jìn)一一步提提高接接頭的的性能能；重視焊焊后熱熱處理理的技技術(shù)水水平提提高。。目前的的現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)熱處處理存存在的的問(wèn)題題施工單單位對(duì)對(duì)熱處處理工工的工工作重重要性性缺乏乏認(rèn)識(shí)識(shí)；電廠的的運(yùn)行行采用用了最最先進(jìn)進(jìn)的控控制系系統(tǒng)，，但國(guó)國(guó)內(nèi)電電廠建建設(shè)中中熱處處理卻卻采用用了落落后的的設(shè)備備和技技術(shù)減小內(nèi)內(nèi)外壁壁的溫溫差；；減小熱熱應(yīng)力力和彎彎曲變變形；；減小軸軸向溫溫度梯梯度；；人員方方面輔助工工種；；協(xié)助工工；培訓(xùn)不不到位位；對(duì)熱處處理工工作重重要性性認(rèn)識(shí)識(shí)不夠夠。設(shè)備方方面熱處理理控制制柜沒(méi)沒(méi)有溫溫度自自動(dòng)補(bǔ)補(bǔ)償系系統(tǒng)；；表計(jì)校校準(zhǔn)不不夠甚甚至不不校；；……熱電偶偶安裝裝及接接線鐵絲綁綁扎熱熱電偶偶補(bǔ)償導(dǎo)導(dǎo)線接線問(wèn)問(wèn)題……建議對(duì)對(duì)P91、、P92管管道表表面壓壓焊熱熱偶絲絲進(jìn)行行可行行性評(píng)評(píng)估推薦采采用ASTM方方法焊焊接熱偶表表面的的有效效隔熱熱。規(guī)程方方面DL升溫、、降溫溫速度度，一一般可可按250X25/壁厚厚(℃℃/h)計(jì)計(jì)算，，且不不大于于300℃℃/h。。6.0.7熱熱處理理的加加熱寬寬度，，從焊焊縫中中心算算起，，每側(cè)側(cè)不小小于管管子壁壁厚的的3倍倍，且且不小小于60mm。6.0.8熱熱處理理時(shí)的的保溫溫寬度度，從從焊縫縫中心心算起起，每每側(cè)不不得小小于管管子壁壁厚的的5倍倍，以以減少少溫度度梯度度。6.0.9熱處理理的加熱方方法，應(yīng)力力求內(nèi)外壁壁和焊縫兩兩側(cè)溫度均均勻，恒溫溫時(shí)在加熱熱范圍內(nèi)任任意兩測(cè)點(diǎn)點(diǎn)間的溫差差應(yīng)低于50℃國(guó)外考慮壁厚、、管徑上海交大5√RT項(xiàng)目修正計(jì)算值國(guó)內(nèi)規(guī)程計(jì)算值均溫區(qū)寬度加熱帶寬度保溫層寬度均溫區(qū)寬度加熱帶寬度保溫層寬度主汽管道140.47682.351145459.6579.6806.47主汽連通管133.91566.26905.5348468613.91高旁入口133.91566.26905.5348468613.91熱再熱132.42680.711229322.56442.56570.02低旁入口127.88557.91963245.16365.16442.58冷再熱126.9676.51226228.6348.6434.3P122149.42858.6015336127321069.4工藝評(píng)定127.57500.10782240360440規(guī)程中對(duì)P91焊接接接頭的硬硬度要求（（<Min（350，母材硬硬度＋100）是否否合理？試試問(wèn)有誰(shuí)在在工藝評(píng)定定中的P91焊縫硬硬度高達(dá)HB300以上又同同時(shí)滿足沖沖擊功和彎彎曲的要求求？試樣編號(hào)試樣名稱HBS10／3000熔合區(qū)焊縫熱影響區(qū)D1、D2焊接接頭199、214199、214186、195R1、R2焊接接頭209、219274、285215、215管樣名稱焊縫位置試樣號(hào)沖擊功AKV/J試樣1試樣2試樣3平均值D樣焊縫DH1~39491117101熔合區(qū)DR1~313092120114熱影響區(qū)DY1~31809185119R樣焊縫RH1~318182219熔合線RR1~333191723熱影響區(qū)RY1~3981019096焊縫的P-V