P92鋼焊接及熱處理問題分析

黃瓊+曾小川+楊勇

摘 要：當(dāng)今世界火電機(jī)組朝高效率節(jié)能方向發(fā)展，超超臨界火電機(jī)組被大量推廣。P92鋼材因?yàn)槠淞己玫母邷乜谷渥冃阅芏粦?yīng)用在超超臨界大容量機(jī)組中，但是其較差的可焊性又給現(xiàn)場安裝帶來一些難題。本文針對P92鋼在現(xiàn)場焊接和熱處理中出現(xiàn)的不同類型的問題分析了其產(chǎn)生的原因并提出了相應(yīng)處理措施。

關(guān)鍵詞：P92鋼材；焊接工藝；金相組織；熱處理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.041

現(xiàn)代火電廠機(jī)組趨勢朝著大容量方向發(fā)展，由此帶來大容量機(jī)組對耐熱鋼的要求越來越高，華潤蒲圻電廠二期2×1000MW的4#機(jī)組及茌平信源鋁業(yè)有限公司700MW級機(jī)組工程5#機(jī)組為我方安裝，為了滿足超超臨界機(jī)組高溫高壓情況下運(yùn)行壽命的要求，過熱器和再熱器中大量采用了P92鋼材，雖然國家電力公司能源建設(shè)部專門做出過P91/P92的工藝導(dǎo)則，但是在實(shí)際焊接中發(fā)現(xiàn)兩者間還是存在不少差別的，為此我們就現(xiàn)場P92鋼材焊接中出現(xiàn)的問題和解決方法進(jìn)行了總結(jié)。

1 P92鋼簡介

P91鋼材的出現(xiàn)就已經(jīng)極大提高了大容量機(jī)組的使用壽命和加工難度[1]，為了進(jìn)一步提高鋼材的耐熱性與使用壽命，日本新日鐵公司在P91鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)出了等級更高的NF616（T/P92）耐熱鋼，現(xiàn)在被廣泛的用于超超臨界機(jī)組中。P92鋼與P91不同之處在于降低了0.5%的Mo元素含量，同時(shí)加入了1.7%的W元素和0.0035%的B元素，這兩種元素都增加了P92鋼材的強(qiáng)化效果，且P92鋼材的回火顯微組織為雙相馬氏體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度在P91基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升。P92鋼的高溫強(qiáng)度在590℃～650℃范圍與TP347H等鋼材相當(dāng)，高溫蠕變性能比P91高出30%[2]。P92鋼的具體成分及其力學(xué)性能如表1、表2所示。

2 P92鋼材的焊接工藝

SA335P92鋼材含有的合金元素種類繁多，Cr、Mo元素含量高，且W元素的加入使得P92鋼的焊接難度進(jìn)一步加大，P92鋼焊接工藝的執(zhí)行情況一向是焊接工作的重中之重。

現(xiàn)場P92大徑管的坡口嚴(yán)格按照DL/T869-2012規(guī)范制備，焊工上崗前經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn)與考核，焊材選用的是經(jīng)過公司工藝評定準(zhǔn)許的英國曼徹特公司CHROMET 92焊條和9CrWV焊絲，焊接方法采用GTAW+SMAW，氬弧焊打底前管道的預(yù)熱溫度為160℃，手工電弧焊蓋面時(shí)的預(yù)熱溫度為220℃，打底前做好封閉氣室充氬保護(hù)，氬弧焊打底時(shí)是嚴(yán)格按照工藝評定來做的。電弧焊蓋面時(shí)選擇相應(yīng)電流遵循多層多道原則[3]，焊前預(yù)熱至焊后熱處理嚴(yán)格按照DL/T819-2002規(guī)程執(zhí)行并有溫控儀全程監(jiān)控。

3 P92鋼焊接中常見問題的分析與解決

3.1 問題的出現(xiàn)

經(jīng)檢查充氬氣室封閉良好，熱處理過程符合工藝要求，曲線圖中顯示層間溫度控制正常，工藝符合評定要求。而在實(shí)際現(xiàn)場中對焊縫檢測發(fā)現(xiàn)有三類問題：（1）有10%概率發(fā)現(xiàn)微小裂紋；（2）焊縫一周不同深處發(fā)現(xiàn)大小不一點(diǎn)狀缺陷多處，經(jīng)切口發(fā)現(xiàn)均屬于夾渣；（3）大口徑壁厚卻相對薄的管道（如高溫再熱器管道）焊縫的硬度偏高大約在280HBW以上。

3.2 問題的分析

a.眾所周知，P92鋼的合金（尤其是Cr元素含量）含量很高，有極易發(fā)生冷裂紋傾向，氬弧焊打底時(shí)采用150℃以上預(yù)熱溫度，根部裂紋的概率幾乎為零，但是在手工電弧焊蓋面時(shí)，由于要求一次焊完，焊接工人可能會(huì)為了趕時(shí)趕工，習(xí)慣性的加大焊接電流導(dǎo)致層間溫度局部偏高，高于350℃，焊縫冷卻速度過慢，在焊接接頭中引起晶界碳化物析出和過早形成鐵素體（見圖1），從而形成延遲裂紋，熱處理后會(huì)很明顯表露出來?，F(xiàn)場實(shí)際焊接時(shí)溫度監(jiān)控不是很全面，會(huì)有局部溫度偏高發(fā)生，有較小的概率會(huì)產(chǎn)生延時(shí)裂紋。

b. 焊條選用方面，主要對比一下藥皮過渡焊條和焊芯過渡焊條的使用區(qū)別。根據(jù)現(xiàn)場焊工經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用不同類型的P92鋼焊條時(shí)，缺陷與夾渣發(fā)生的概率都不一樣，焊芯過渡焊條的合格率要高于藥皮過渡焊條。藥皮過渡和焊芯過渡的焊條主要區(qū)別是合金元素的進(jìn)入鐵水中方式不一樣，焊芯是直接等離子化區(qū)域，而藥皮先被高溫等離子熔化，然后摻進(jìn)等離子鐵水中。藥皮過渡的焊條，藥皮中的合金元素在融入鐵水中稍微滯后，高熔點(diǎn)金屬可能產(chǎn)生熔化不完全的現(xiàn)象。

我們在P92鋼的焊接中主要采用的是英國曼徹特公司的CHROMET 92型焊條，該焊條屬于藥皮過渡型焊條，合金元素存在藥皮中，其合金元素融入焊縫中的速度小于焊芯過渡型焊條，而且焊接時(shí)線能量輸入會(huì)影響到合金元素的融入均勻性。P92鋼中合金種類多、含量高，尤其是W元素熔點(diǎn)高會(huì)首先凝固，形成晶核，帶動(dòng)Cr、Mo等高熔點(diǎn)金屬吸附在其上形成成分偏析，可能還來不及固溶到奧氏體晶胞中就偏析在晶界處，形成枝晶偏析或夾雜。因此藥皮過渡型的P92焊條在焊接必須嚴(yán)格控制焊速和層間溫度，保證合金元素充分融入到鐵水中，否則W元素未熔化或偏析到晶界處，容易逸出晶界產(chǎn)生第二相，使得焊縫極易發(fā)生夾渣，焊接時(shí)必須仔細(xì)清理。

c. P92鋼材的焊接工藝指導(dǎo)與P91相同，但是兩者在焊接時(shí)的金屬流動(dòng)性和凝固沉積時(shí)產(chǎn)生的成分偏析都存在很大差別，P92鋼材與P91鋼比較在合金中添加了W元素，因此其在抗高溫蠕變性能方面也更理想，但是P92鋼材的時(shí)效性也很明顯，尤其是焊接部分，W元素的熔點(diǎn)達(dá)到3410℃左右，遠(yuǎn)高于其他合金元素，使用直徑4.0mm的焊條焊接時(shí)電流過大，溫度集中，影響到合金元素融入的均勻性使得合金組織容易產(chǎn)生偏析現(xiàn)象，焊接時(shí)如果凝固速度緩慢甚至?xí)诰Ы缣幘奂纬珊谏珚A渣。直徑4.0mm焊條焊接線能量輸入較大，層間溫度偏高，焊縫熔池溫度過高，晶粒會(huì)充分長大，形成金相組織也會(huì)比較粗大，焊后熱處理很難將硬度降下來；且晶粒長大后晶界面積將會(huì)變小，焊接輸入的線能量將會(huì)以缺陷的形式保存在晶粒中，進(jìn)一步降低焊縫的塑韌性，這對整個(gè)焊縫性能的影響都是不利的。

d. 高溫回火能細(xì)化金屬組織形態(tài)，釋放內(nèi)應(yīng)力，增強(qiáng)焊縫抗高溫蠕變性能，提升其使用壽命，是保證焊縫質(zhì)量的重要步驟，對于P92鋼這種高合金含量的鋼尤其如此。通常按照正常熱處理工藝對P92鋼材高溫回火能起到細(xì)化組織，降低硬度的作用，但是現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)對于一些薄壁大口徑管道（如再熱熱段管道）安照正常工藝進(jìn)行熱處理后，硬度高于規(guī)范要求。

將現(xiàn)場有代表性的主蒸汽管道和再熱熱段管道（均為P92材質(zhì)）焊縫做金相分析（見圖2和圖3），再對比母材金相組織（見圖4），可以明顯發(fā)現(xiàn)P92鋼材金相組織主要為板條狀馬氏體形態(tài)，而且焊縫處的組織尺寸要大于母材，這是因?yàn)楹附訒r(shí)能量輸入集中，溫度過高而冷卻速度較慢導(dǎo)致過冷度較小，形成晶粒粗大。高溫回火能一定程度上消除其影響，但是并不能完全消除，因此，焊縫處的晶粒組織比母材要粗大。對比主蒸汽和熱段焊縫處的金相組織，發(fā)現(xiàn)主蒸汽焊縫的馬氏體組織大小又小于熱段焊縫的，結(jié)合焊縫硬度值（現(xiàn)場主蒸汽焊縫的硬度值一般小于熱段焊縫），得出金相組織大小與硬度成正相關(guān)關(guān)系。這就表明相同熱處理工藝下，熱段焊縫的組織形態(tài)劣于主蒸汽焊縫，這可能是導(dǎo)致熱段焊縫硬度偏高的原因。

熱處理時(shí)通常都是加熱片包裹在管壁外側(cè)，再覆蓋數(shù)層保溫棉，焊縫兩側(cè)加熱寬度不少于4倍壁厚。在達(dá)到恒溫溫度后用測溫槍測量管壁外表面溫度T1和內(nèi)表面溫度T2（見圖5），發(fā)現(xiàn)主蒸汽焊縫內(nèi)外壁溫差T1-T2≈5℃，而熱段焊縫內(nèi)外壁溫差T1-T2≈10℃，可見熱段焊縫回火時(shí)的熱量損失很大。管道熱傳導(dǎo)屬于金屬和空氣混合傳導(dǎo)，空氣的導(dǎo)熱率明顯高于金屬材料，管道內(nèi)徑越大，空氣中的導(dǎo)熱距離越長，管壁越薄，金屬內(nèi)導(dǎo)熱距離也越短。

可知在垂直于軸線方向上熱段管道（Ф779×40）的熱傳導(dǎo)速率明顯高于主蒸汽管道（Ф550×94）。加上現(xiàn)場實(shí)際安裝中管道中可能有穿堂風(fēng)帶走大量熱量，這也就是造成熱段管道焊縫回火溫度不足，金相組織比主蒸汽焊縫粗大，內(nèi)應(yīng)力釋放不夠完全，硬度偏高的原因。

3.3 問題的解決

針對以上問題，經(jīng)分析后提出以下改進(jìn)措施：

a. 在P92鋼焊接時(shí)由于焊接電流過大容易引起晶界碳化，形成過早鐵素體，需要增強(qiáng)焊工責(zé)任心，加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)督，嚴(yán)格按照焊接工藝執(zhí)行，采用小電流，薄層多道焊接；

b. 藥皮過渡焊條，合金元素溶入稍慢，W元素來不及溶入晶格中，晶界堆積形成類似晶間腐蝕的微小裂紋，焊芯過渡焊條此種問題不易出現(xiàn)，若用藥皮過渡焊條必須更應(yīng)控制好焊接電流和層間溫度，并仔細(xì)清理層間的藥皮、夾渣；

c. 為嚴(yán)格控制層間溫度，降低成分偏析，阻止晶粒長大，P92鋼焊接電流不宜過大，因此選用的焊條直徑不能超過3.2mm；

d. 板條狀馬氏體的穩(wěn)定形成與回火的恒溫時(shí)間有很大關(guān)系，一般來講，焊接完成后的馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間足以完成80%以上組織轉(zhuǎn)變，回火將會(huì)消除焊接時(shí)殘余應(yīng)力，調(diào)整焊縫硬度和強(qiáng)韌性，保留組織。大口徑薄壁管回火時(shí)保溫措施容易出現(xiàn)大量熱損失，焊縫根部溫度達(dá)不到要求[4]，形成索氏體組織粗大。決定在熱處理時(shí)采用一定的熱補(bǔ)償措施，焊縫兩邊加熱寬度加寬至5倍壁厚，保溫寬度加寬至6～7倍壁厚，保溫棉加厚至4層以上，加強(qiáng)溫度監(jiān)控，在有穿堂風(fēng)的地方用紙板或保溫棉封住管口，但不宜延長恒溫時(shí)間，這樣會(huì)降低材料的使用壽命。

采取改進(jìn)措施后，焊縫的質(zhì)量和硬度值均有明顯的改善，合格率達(dá)到了比較理想的狀態(tài)。

4 小結(jié)

對現(xiàn)場P92焊接中出現(xiàn)的問題經(jīng)針對性分析，采取對應(yīng)的措施使其可達(dá)到可控制的狀態(tài)。（1）P92鋼焊接應(yīng)當(dāng)采用直徑不大于3.2mm焊條，小電流，薄層多道焊接；（2）不同種類焊條的焊接處理方式不一樣，焊芯過渡焊條焊接合格率大于藥皮過渡焊條，當(dāng)選用藥皮過渡焊條時(shí)，應(yīng)特別注意電流和層間溫度控制，并仔細(xì)清理每層焊縫的藥皮、焊渣；（3）為避免大口徑薄壁管熱處理時(shí)的熱損失，對這類焊縫應(yīng)加寬加熱和保溫范圍，加厚保溫厚度，并封堵好管口。

參考文獻(xiàn)：

[1]王則靈.T91/P91鋼的焊接工藝[J].焊接，2005（12）：29-33.

[2]傅育文，王炯祥，盧征然等.SA-335P92鋼的焊接[J].動(dòng)力工程，2008，28（05）：807-811.

[3]邵小劍.超超臨界機(jī)組主蒸汽P92鋼的焊接[J].電焊機(jī)2008，38（01）：58-62.

[4]歐陽杰，馮硯廳，王慶.P91鋼焊接及焊后熱處理中的問題分析[J]. 河北電力技術(shù)，2008，27（03）：13-14.