鎳基焊材返修P92小徑管焊口工藝

杜軍

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán) 安徽電力第二工程公司汽機(jī)安裝公司，安徽 合肥 230088）

鎳基焊材返修P92小徑管焊口工藝

杜軍

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán) 安徽電力第二工程公司汽機(jī)安裝公司，安徽 合肥 230088）

P92鋼是新型鐵素體耐熱鋼，目前國(guó)內(nèi)采用其匹配焊材進(jìn)行返修，焊后需進(jìn)行再次熱處理，而多次熱處理會(huì)造成管壁的性能下降，且需要花費(fèi)大量的時(shí)間和成本。在臨時(shí)性返修沒(méi)有匹配焊材的情況下，采用鎳基焊材進(jìn)行P92鋼管焊口返修，返修后免做熱處理，避免多次熱循環(huán)對(duì)管子性能的影響，然后進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，返修后的焊接接頭拉伸試驗(yàn)合格，斷裂位置位于母材；焊縫、熱影響區(qū)、母材的硬度值符合規(guī)定要求；焊縫、熱影響區(qū)的沖擊值符合規(guī)定要求；金相組織合格。試驗(yàn)證明，采用鎳基焊材進(jìn)行臨時(shí)性返修試驗(yàn)是可行的，但對(duì)于高溫時(shí)效性能及持久強(qiáng)度性能，還需要進(jìn)一步研究。

鎳基焊材；返修試驗(yàn)；無(wú)損檢驗(yàn)；力學(xué)研究；可行性

0 前言

隨著機(jī)組容量的增加，機(jī)組的蒸汽溫度參數(shù)有較大提高，在超（超）臨界燃煤發(fā)電機(jī)組中，機(jī)組參數(shù)達(dá)到28 MPa/610℃/608℃，過(guò)熱器、再熱器、主蒸汽、再熱熱段及疏水管道，均采用國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的P/T92馬氏體耐熱鋼材料，此鋼種焊接工藝復(fù)雜，對(duì)焊接和熱處理的要求較高。

因現(xiàn)場(chǎng)施工條件惡劣，焊工手工操作造成個(gè)別焊縫存在氣孔、夾渣、未熔合、未焊透等缺陷，焊縫需進(jìn)行返修處理。因過(guò)熱器、再熱器空間位置狹小；主汽、熱段的疏水管道中，一次門和二次門距離較近、且管口和閥門口的內(nèi)徑及壁厚存有較大的偏差，給焊縫的返修、熱處理帶來(lái)了技術(shù)難題。由于整個(gè)焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)在焊縫，表現(xiàn)為焊縫韌性比母材低很多，且由于施工單位現(xiàn)場(chǎng)熱處理采用柔性陶瓷電阻加熱設(shè)備，閥門的保溫、散熱狀況較復(fù)雜。相關(guān)資料顯示，焊后熱處理溫度760℃±10℃，P/T92鋼焊接接頭焊后熱處理才能獲得良好的綜合性能，達(dá)到P/T92鋼要求的高溫回火溫度的下限。受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，且P/T92鋼焊后熱處理溫度范圍比較窄（760℃±10℃），焊接接頭的內(nèi)壁局部焊縫熱處理溫度很可能低于熱處理溫度下限[1]，從而導(dǎo)致整個(gè)焊接接頭的性能處于不均勻狀態(tài)，直接影響焊接接頭的韌性[2]。

目前P/T92鋼在焊接返修過(guò)程中，均采用其匹配焊材進(jìn)行焊接，返修后還需要再次進(jìn)行熱處理，而多次熱循環(huán)勢(shì)必造成管壁的性能有所下降，且需要花費(fèi)大量的時(shí)間及成本。

采用鎳基焊材對(duì)P92鋼進(jìn)行返修，返修后免做熱處理，避免多次熱循環(huán)對(duì)管子性能的影響，然后進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)研究，以確定該工藝的可行性。

1 P92鋼的性能分析

SA335P92鋼是在P91鋼的基礎(chǔ)上添加W元素，適當(dāng)減少M(fèi)o元素的含量而開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種新型鋼種[3]。P92鋼在P91鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低鉬元素含量（0.5%Mo），同時(shí)加入一定量的鎢（1.8%W）將材料中的鉬當(dāng)量（Mo+0.5W）由P91鋼的1%提高到約1.5%，并加入微量的硼。P92鋼具有良好的物理性能，與P91鋼相比，具有更高的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度、優(yōu)異的常溫沖擊韌度和抗氧化性，其焊接裂紋敏感性比傳統(tǒng)的鐵素體耐熱鋼低。但P92鋼具有明顯的時(shí)效傾向，在3000h時(shí)效后，其韌性下降許多，沖擊功由時(shí)效前的約220 J降至70J。在3 000 h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3 000 h的水平[4]。時(shí)效傾向發(fā)生在550℃～650℃的溫度正是該鋼的工作溫度范圍。母材具有明顯的時(shí)效傾向，與母材成分相近的焊縫也有同樣的傾向。提高焊縫金屬時(shí)效前的原始韌性，為時(shí)效留出足夠的余量，是解決焊縫金屬時(shí)效后韌性不足的有效途徑。

2 鎳基焊材返修P92鋼管試驗(yàn)過(guò)程工藝控制

2．1 工藝原理

試驗(yàn)采用目前實(shí)際施工過(guò)程中的P92鋼焊接工藝進(jìn)行焊口焊接和熱處理，P92鋼的焊接技術(shù)已成熟，施焊過(guò)程中嚴(yán)格按《P92鋼小口徑管的焊接作業(yè)指導(dǎo)書》進(jìn)行作業(yè)。

鎳基焊材一般不推薦焊后熱處理。

鎳基高溫合金具有優(yōu)良的抗氧化性、良好的力學(xué)性能，其金相組織是奧氏體，在固態(tài)下沒(méi)有相變[5]。

鎳基合金在焊接時(shí)具有以下特點(diǎn)：①鎳基合金的熱裂紋敏感性較高；②對(duì)焊接表面的雜質(zhì)元素敏感，在焊接過(guò)程中焊件表面應(yīng)保持清潔；③對(duì)焊接熱輸入敏感，焊接時(shí)應(yīng)當(dāng)限制焊接熱輸入，防止晶粒長(zhǎng)大和產(chǎn)生熱裂紋等焊接缺陷。

2．2 試驗(yàn)工藝流程

對(duì)口檢查→焊前預(yù)熱、充氬保護(hù)→點(diǎn)固打底及施焊（焊絲ER90S-G打底二層）；焊條E9015-G填充蓋面半道焊口→焊后熱處理→施焊（焊條ENiCrFe-3填充蓋面余下半道口）→焊接接頭外觀檢驗(yàn)→焊口無(wú)損檢驗(yàn)→沖擊、拉伸、彎曲、硬度、金相等工藝試驗(yàn)檢驗(yàn)。

2．3 試驗(yàn)操作要點(diǎn)

2.3.1 焊接及熱處理工藝

中國(guó)能建安徽電力第二工程公司焊培中心編制的《焊接工藝評(píng)定》（評(píng)定報(bào)告編號(hào)APCC-PQR-175；鋼材牌號(hào)SA335P92，規(guī)格φ76 mm×11.91 mm；焊接位置6G）為其試驗(yàn)性能提供了質(zhì)量保證依據(jù)。

（1）試管：P92鋼，規(guī)格φ89 mm×22 mm；焊接方法為Ws/Ds；焊接位置為6G。

（2）坡口制備清理→焊前預(yù)熱、預(yù)熱溫度150℃～ 200℃、充氬保護(hù)→對(duì)口點(diǎn)固。

（3）施焊：焊絲 ER90S-G（φ2.4 mm）打底二層；焊條E9015-G（φ3.2 mm）填充蓋面半道口；焊接過(guò)程中為減少應(yīng)力，嚴(yán)格控制線能量輸入，層間溫度保持在200℃～250℃。

（4）熱處理：溫度750℃～770℃，升降溫速度小于等于150℃/h，恒溫時(shí)間2 h。

（5）施焊：鎳基焊材ENiCrFe-3（φ3.2 mm）填充蓋面余下半道口。焊接完成后不進(jìn)行熱處理。

（6）無(wú)損檢驗(yàn)合格后，通過(guò)沖擊、位伸、彎曲、硬度、金相等試驗(yàn)檢驗(yàn)工藝的可行性。

2.3.2 操作步驟

（1）坡口制備。采用雙V型坡口，坡口及坡口內(nèi)外約10 mm范圍內(nèi)應(yīng)打磨出金屬光澤，不得有油、污、垢、銹等雜質(zhì)，同時(shí)須確認(rèn)無(wú)裂紋、夾層等缺陷，如有可疑之處，應(yīng)采用著色檢驗(yàn)。

（2）焊接預(yù)熱、充氬保護(hù)。焊前預(yù)熱應(yīng)在點(diǎn)固焊之前進(jìn)行；預(yù)熱溫度150℃～200℃；P92鋼焊口根層焊接時(shí)為防止根部氧化，應(yīng)在管口內(nèi)壁進(jìn)行充氬保護(hù)。

（3）點(diǎn)固打底、施焊。

①點(diǎn)固。采用鎢極氬弧焊直接進(jìn)行點(diǎn)固，點(diǎn)焊2點(diǎn),點(diǎn)固焊長(zhǎng)度15～30 mm，厚度2～3mm，點(diǎn)固后檢查各焊點(diǎn)的質(zhì)量，不得有裂紋、氣孔、未熔合等缺陷。

②施焊。焊絲ER90S-G（φ2.4 mm）打底二層，焊條E9015-G（φ3.2 mm）填充蓋面半道口；焊接過(guò)程中，為減少應(yīng)力，嚴(yán)格控制線能量輸入，層間溫度保持在200℃～250℃；在焊接過(guò)程中必須加強(qiáng)層間清理、檢查工作，剔除干凈熔渣、飛濺，無(wú)層間未熔合、夾渣等缺陷。

（4）焊后熱處理。溫度750℃～770℃，升降溫速度小于等于150℃/h，恒溫時(shí)間120 min；熱處理前必須冷卻至室溫，確保得到100%馬氏體組織，并及時(shí)進(jìn)行高溫回火處理[6]。

（5）施焊。鎳基焊材ENiCrFe-3（φ3.2 mm）填充蓋面余下半道口。施焊完成后，緩慢冷卻到室溫，不進(jìn)行熱處理。

（6）焊后外觀檢查。焊縫邊緣圓滑過(guò)渡、勻直、接頭良好，外形尺寸符合要求；焊縫表面及近表面無(wú)裂紋等開(kāi)口性缺陷，焊縫內(nèi)部無(wú)未熔合、未焊透、裂紋；沒(méi)有氣孔、夾渣、咬邊、根部凸出、內(nèi)凹等超標(biāo)缺陷。

2．4 工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

各項(xiàng)試樣取樣及試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)為DL/T868-2014《焊接工藝評(píng)定規(guī)程》。

2.4.1 射線檢驗(yàn)

鎳基焊材修復(fù)完成后，對(duì)焊口進(jìn)行射線檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果符DL/T821-2002《鋼制承壓管道對(duì)接焊接接頭射線檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》要求（合格指標(biāo)：不低于DL/T821標(biāo)準(zhǔn)的Ⅱ級(jí)），結(jié)果合格。

2.4.2 拉伸試驗(yàn)

正常焊接焊縫拉伸試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 正常焊接焊縫拉伸試驗(yàn)參數(shù)

鎳基焊材修復(fù)焊縫拉伸試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 鎳基焊材修復(fù)焊縫拉伸試驗(yàn)參數(shù)

拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合GB/T2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》要求（合格指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度大于等于620 MPa），結(jié)果合格。

2.4.3 側(cè)彎試驗(yàn)

側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果符合GB/T2653-2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》要求（合格指標(biāo)：屈用強(qiáng)度大于等于440 MPa、彎曲角180°），結(jié)果合格。

正常焊接焊縫側(cè)彎試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3 正常焊接側(cè)彎試驗(yàn)參數(shù)

鎳基焊材修復(fù)焊縫側(cè)彎試驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

表4 鎳基焊材修復(fù)焊縫側(cè)彎試驗(yàn)參數(shù)

2.4.4 高溫拉伸試驗(yàn)

測(cè)試依據(jù)GB/T4338-2006金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法，如表5所示。

表5 高溫拉伸試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)高溫時(shí)效性能及持久強(qiáng)度性能，還需進(jìn)一步研究。

2.4.5 沖擊試驗(yàn)

正常焊接表面焊縫區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示，正常焊接表面熱影響區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示，正常焊接根部焊縫區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表8所示，正常焊接根部熱影響區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表9所示，鎳基焊材修復(fù)焊接表面焊縫區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表10所示。

表6 正常焊接沖擊試驗(yàn)表面焊縫區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表7 正常焊接沖擊試驗(yàn)表面熱影響區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表8 正常焊接沖擊試驗(yàn)根部焊縫區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表9 正常焊接沖擊試驗(yàn)根部熱影響區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表10 鎳基焊材修復(fù)焊接表面焊縫區(qū)沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

鎳基焊材修復(fù)焊接表面熱影響區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表11所示，鎳基焊材修復(fù)焊接根部焊縫區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表12所示，鎳基焊材修復(fù)焊接根部焊縫區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表13所示。

分析以上沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)，符合GB/T2650-2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》（合格指標(biāo)：沖擊吸收功大于等于41 J）規(guī)范要求，結(jié)果合格。

表11 鎳基焊材修復(fù)焊接表面熱影響區(qū)沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表12 鎳基焊材修復(fù)焊接根部焊縫區(qū)沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表13 鎳基焊材修復(fù)焊接根部熱影響區(qū)沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4.6 硬度檢驗(yàn)

P92鋼管正常焊接接頭平均硬度如表14所示，鎳基焊材修復(fù)焊接接頭平均硬度如表15所示。

表14 正常焊接焊接接頭平均硬度HV

表15 鎳基焊材修復(fù)焊接焊接接頭平均硬度HV

線1～線3分別為距試樣上表面小于等于2 mm的平行線、距試樣下表面小于等于2 mm的平行線、由試件上表面至下表面的母材區(qū)域的垂直線。由表可知，焊縫硬度值符合GB/T2654-2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》要求。

2.4.7 金相檢驗(yàn)

依據(jù)《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》（DL/ T884-2004）進(jìn)行金相檢驗(yàn)。經(jīng)宏觀金相檢驗(yàn)，正常焊接及鎳基修復(fù)焊接焊縫及熱影響區(qū)周圍均無(wú)裂紋、未焊透、未熔合、氣孔和夾渣等缺陷，焊縫完好，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

正常焊接的微觀金相檢驗(yàn)：通過(guò)對(duì)焊縫、熱影響區(qū)、母材的微觀分析可知，焊縫組織為回火馬氏體組織，板條特征明顯，馬氏體板條清晰完整，組織合格；熱影響區(qū)和母材均為回火索氏體組織，組織合格。

鎳基修復(fù)焊接的微觀金相檢驗(yàn)：通過(guò)對(duì)焊縫、熱影響區(qū)、母材的微觀分析可知，焊縫組織為單相奧氏體，組織合格；熱影響區(qū)組織為馬氏體和類馬氏體，組織合格；母材組織為回火馬氏體，組織合格。

3 結(jié)論

（1）在原焊口及修復(fù)焊接過(guò)程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)及記錄均滿足試驗(yàn)要求。

（2）采用鎳基焊材作為P92鋼臨時(shí)性修復(fù)焊接試驗(yàn)是可行的，該工藝具有可行性。

（3）各項(xiàng)常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果值表明，用鎳基焊材進(jìn)行修復(fù)試驗(yàn)是可行的，但對(duì)于高溫時(shí)效性能及持久強(qiáng)度性能，還需進(jìn)一步研究。

[1]華能電廠《P91、P92鋼管道現(xiàn)場(chǎng)焊后熱處理工藝導(dǎo)則》[EB/OL].https://wenku.baidu.com/view/50191eb9e45c3b 3566ec8b6f.html.

[2] 華能電廠《P91、P92鋼焊接質(zhì)量檢驗(yàn)導(dǎo)則》[EB/OL].https：// wenku.baidu.com/view/b0fcc1e1f12d2af90242e6f7.html.

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[4]楊富，章應(yīng)霖，任永寧.新型耐熱鋼焊接[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

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[6]《火力發(fā)電廠焊接熱處理規(guī)程》（DL/T819-2010）[S].

Page 129且質(zhì)量穩(wěn)定、無(wú)明弧刺激和噪聲污染的特點(diǎn)。

圖2 筒體焊接外觀成形Fig.2 Barrel welding appearance molding

（2）無(wú)清根焊接技術(shù)有利于控制坡口的形狀和尺寸，規(guī)避了傳統(tǒng)清根時(shí)所開(kāi)坡口形狀和尺寸不易控制的不足，并且提高了焊接質(zhì)量，使無(wú)損探傷合格率由原有的90%提升到了100%。

（3）工藝簡(jiǎn)單且焊接質(zhì)量穩(wěn)定。采用氣體保護(hù)焊打底為保障，既避免了傳統(tǒng)電弧焊打底時(shí)因夾渣、氣孔等缺陷需清根造成的噪聲污染和清根時(shí)的明弧刺激，又能規(guī)避現(xiàn)有技術(shù)中直接埋弧焊時(shí)需要在焊縫下端設(shè)置復(fù)雜的焊縫墊片裝置而造成根部氧化和根部缺陷，有效保證了接頭有效的熔合。

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Study on repairing the welding joints of P92 steel pipes by nickel welding materials

DU Jun
（Turbine Installation Company，Anhui Electric Power Second Engineering Company，CEEC，Hefei 230088，China）

P92 steel is new emerging ferritic heat-resisting steel.Up to now，the welding joints of P92 steel pipes have been all repaired in Chinabythematchingweldingmaterials.Afterwelding，additionalheattreatmentisrequired.However，multipletimesofheattreatmentslead to degradation in performance of the pipe wall and take a lot of time and cost.A series of experiments were carried out by our company on repairing the welding joints of P92 steel pipes.We operated welding procedures adopted in site construction using nickel-based welding materials，in case of the matching welding materials are not available during the temporary repair.We avoided heat treatment after repairing thustheeffectofmultiplethermalcyclesontheperformanceofthetubewasavoidedandseveralperformanceswereoperated.Theexperiments showed the following results：the welding joint tensile experiment using the nickel-based alloy after weld repairing was eligible，and the unknownfracturewasinparentmaterial；thehardnessvaluesofthe weld，heat affected zone and base metal met the requirements；the impact value of weld and heat affected zone met the requirements；metallographic structure was eligible.As a conclusion，it is feasible to use nickelbasedweldingmaterialsfortemporaryrepair,butfurtherstudyisneededonitshightemperatureagingperformanceandthelong-termstrength performance.

nickel-based welding material；repairing test；non-destructive inspection；mechanics study；feasibility

TG457

B

1001－2303（2017）08－0130-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.27

2017-03-28

杜 軍（1976—），男，高級(jí)工程師，主要從事焊接工作。E-mail：646875769@qq.com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：杜軍.鎳基焊材返修P92小徑管焊口工藝[J].電焊機(jī)，2017，47（08）：130-134.