G115鋼管埋弧自動(dòng)焊焊縫沖擊性能不足的原因分析及熱處理修復(fù)措施

田力男, 張豐收, 李俊峰, 白 麗, 王 魯, 喬立捷, 馮可云

(1. 華電電力科學(xué)研究院有限公司, 浙江 杭州 310030;2. 河南華電金源管道有限公司, 河南 鄭州 451162)

08Cr9W3Co3VNbCuBN (G115)鋼是國(guó)內(nèi)研發(fā)的一種新型馬氏體耐熱鋼,于2017年12月通過(guò)了全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)組織的市場(chǎng)準(zhǔn)入評(píng)審。G115鋼通過(guò)“選擇性強(qiáng)化”設(shè)計(jì)理念,在P92鋼的基礎(chǔ)上提高了固溶強(qiáng)化元素W的含量,增添了Co元素和沉淀析出強(qiáng)化元素Cu,通過(guò)合理控制B、N、Al元素的配比,實(shí)現(xiàn)了鋼在高溫下的復(fù)合強(qiáng)化[1-2]。G115鋼是目前能用于630 ℃蒸汽溫度等級(jí)的唯一非奧氏體耐熱鋼,其最高工作壁溫可達(dá)650 ℃[3]。

埋弧自動(dòng)焊(SAW)是一種電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的方法,焊接熔深和焊接效率都遠(yuǎn)高于手工電弧焊,并具有無(wú)弧光、少煙塵、勞動(dòng)保護(hù)好等諸多優(yōu)點(diǎn)。一直是國(guó)內(nèi)配管、修造單位對(duì)電站大直徑厚壁管道進(jìn)行工廠化預(yù)制的首選焊接方法[4]。

本文對(duì)大口徑厚壁G115鋼管進(jìn)行埋弧自動(dòng)焊及焊后熱處理后發(fā)現(xiàn),焊縫的沖擊吸收能量低于DL/T 868—2014《焊接工藝評(píng)定規(guī)程》對(duì)9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼不得小于41 J的規(guī)定。焊縫的沖擊性能直接關(guān)系到管道服役的安全性,必須對(duì)造成沖擊性能低的原因進(jìn)行分析,并提出修復(fù)措施。

1 SAW焊接過(guò)程

原材料采用規(guī)格為OD530 mm×115 mm的G115鋼管,焊接材料采用針對(duì)G115鋼研發(fā)的焊材,氬弧焊絲牌號(hào)為GTR-W93,埋弧焊絲牌號(hào)為GWR-W93,焊劑為GXR-93,表1為G115鋼和GWR-W93埋弧焊絲的化學(xué)成分。為保證根部質(zhì)量和后續(xù)埋弧焊的進(jìn)行,先用鎢極氬弧焊(GTAW)進(jìn)行打底,預(yù)熱溫度控制在200～220 ℃。打底完成后,埋弧焊的最高層間溫度控制在不超過(guò)300 ℃。焊接完成后,先冷卻到255 ℃并恒溫2 h以實(shí)現(xiàn)馬氏體的充分轉(zhuǎn)變,然后再進(jìn)行350 ℃×2 h的后熱消氫處理。圖1為G115鋼管SAW焊接的坡口形式及尺寸。

表1 G115鋼和GWR-W93埋弧焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

2 焊后熱處理

G115鋼屬于高合金馬氏體耐熱鋼,焊態(tài)組織為馬氏體,熔融狀態(tài)的焊縫金屬在快速冷卻過(guò)程中,Cr、W、V、Nb等溶質(zhì)元素來(lái)不及形成碳化物析出而只能固溶于焊縫金屬中,使焊縫的硬度提高,韌性降低,因此必須經(jīng)回火處理后方可服役。在回火處理過(guò)程中,溶質(zhì)元素形成碳化物從馬氏體中析出,馬氏體位錯(cuò)密度降低,得到的回火馬氏體組織具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

相比于碳鋼和低合金鋼,9%～12%Cr類高合金鋼需要較高的回火溫度,如P91/P92鋼的焊后回火溫度一般僅低于熔覆金屬Ac1點(diǎn)20～30 ℃[5]。由于G115鋼的焊接實(shí)踐還很不充分,未獲得新研制埋弧焊絲的有效Ac1數(shù)據(jù),因此只能根據(jù)G115鋼母材CCT曲線[6](如圖2所示)來(lái)確定實(shí)際回火溫度。從圖2可知,G115鋼的Ac1點(diǎn)為800 ℃, 故確定實(shí)際回火溫度為(785±5) ℃,保溫時(shí)間為14 h。采用整體熱處理方式,回火設(shè)備采用RSQ-15-11型箱式燃?xì)鉄崽幚頎t,升溫速率≤60 ℃/h, 降溫速率≤90 ℃/h, 內(nèi)外壁溫差控制在≤5 ℃范圍內(nèi), 降溫至300 ℃以下可不控溫。

圖2 G115鋼的CCT曲線[6]

3 焊縫力學(xué)性能

在G115鋼785 ℃回火后的焊縫和焊接熱影響區(qū)上各取6個(gè)沖擊試樣,試樣取自圖3所示的試塊3(圖中③⑥⑨為鐘點(diǎn)方向記號(hào),表示水平固定位置焊接時(shí)的定位標(biāo)記)。沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm,開有2 mm V型缺口。使用JB-300J型半自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī),按照DL/T 868—2014標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn),結(jié)果如表2所示。從表2可知,G115鋼焊縫(Weld zone,WZ)和熱影響區(qū)(Heat affected zone,HAZ)的沖擊吸收能量均小于DL/T 868—2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低值41 J的要求。

表2 G115鋼焊縫和熱影響區(qū)的沖擊吸收能量(J)

沿焊縫厚度方向分上下兩層共加工4個(gè)橫向側(cè)彎試樣,試樣取自圖3所示的試塊2。橫向側(cè)彎試樣尺寸為57.5 mm×10 mm×260 mm,使用WEW-600D型微機(jī)屏顯式液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),按照標(biāo)準(zhǔn)DL/T 868—2014進(jìn)行橫向側(cè)彎試驗(yàn),彎曲角度為180°。試驗(yàn)結(jié)果有兩個(gè)試樣開裂,一個(gè)為約2 mm的裂紋,另一個(gè)為小于1 mm的裂紋,開裂處均位于焊縫區(qū),側(cè)彎試樣的開裂與焊縫沖擊性能低的結(jié)果相吻合。

圖3 焊縫取樣位置圖

采用TIME 5306型便攜式里氏硬度計(jì)按照DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》對(duì)G115鋼焊縫沿圓周方向(90°、180°、270°、360°)檢測(cè)4個(gè)位置的硬度,測(cè)得焊縫平均硬度值為185 HBW。焊接熱處理后臨近母材(Base metal,BM)的平均硬度值為176 HBW,可見G115鋼焊接接頭熱處理后焊縫的硬度高于鄰近母材,這一結(jié)果在一定程度上也解釋了側(cè)彎試驗(yàn)開裂于焊縫上而不是鄰近母材上的現(xiàn)象。

4 分析與討論

G115鋼管SAW焊接后進(jìn)行磁粉、超聲及X射線檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)內(nèi)外部焊接缺陷,因此可以排除是焊接缺陷導(dǎo)致的焊縫沖擊性能不足,因此重點(diǎn)分析焊接方法、焊接材料及焊后熱處理制度的變化所產(chǎn)生的影響。

4.1 焊接方法對(duì)沖擊性能的影響

P91/P92鋼的焊接實(shí)踐表明,焊接時(shí)層間溫度要盡可能低,以控制一次結(jié)晶奧氏體的晶粒尺寸,從而保證得到細(xì)晶的馬氏體組織,因此G115鋼手工電弧焊時(shí)采取的層間溫度不宜超過(guò)250 ℃,但在SAW時(shí),如果層間溫度還要保持不超過(guò)250 ℃,則在整個(gè)SAW過(guò)程中必須經(jīng)常暫停降溫,無(wú)法保證連續(xù)作業(yè),所以將SAW的最高層間溫度提高到不超過(guò)300 ℃,而更高的層間溫度可能對(duì)沖擊性能帶來(lái)不利影響。

文獻(xiàn)[7]給出了相同條件下P92鋼鎢極氬弧焊(GTAW)、手工電弧焊(SMAW)及埋弧自動(dòng)焊焊縫的一組沖擊性能,據(jù)此進(jìn)行比較(如圖4所示)可以看出,氬弧焊焊縫的沖擊性能最好,手工電弧焊的沖擊性能可滿足DL/T 868—2014要求,而埋弧自動(dòng)焊的沖擊性能最差。正因?yàn)镾AW焊接熱輸入量大,層間溫度控制上限不得不有所提高的特點(diǎn),對(duì)SAW焊縫的焊后熱處理就顯得更為重要。

圖4 P92鋼不同焊接方法焊縫的沖擊性能

4.2 焊材Ac1溫度分析

如前所述,由于研發(fā)的新型G115鋼埋弧焊絲產(chǎn)品還未最終定型,其出廠文件僅提供了化學(xué)成分,而沒有提供焊絲的Ac1溫度,所以實(shí)際的焊后回火溫度無(wú)法根據(jù)焊絲的Ac1溫度來(lái)確定,而僅是根據(jù)G115鋼母材的CCT曲線來(lái)推定的。為分析造成焊縫沖擊韌性不足的原因,本文采用JMatPro軟件,通過(guò)輸入焊絲的化學(xué)成分,對(duì)其Ac1點(diǎn)進(jìn)行了熱力學(xué)模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見圖5,從圖5中得到熔覆金屬的Ac1計(jì)算值為777.76 ℃,低于G115鋼母材的Ac1點(diǎn)。

圖5 G115鋼埋弧焊絲的JMatPro模擬計(jì)算結(jié)果

從表1可以看出,與G115鋼母材相比,埋弧焊絲材料提高了Ni元素的含量,Mn含量接近母材成分的上限,W、Co元素含量與母材成分的下限值相當(dāng),這種做法是為確保焊縫金屬的綜合力學(xué)性能。由于Ni和Mn都是降低Ac1點(diǎn)的元素, W和Co是提高Ac1點(diǎn)的元素,因此定性而言,埋弧焊絲材料的Ac1溫度應(yīng)該低于G115鋼母材。這一定性分析結(jié)論與上述熱力學(xué)模擬計(jì)算結(jié)果是吻合的。

4.3 焊后回火溫度分析

熱處理過(guò)程設(shè)定恒溫溫度785 ℃,從熱處理實(shí)際測(cè)溫記錄看出,工件實(shí)際回火溫度范圍在780～790 ℃,比熱力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算的Ac1值高出近20 ℃。圖6為G115鋼785 ℃回火后焊縫和母材的顯微組織,可見焊縫存在淬火馬氏體與其他少量非馬氏體組織組成的不完全相變組織,如圖6(a)標(biāo)記區(qū)域所示,這說(shuō)明實(shí)際回火溫度確實(shí)高于Ac1導(dǎo)致焊縫在回火時(shí)進(jìn)入了兩相區(qū)。而母材中未觀察到這種異常組織,如圖6(b) 所示。

圖6 G115鋼785 ℃回火后焊縫(a)和母材(b)的顯微組織

一般地,9%Cr鋼在回火溫度不超過(guò)Ac1點(diǎn)時(shí),回火溫度越高,保溫時(shí)間越長(zhǎng),可以在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上有效提高焊縫金屬的沖擊性能。這是因?yàn)樵贏c1點(diǎn)下,隨著回火溫度升高,淬火馬氏體的過(guò)飽和固溶度下降,析出的碳化物增多,而且碳化物又不至于在此溫度下粗化長(zhǎng)大。所以在擬定焊后熱處理工藝時(shí),回火溫度的選取應(yīng)盡量貼近而不超過(guò)Ac1溫度,并延長(zhǎng)保溫時(shí)間,以期得到良好的沖擊性能。但是,如果實(shí)際回火溫度超出Ac1點(diǎn),處于Ac1～Ac3之間,則可能會(huì)產(chǎn)生以下幾方面的效應(yīng):①形成的含有淬火馬氏體的不完全相變組織會(huì)使強(qiáng)度提高、韌性下降。②在Ac1～Ac3溫度范圍內(nèi),回溶合金元素增多,固溶強(qiáng)化作用增加,沉淀強(qiáng)化作用減少,而固溶強(qiáng)化的增加使強(qiáng)度提高、韌性下降,沉淀強(qiáng)化的減少使強(qiáng)度下降、韌性提高。③馬 氏體的亞結(jié)構(gòu)及位錯(cuò)密度下降,使得強(qiáng)度下降、韌性提高。④回火溫度超過(guò)Ac1時(shí),過(guò)長(zhǎng)的保溫時(shí)間很可能使碳化物發(fā)生長(zhǎng)大和粗化,從而使強(qiáng)度和韌性均下降。這幾種效應(yīng)同時(shí)起作用,難以量化分析,可通過(guò)表3的形式進(jìn)行總結(jié)分析。

表3 回火溫度超過(guò)Ac1點(diǎn)所產(chǎn)生的效應(yīng)對(duì)9%Cr鋼沖擊性能的影響

綜上所述,G115鋼SAW焊接及785 ℃回火后沖擊性能低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的原因是:焊縫的回火溫度是按照G115鋼的CCT曲線確定的,而這一溫度超出了熔覆金屬的Ac1點(diǎn),由此產(chǎn)生的不完全相變組織、固溶強(qiáng)化作用增加、沉淀強(qiáng)化作用減少、亞結(jié)構(gòu)位錯(cuò)密度降低及碳化物長(zhǎng)大粗化等多種效應(yīng)綜合作用,此消彼長(zhǎng),最終表現(xiàn)為焊縫的沖擊性能降低。

5 對(duì)韌性不足的熱處理修復(fù)

5.1 修復(fù)措施

針對(duì)因回火超溫造成焊縫韌性不足的問題,可通過(guò)正火后重新進(jìn)行回火予以調(diào)整修復(fù),合適的正火溫度既要保證全部奧氏體化和碳化物充分回溶,又不能因溫度太高造成晶粒粗大。文獻(xiàn)[6, 8]研究認(rèn)為,G115鋼有3個(gè)關(guān)鍵的正火溫度:1040、1080和1140 ℃。1040 ℃以下正火時(shí)有大量析出相未回溶;1080～1140 ℃正火時(shí)還剩少許殘余析出相未回溶,仍能有效釘扎晶界,阻止晶粒長(zhǎng)大,晶粒尺寸變化緩慢;1140 ℃以上正火時(shí)析出相完全回溶,失去釘扎晶界作用,晶粒尺寸大幅度增加。因此,制定的正火溫度為(1080±5) ℃,保溫時(shí)間為3 h,升溫速度≤60 ℃/h,300 ℃以下可不控制升溫速率,冷卻方式為空冷至室溫。再根據(jù)焊縫金屬Ac1計(jì)算值重新制定回火溫度為(770±5) ℃,保溫時(shí)間為6.5 h,升溫速度≤60 ℃/h,300 ℃以下可不控制升溫速率,冷卻方式為空冷至室溫。正火+回火熱處理在高溫電阻爐內(nèi)進(jìn)行,電阻爐精度為±5 ℃。

5.2 修復(fù)后的焊縫性能

G115鋼重新正火和回火后,切取10 mm厚、77 mm長(zhǎng)的全壁厚(115 mm)焊接接頭試塊,分別測(cè)試焊縫、熱影響區(qū)及母材不同區(qū)域的硬度值,結(jié)果如表4所示。可以看出,通過(guò)正火和回火處理后,焊縫、熱影響區(qū)及母材的硬度分布均勻。

表4 G115鋼經(jīng)重新正火和回火后焊縫、熱影響區(qū)及母材硬度(HBW)

圖7為G115鋼重新正火和回火后焊縫內(nèi)側(cè)、中心和外側(cè)的顯微組織,均為板條狀回火馬氏體,未觀察到如圖6(a)所示的不完全相變組織。

圖7 G115鋼重新正火和回火后焊縫的顯微組織

G115鋼重新正火和回火后焊縫和熱影響區(qū)不同區(qū)域的沖擊吸收能量如表5所示。與表2相比,重新正火和回火后焊縫和熱影響區(qū)的沖擊吸收能量大幅提高,分別比修復(fù)前提高約3.3倍和5.9倍,均遠(yuǎn)高于DL/T 868—2015要求。

表5 G115鋼正火加回火后焊縫和熱影響區(qū)的沖擊吸收能量(J)

6 結(jié)論

1) 由于G115鋼SAW焊接后的回火溫度高于熔覆金屬的Ac1點(diǎn),產(chǎn)生的不完全相變組織、固溶強(qiáng)化作用增加、沉淀強(qiáng)化作用減少、亞結(jié)構(gòu)位錯(cuò)密度降低及碳化物長(zhǎng)大粗化等多種效應(yīng)交互作用,最終導(dǎo)致焊縫的沖擊性能低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

2) 通過(guò)1080 ℃×3 h正火+770 ℃×6.5 h回火的熱處理修復(fù),可使G115鋼焊縫的沖擊性能得到大幅提升,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3) G115鋼SAW焊接所用埋弧焊絲GWR-W93的化學(xué)成分相對(duì)于母材而言,Ni含量提高,Mn含量接近母材上限,而W、Co含量與母材下限相當(dāng),從而使熔覆金屬的Ac1溫度比母材低約20 ℃。

4) 制定焊后熱處理工藝時(shí),不僅要考慮母材的Ac1溫度,還要盡可能獲得焊接材料的Ac1溫度,必要時(shí)可通過(guò)熱力學(xué)數(shù)值計(jì)算等手段進(jìn)行有效模擬。