P92焊接的主要问题及对策

SA335－92钢大口径厚壁管道

焊接的主要问题及对策研究

上海电力建设有限公司林志华吴明生2/4/20231摘要本文阐述了SA335－P92钢大口径厚壁管道焊接中存在的主要问题，并从焊接和热处理工艺方面提出解决问题的对策措施。关键词P92钢焊接问题对策

2/4/20232一．P92钢的化学成份和主要性能2/4/202331．P92钢的化学成份及特点

SA335－P92钢是在P91钢的基础上添加W元素，适当减少Mo元素的含量，开发出来一种新型钢种，适用蒸汽温度在580～620℃的超超临界机组厚壁部件材料。

其化学成份见表1。2/4/20234表1：SA335－P92钢化学成份（%）

CMnPSSiCrWMoVNbNBAlNi0.07～0.130.30～0.60≤0.020≤0.010≤0.508.50～9.501.50～2.000.30～0.600.15～0.250.04～0.090.030～0.0700.001～0.006≤0.040≤0.40从表中可以看出P92钢化学成份的特点是低的含碳量，低的P、S含量及具有微量的Nb、Al、N、B和较低的V含量。2/4/202352．P92钢的主要性能（1）具有良好的物理性能P92钢的线膨胀系数与P91钢相同，比奥氏体钢低，甚至还低于P22钢的线膨胀系数，故P92钢在机组启动和停止时，抗疲劳损伤的能力不仅会优于奥氏体钢，也会比P22钢强，导热率与P91钢相同，比奥氏体钢高。2/4/20236T91/P91、T92/P92、T22/P22和TP316钢的线膨胀系数和热导率见图1、图2所示2/4/20237图1T91/P91、T92/P92、T22/P22图2T91/P91、T92/P92、T22/P22

和TP316钢的线膨胀系数比较和TP316钢的热导率比较2/4/20238（2）具有比P91钢更高的高温蠕变断裂强度P92钢的常温强度和高温强度高于P91钢。根据各国测试结果，按照ASME标准估算出来的550℃、600℃和625℃等不同温度下10万小时P92钢的蠕变断裂强度分别为199Mpa、131Mpa和101Mpa；而P91钢在相应温度下的蠕变断裂强度分别为141Mpa、98Mpa和68Mpa。可以明显地看到P92钢的高温蠕变强度比P91钢高出很多。几种钢的高温蠕变强度比较见图3所示。2/4/20239图3几种钢的高温蠕变强度比较2/4/202310（3）具备优异的常温冲击韧度从P92（NF616）钢的冲击韧度一温度曲线图所示，它和P91钢的情况大致相同，远比EM12（9Cr2MoVNb）钢的韧度好。P92钢不仅具有比传统钢明显优越的高温性能，而且还有优异的常温韧度。2/4/202311图4T91、HCM12、X20等钢的图5P92钢的冲击值-试验温度曲线常温韧度比较2/4/202312（4）具备优良的抗氧化性能

P92钢的抗烟灰氧化和抗水蒸汽氧化性能与P91钢大致相同。经测试，P92钢与P91钢在600℃、700℃下3000小时的水蒸汽氧化皮厚度大致相同。（5）P92钢的焊接裂纹敏感性比传统的铁素体耐热钢低。从斜Y拘束试验测试图中，可以看出P92钢只需预热到100℃，P91钢需要预热到180℃裂纹率为零，而P22钢需预热到300℃才能达到。T91、T22、P92钢裂纹率如图6、图7所示。2/4/202313图6HCM2S、T91、T22钢的斜Y图7P92钢斜Y型拘束裂纹

型拘束裂纹试验结果比较试验结果2/4/202314二．P92钢焊接性的主要问题及对策2/4/2023151．焊缝韧度（1）整个焊接接头的薄弱环节在焊缝，表现为焊缝韧度比母材低很多，尤其是厚壁构件，见图8所示。图8P91钢焊接接头韧度（厚壁大径管）2/4/202316（2）影响焊接韧度的因素1)焊接线能量，预热和层间温度对焊缝韧度的影响。由于P92钢的焊缝韧度性能与P91钢基本相同，从P91模拟热循环试样韧度与t8/5的关系图9中也可以了解P92钢的韧度与t8/5的关系。图9说明试样的韧度对线能量，对800～500℃区间的冷却速度极其敏感。图中焊缝韧度随着t8/5的增加而降低，当t8/5超过100s后，焊缝韧度降得更厉害，如图中曲线1所示。当工件形状和尺寸确定以后，t8/5就由焊缝线能量，预热温度和层间温度确定。过大的焊接线能量，过高的预热温度和过高的层间温度都会增大t8/5，导致低劣的焊缝韧度。（*）2/4/202317图9P91模拟热循环试样韧度与t8/5的关系

从对P92钢大口径厚壁管焊接接头性能的试验研究中证实了上述的观点。试验时在相同焊接位置，相同的焊接工艺条件下，焊道层的增厚（即焊接线能量的增大）对熔敷金属的冲击韧度的影响明显。在其他焊接工艺条件相同的情况下，层间温度的高低对熔敷金属冲击韧度也有影响。2/4/2023182)焊后热处理温度对焊缝韧度的影响。在临界温度AC1以下，提高焊后回火温度或延长回火时间都有利于使马氏体得到尽可能充分的回火和提高焊缝韧度。图10为焊后高温回火时的回火温度和回火保温时间对焊条电孤焊焊缝金属韧度和硬度的影响。图中数据代表的是焊缝金属分别为Thyssen9v和ThermanitMTS焊条焊接的熔敷金属（*）2/4/202319图10PWHT时间对焊缝韧性的影响(a)PWHT

条件对P91钢熔敷金属韧度的影响(b)PWHT

条件对P91钢熔敷金属硬度的影响2/4/202320P92钢焊后热处理温度由于受焊缝金属AC1的限制，现推荐的焊后热处理温度为760±10℃。热处理温度对P92钢焊缝韧度影响很大。经试验研究在推荐的焊后热处理温度范围之内热处理时可确保焊缝的冲击功＞41J的指标；热处理温度在740℃时则必须延长恒温时间，焊缝的冲击功才能达到41J以上；而热处理温度为730℃时，焊缝的冲击功＜41J不能满足P92钢焊缝韧度指标的要求。由此可见热处理温度对P92钢焊缝的韧度影响特别敏感。2/4/202321现超超临界机组的主蒸汽管P92钢的壁厚已达100mm，随着壁厚的增厚热处理时造成的内外壁温差也随之增大，由于P92钢热处理温度范围比较窄，焊接接头的内壁局部焊缝热处理温度很可能处在热处理温度下限之下。这部分焊缝的韧性则很难达到规定值，从而使整个焊接接头的性能处于不均匀状态，这给施工现场P92钢大口径厚壁管焊后热处理带来了一定的难度。加上目前的热处理设备的测温系统还存在不同程度的测量误差及热电偶采用绑扎的固定位置形式这些因素都将影响热处理温度的精确性，并直接影响焊接接头的韧度。2/4/202322（3）提高焊缝韧度的对策1)严格按焊接工艺评定控制焊接施工中的焊接线能量、预热温度和层间温度则有利于提高焊缝的韧度。a.焊接线能量焊接线能量的输入大小对焊缝韧度的影响关系密切。线能量输入过大t8/5也随之增大则韧度下降。由于焊接线能量的大小在工程实际中执行起来比较抽象焊工在实际操作过程中很难把握。工程中将焊接线能量的大小，具体反映在控制每层焊道层的增厚上。增厚层越高则线能量越大，反之则越小。（在电弧电压不变的情况下，焊接线能量的大小，由焊接电流和焊速决定。在焊接电流又不变的情况下，焊接线能量大小则由焊速来决定。焊速快易获得薄层焊道的增高则体现为焊接线能量小。）经试验研究P92钢焊接时控制每层焊道的焊缝增高厚度≤2.5mm时，熔敷金属的冲击功可达到41J以上。改变操作时的焊接运条方法即采用快速宽摆焊则更容易获得焊缝增厚≤2.5mm的薄层焊道，摆动幅度控制在25mm左右，有利于焊缝成型同时可减少焊缝夹渣类缺陷。2/4/202323b.层间温度在对P92钢层间温度对焊缝韧度影响的试验中，层间温度控制在150～200℃时的焊缝韧度比层间温度在200～250℃时来的高，综合工程实际情况层间温度在200～250℃时，取下限200℃左右更有利于控制t8/5的增大，提高焊缝的韧度。目前工程对层间温度的测温存在着误区。现层间温度的测温是在坡口边缘10mm处设一个热电偶并以该处热电偶的温度来代表焊缝层间温度，这是很不科学的。按AWSD1.5M/D1.5:2000对层间温度（道间温度）的解释：多道焊中在下一道开始前焊道的温度为焊缝的层间温度。层间温度测量方法的不正确会直接影响层间温度的控制，过高的层间温度会增大t8/5不利焊缝的韧度，焊接施工时层间温度的测量可采用远红外激光测量仪或测温笔对下一道开始前焊缝的温度进行测量。2/4/202324c.预热温度P92钢的焊接裂纹敏感性比传统的铁素体耐热钢来的低，图7中表示P92钢斜Y型拘束裂纹试验结果的预热温度为100℃。但考虑施工中的环境温度和拘束情况工程中的预热温度在试验结果的基础上再加50℃，所以P92钢的预热温度以150℃为宜，可保证焊接时焊缝不出现冷裂纹。过高的预热温度会影响t8/5的增大，导致焊缝韧度的下降。焊接施工中对预热温度的测温方法与层间温度相同，同样存在着误导，经现场对φ546×100mm的P92钢焊前预热温度的测量，坡口边缘10mm处的热电偶连接的表记温度达150℃时，坡口根部处的实际温度只有50℃，在这种情况下进行TIG打底焊，很容易产生根部裂纹，焊接施工时必须引起高度的重视。目前工程中大口径厚壁管的焊前预热均采用电阻加热，这种加热法造成的管内外壁温差大，而且预热升温速度也慢，如改用电感应加热可缩小内外壁温差容易提升坡口根部处的温度，预热升温速度也快，再配以正确的测温法，预热温度完全可控，打底焊缝的裂纹问题不仅可彻底解决，还有利于提高焊缝的韧度。2/4/2023252)改电阻加热法为电感应加热法热处理以提高焊缝韧度热处理温度对P92钢的焊缝韧度的影响是敏感的，由于P92钢的热处理最佳温度760±10℃温度范围相对比较窄，现电站施工中焊后热处理普遍采用的是电阻加热设备，这种加热设备在对P22钢大口径厚壁管φ558×90mm热处理时测得的管内外壁温差最小为33℃最大为54℃，此时管内壁温度处在730℃左右，而焊缝热处理温度在730℃时的冲击功＜41J。采用先进的Proheat35型电感应加热设备在同等条件下做热处理测得的内外壁温差最小值为14℃最大为16℃，远比电阻加热法来得小，此时的管内壁温度接近760℃±10℃mm范围之内，热处理时加上合理的恒温时间，可确保整个焊接接头的焊缝韧度在规定的指标以上。为确保热处温时温度的精确性，施工前必须对热电偶，补偿导线及仪表进行校验，以减小测温误差。热电偶的固定采用储能压焊的方法，使热电偶的热端与焊接牢固地接触。这种固定法较绑扎法好，测温准确可靠。这些措施对提高焊缝的韧度都是十分有利的。2/4/2023262．时效倾向（1）P92钢具有时效倾向P92钢时效倾向如图11所示图11P92钢时效倾向2/4/202327从图中可以看到，P92钢经3000小时时效后，其韧度下降了许多。P92钢的冲击功从时效前的220J左右降到了70J左右，在3000小时时效以后，冲击功继续下降的倾向不明显，冲击功将稳定在时效3000小时的水平。时效倾向发生在550～650℃的范围内，这个温度范围正是该钢材的工作温度范围。母材具有明显的时效倾向，与母材成分相近的焊缝也会有同样的倾向。研究发现，这些钢在时效过程中会析出两种新相，一种是由Cr、W、Mo等合金元素与Fe、Si形成的金属间化合物，称为Laves相；另一种是数量很少，其结构和性质尚不清楚的Z相。Laves相是颗粒大的脆性析出物，它导致了材料的韧度恶化。（*）2/4/202328（2）解决焊缝金属时效后韧度不足的途径1)提高焊缝金属时效前的原始韧度，为时效留出足够的余量。提高焊缝金属时效前的原始韧度在前面已就焊接线能量，预热温度层间温度和焊接热处理温度对焊缝韧度的影响及提高焊缝韧度的对策，都是为提高焊缝金属时效前的原始韧度为时效留出足够的余量而进行的，这里不再作叙述。但有一点必须注意，不要片面地追求过高的冲击功，而忽略了焊缝金属的高温性能。二者必须综合考虑。2)尽量设法降低时效前后韧度的降低幅度。从焊缝金属成份的选择着手，在设计焊缝成分时，限制Si含量，控制焊缝金属的Si含量可能是有助于确保焊缝金属时效后韧度的有利措施。2/4/2023293．焊接裂纹敏感性经一系列的试验和测试证明P92钢的焊接裂缝的敏感程度较传统铁素体耐热钢低。但并不等于P92焊接时就不会产生焊接裂纹，特别是大厚构件的焊接，如果没有正确把握好防止焊接裂纹产生的各项条件。焊接裂纹产生的机率还是有的，面前提到的大厚件工件焊接预热时温度的测量，这种测量预热温度方法的不正确性导致工件焊接处的温度远低于规定的预热温度，在这种状态下焊接完全可能产生焊接裂纹。所以正确理解和把握好防止焊接裂纹的各项条件，从细节处着手就显得很重要。2/4/2023304．焊缝中的δ相P92钢中由于含有众多的铁素体形成元素，大大扩大了高温一次结晶的铁素体----δ铁素体的区域，很容易出现δ相。它会明显降低材料的蠕变断裂强度和冲击韧度，是一种不希望出现的组织，如图12所示。（*）