马氏体耐热钢的焊接技术和质量控制

目录第一部分新型马氏体耐热钢焊接性分析第二部分P92钢焊接工艺研究第三部分焊接质量控制本文档共65页；当前第1页；编辑于星期二\22点38分第一部分新型马氏体耐热钢焊接性分析本文档共65页；当前第2页；编辑于星期二\22点38分管道钢F12、F11、P91、P92、P122、P911、NF12、SAVE12日本转子钢TR1100、TR1500、TR1200、HR1200日本转子钢TOS101、TOS107、TOS110欧洲转子钢COSTF、COSTE、COSTB欧洲汽缸材料G-X12CrMoVNb91、G-X12CrMoVNbN1011

日本汽缸材料TOS301、TOS302、TOS3039-12％Cr马氏体耐热钢家族本文档共65页；当前第3页；编辑于星期二\22点38分SC/USC用新型耐热钢依靠进口国内无法生产SC/USC机组所需关键材料从国外引进先进成熟材料是发展我国超超临界发电技术的最快捷和现实的途径本文档共65页；当前第4页；编辑于星期二\22点38分需要解决的问题新型耐热钢的焊接、热处理等加工工艺；新型电站用钢的使用性能，如高温长时力学性能、疲劳性能、抗蒸汽氧化、烟气腐蚀性能、运行条件下的组织变化规律进行全面研究；金属监督、状态与寿命评估技术研究。------如何获得质量合格的焊接接头，保证工程建设进度，满足机组长期安全运行，成为最为关键的技术难题之一

本文档共65页；当前第5页；编辑于星期二\22点38分运行组织稳定性位错密度的降低；E911、P92、P122由于含W，容易析出Fe2（W、Mo）Laves相；P122中的Cu促进Laves相的析出；蠕变中后期Z相Cr(Nb,V)N析出；

稳定性：P91>E911>P92>P122本文档共65页；当前第6页；编辑于星期二\22点38分马氏体耐热钢的性能特点以P91为代表的9-12％Cr马氏体钢具有良好的综合性能（高温强度、韧性等）；马氏体钢与常规的低合金耐热钢的显著差别是性能对组织异常敏感，制造、安装和运行中导致的组织波动都会导致性能的较大变化。本文档共65页；当前第7页；编辑于星期二\22点38分高温持久强度（许用应力）P92－600℃10万小时持久强度

1999年ASME锅炉和压力容器委员会批准将A335P92钢作为规范案例列入ASMEA335材料标准（2000版案例2179-3），持久强度为132MPa。但高温管道（主汽、热段）设计依据的规范ASMEB31.1至今还未将其纳入2002年德国V&M公司已进行到7万h蠕变试验，外推的持久强度比ASME案例中的值低约10%ECCC2005年持久强度评价值为113MPa，较ASME案例中的值低约14%P122－许用应力(MPa)575℃600℃625℃ASME1078361METI1008565SHC1006846

本文档共65页；当前第8页；编辑于星期二\22点38分西安会议超超临界主汽管材料会议纪要

本文档共65页；当前第9页；编辑于星期二\22点38分服役期间冲击功的变化P122：100－125JP92：150JE911：180JP91：240J运行1万小时后40J运行后70J运行后60J运行后180J含W钢的冲击功在一万小时内下降显著，之后趋于稳定，对母材尚能满足使用要求。对焊接接头需要有一定韧性的储备。本文档共65页；当前第10页；编辑于星期二\22点38分新型马氏体耐热钢焊接性分析焊接接头的脆化

●粗晶组织引起

●导致接头的韧性降低－－在焊接过程中应使用较低的焊接线能量－E=60UI/V(J/cm本文档共65页；当前第11页；编辑于星期二\22点38分新型马氏体耐热钢焊接性分析热影响区的软化

●AC1~AC3之间部分奥氏体化，沉淀强化相不能够完全溶解在奥氏体中，粗化，强度降低。

●软化对短时高温拉伸强度影响不大，但降低持久强度，产生Ⅳ型裂纹。

本文档共65页；当前第12页；编辑于星期二\22点38分Ⅰ型蠕变裂纹：发生在焊缝中的蠕变裂纹Ⅱ型蠕变裂纹：发生在焊缝中的蠕变裂纹向焊接热影响区扩展Ⅲ型蠕变裂纹：发生在粗晶区的蠕变裂纹(再热裂纹)Ⅳ型蠕变裂纹：发生在细晶粒软化区的蠕变裂纹Ⅴ型蠕变裂纹：发生在熔合区的蠕变裂纹Ⅵ型蠕变裂纹：发生在母材应力集中处的疲劳裂纹焊接接头蠕变裂纹的分类ⅥⅤ熔合区裂纹疲劳裂纹本文档共65页；当前第13页；编辑于星期二\22点38分P91集箱与P91端盖环焊缝焊接热影响区发生Ⅳ型开裂运行：3.65万小时冷启动：72次热启动：469次本文档共65页；当前第14页；编辑于星期二\22点38分P91、P92、E911、P122均有IV开裂敏感性；IV型开裂的破坏性很大；－设计上考虑余量；－焊接工艺优化－－焊接线能量不宜大，预热温度不能过高等；－管系支吊调整、早期诊断可减小风险。本文档共65页；当前第15页；编辑于星期二\22点38分新型马氏体耐热钢焊接性分析焊接冷裂纹（延迟裂纹）

●冷却过程中在Ms点以下或更低的温度范围内形成

●三要素：淬硬组织、氢元素、应力

●冷裂纹敏感性T23→P22→P122→P91→P22－－预热及层间温度低氢型焊条，严格烘培和保温工艺；尽量减少拘束度；消氢或及时热处理。本文档共65页；当前第16页；编辑于星期二\22点38分焊接接头的化学成分保证综合性能提高可焊性合金元素的作用和优化控制焊接材料开发商完成本文档共65页；当前第17页；编辑于星期二\22点38分焊接接头的组织新型马氏体耐热钢的组织包括焊接接头的组织均为马氏体马氏体板条的位向、大小、原奥氏体晶粒度、碳化物的类型、形状、分布等在BM、HAZ、WM的分布有或大或小的差异本文档共65页；当前第18页；编辑于星期二\22点38分

P92焊接接头PWHT（740℃×4h）后的宏观和微观组织形貌本文档共65页；当前第19页；编辑于星期二\22点38分

P92焊接接头焊缝金属的TEM像ａ）焊态ｂ）PWHT本文档共65页；当前第20页；编辑于星期二\22点38分焊接接头的蠕变性能焊缝金属的蠕变断裂强度低于母材随着持久断裂时间的增加，焊缝金属的蠕变断裂强度与母材的差距越来越大高温蠕变试验的失效位置多在HAZ的外侧，即靠近母材的HAZ，软化区焊接接头的失效模式受控于HAZ本文档共65页；当前第21页；编辑于星期二\22点38分第二部分P92钢焊接工艺研究本文档共65页；当前第22页；编辑于星期二\22点38分马氏体耐热钢的焊接F11、F12本身成分设计上有缺陷，导致焊接困难；后续的9-12％Cr马氏体钢通过合金成分优化焊接性能有较大幅度的改善；P91国内已经应用10余年，在其焊接方面已经积累了丰富的经验；《T91/P91钢焊接工艺导则》是国内P91钢的焊接技术的里程碑。本文档共65页；当前第23页；编辑于星期二\22点38分P91基础上开发的P92、P911、P122等新钢种在焊接上没有本质的区别；国内对这类钢的焊接还存在什么问题？特殊性在哪里？本文档共65页；当前第24页；编辑于星期二\22点38分新型马氏体需要什么样的焊接接头？没有焊接缺陷；组织以回火马氏体为主，合理的析出相数量、尺寸、分布；异常组织的控制（delta－铁素体、过度回火组织等）；与母材的合理的强度匹配；足够的韧性储备，以应对运行中的脆化。本文档共65页；当前第25页；编辑于星期二\22点38分关注焦点－焊接接头的性能随着技术进步，大多数的高温焊接接头中已不存在影响使用安全性的宏观缺陷

中间探伤规定是否合理？

关注组织的不均匀性和由此引起的性能不均匀性

存在强度或大或小、塑性或高或低的区域，在使用过程中发生早期失效强度或塑性不足不同的蠕变速率，导致接头中应力的错配本文档共65页；当前第26页；编辑于星期二\22点38分P92钢由于W的加入，抗回火能力有所提高，焊缝冲击功更难以提高，而运行中冲击功的降低又更明显，合理的韧性值和韧性储备是必要的，同时又要考虑蠕变性能，二者兼顾，不能一味追求高冲击功P92钢焊缝Ak不得低于41为宜本文档共65页；当前第27页；编辑于星期二\22点38分影响焊缝金属韧性的因素焊接方法的影响（氧含量）通常GTAW＞SMAW＞SAW化学成分的影响预热、层间温度的影响焊接线能量的影响焊后热处理的影响本文档共65页；当前第28页；编辑于星期二\22点38分焊接材料的选择与母材的成分匹配;质量的稳定（AC1的波动等）；焊接工艺性能与母材的物理性能的匹配(如相变点);杂质(S、P、As、Ab等）的控制；长期蠕变数据的多寡；合金元素的过渡方式；本文档共65页；当前第29页；编辑于星期二\22点38分焊接材料的选择伯乐蒂森ThemanitMTS616钢芯过渡英国曼彻特Chromet92药皮过渡法国液化空气ALCromocord92药皮过渡日铁－住金NiffefsuN616本文档共65页；当前第30页；编辑于星期二\22点38分焊接材料的选择进行了如下试验焊接工艺性能比较回火参数与冲击功的关系力学性能试验AC1相变温度的测试宏观和微观金相组织分析－－各有千秋－－对P92等的焊接材料如果合金元素过渡方式不同，建议分别进行工艺评定本文档共65页；当前第31页；编辑于星期二\22点38分W本文档共65页；当前第32页；编辑于星期二\22点38分δ-Ferrite本文档共65页；当前第33页；编辑于星期二\22点38分焊缝：回火马氏体本文档共65页；当前第34页；编辑于星期二\22点38分焊接工艺的探讨工艺1：焊道宽、焊接电流偏上限、焊接速度高；工艺2：焊道偏窄、薄、焊接电流偏下限，但焊接速度低。（相对1而言）本文档共65页；当前第35页；编辑于星期二\22点38分焊接过程中的自回火本文档共65页；当前第36页；编辑于星期二\22点38分国内倾向于采用第二种工艺，实践证明能明显提高焊缝韧性，但熔敷金属试验表明，容易导致3.2、2.4mm焊条的焊缝金属强度达不到要求，说明反复“回火”降低了强度；

国外多采用第一种工艺，由于焊接速度高，线能量也不高，冲击韧性也较高；建议国内对两种工艺进行系统的对比研究。本文档共65页；当前第37页；编辑于星期二\22点38分1234567Holdingtime[h]010203040506070CVN[J]Ø4,0mm;Pos.3GupØ4,0mm;Pos.3GupInfluenceofbeadformationonimpactpropertiesatpwht760°Cweavedbeadsstringerbeads本文档共65页；当前第38页；编辑于星期二\22点38分焊后热处理焊后热处理温度的确定母材AC1焊材AC1母材最终热处理温度试验结果在接头性能满足要求的前提下，宜低本文档共65页；当前第39页；编辑于星期二\22点38分PWHT温度厂家推荐的760+0-10℃不符合中国国情提出现实的、安全的P92焊后热处理工艺参数本文档共65页；当前第40页；编辑于星期二\22点38分焊后热处理建议P92钢PWHT温度600±10℃对每批焊接材料的AC1温度进行测定，适当调整热处理温度，至少根据Mn+Ni含量进行适当调整；本文档共65页；当前第41页；编辑于星期二\22点38分H_011123HeatcontrolduringweldingandPWHT-conditionforP911andP92Time02004006008001000Temperature[°C]250-300°C760°CHeatingrate80-120°C/hCoolingrate100-150°C/h

<400°Ccoolinginstillair+10-10slowcoolingrate20-100°C···preheatingweldingandsoakingnecessarycoolingdownafterweldingorsoaking2-4h··本文档共65页；当前第42页；编辑于星期二\22点38分第三部分焊接质量控制本文档共65页；当前第43页；编辑于星期二\22点38分焊接质量控制包括焊接材料－焊接工艺－焊后热处理任何一个环节的失误都会导致质量的失控本文档共65页；当前第44页；编辑于星期二\22点38分对P92焊接的几点认识P92、P122钢从根本上来说与P91属于同类材料，有国内多年焊接P91的经验，P92的焊接同样可以成功实现；P92焊接与P91相比还是有一定难度，回旋的余地比较小，技术上应当采取更严格的措施；日本出现的超超临界机组管道事故提醒我们更应当重视焊接质量，重视高温管道的金属监督。本文档共65页；当前第45页；编辑于星期二\22点38分采取措施让一线工作人员（焊工、热处理工）理解每一个每一个质量控制点的重要性，施工单位要严格按工艺施工，将评定通过的工艺正确无误地移植到施工中；业主、监理、监督单位要加强过程质量监督管理，除了工艺执行情况，还要重点检查热处理设备表计的检定情况，并进行适当的抽检；在正式施工前的焊工考试过程中安排试验，进一步提高接头的性能；重视焊后热处理的技术水平提高。本文档共65页；当前第46页；编辑于星期二\22点38分目前的现场热处理存在的问题施工单位对热处理工的工作重要性缺乏认识；电厂的运行采用了最先进的控制系统，但国内电厂建设中热处理却采用了落后的设备和技术本文档共65页；当前第47页；编辑于星期二\22点38分本文档共65页；当前第48页；编辑于星期二\22点38分减小内外壁的温差；减小热应力和弯曲变形；减小轴向温度梯度；本文档共65页；当前第49页；编辑于星期二\22点38分人员方面辅助工种；协助工；培训不到位；对热处理工作重要性认识不够。本文档共65页；当前第50页；编辑于星期二\22点38分设备方面热处理控制柜没有温度自动补偿系统；表计校准不够甚至不校；……本文档共65页；当前第51页；编辑于星期二\22点38分热电偶安装及接线铁丝绑扎热电偶补偿导线接线问题……本文档共65页；当前第52页；编辑于星期二\22点38分建议对P91、P92管道表面压焊热偶丝进行可行性评估推荐采用ASTM方法焊接热偶表面的有效隔热。本文档共65页；当前第53页；编辑于星期二\22点38分规程方面DL升温、降温速度，一般可按250X25/壁厚(℃/h)计算，且不大于300℃/h。6.0.7热处理的加热宽度，从焊缝中心算起，每侧不小于管子壁厚的3倍，且不小于60mm。6.0.8热处理时的保温宽度，从焊缝中心算起，每侧不得小于管子壁厚的5倍，以减少温度梯度。6.0.9热处理的加热方法，应力求内外壁和焊缝两侧温度均匀，恒温时在加热范围内任意两测点间的温差应低于50℃本文档共65页；当前第54页；编辑于星期二\22点38分国外

考虑壁厚、管径上海交大5√RT本文档共65页；当前第55页；编辑于星期二\22点38分本文档共65页；当前第56页；编辑于星期二\22点38分项目修正计算值国内规程计算值均温区宽度加热带宽度保温层宽度均温区宽度加热带宽度保温层宽度主汽管道140.47682.351145459.6579.6806.47主汽连通管133.91566.26905.5348468613.91高旁入口133.91566.26905.5348468613.91热再热132.42680.711229322.56442.56570.02低旁入口127.88557.91963245.16365.16442.58冷再热126.9676.51226228.6348.6434.3P122149.42858.6015336127321069.4工艺评定127.57500.10782240360440本文档共65页；当前第57页；编辑于星期二\22点38分规程中对P91焊接接头的硬度要求（<Min（350，母材硬度＋100）是否合理？试问有谁在工艺评定中的P91焊缝硬度高达HB300以上又同时满足冲击功和弯曲的要求？本文档共65页；当前第58页；编辑于星期二\22点38分试样编号试样名称HBS10／3000熔合区焊缝热影响区D1、D2焊接接头199、214199、214186、195R1、R2焊接接头209、219274、285215、215管样名称焊缝位置试样号冲击功AKV/J试样1试样2试样3平均值D样焊缝DH1~39491117101熔合区DR1~313092120114热影响区DY1~31809185119R样焊缝RH1~318182219熔