SA335 P92钢大口径厚壁集箱管道的焊接工艺.docx
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SA335P92钢大口径厚壁集箱管道的焊接工艺
SA-335P92钢大口径厚壁集箱管道的焊接工艺
摘要：
SA-335P92钢满足了超超临界锅炉制造中对热强性高、工艺性好的材料要求。
理想的P92钢焊接工艺是采用适当的工艺措施保证在焊接过程中不产生裂纹，减少脆化、软化等问题，同时保证全马氏体组织的形成，满足锅炉运行工况对焊接接头的性能要求。
对P92钢焊缝金属冲击韧性的所有因素当中，焊接热输入和热处理规范的控制最为重要。
经过一系列工艺试验，并结合国内外已有制造经验，我公司已初步掌握了P92钢的焊接技术规范，并在国内外几个项目中得到了具体运用。
由于受到制造能力，研发能力等硬件限制，相对国内其他锅炉制造企业，我公司有关P92钢的开发利用还只能说处于初步阶段，对这种材料的相关特性只是有了初步了解，有待在今后的生产中作进一步研究。
本文通过我公司大口径厚壁集箱的实际焊接工艺过程，对P92大口径厚壁管焊接接头各项性能与相应工艺措施进行了基本层面的探讨。
关键词：
P92钢，细晶区软化，IV型裂纹，蠕变，硬度，持久强度。
一前言：
在火电工程中，为节约宝贵的煤炭资源，减少废气排放，提高机组的热效率和工作参数（压力、温度）已成为最有效的途径，在国内，采用超临界、超超临界机组逐步替代亚临界机组已经是大势所趋。
作为具有高的抗氧化性和高温持久性能，良好的工艺性特别是焊接性能的材料，SA-335P92钢是近年来在SA-335P91钢的基础上，经合金化改良形成的强度等级更高的铁素体钢。
与P91钢相比，将Mo元素的含量降低到约0.5%，同时加入了1.7%左右的W，以及微量的硼。
其耐高温腐蚀和抗氧化性能与P91钢相似，而高温强度和蠕变性能大大提高，设计上可以减轻集箱和管道部件重量。
同时它的抗热疲劳性、热传导系数和膨胀系数远远优于奥氏体不锈钢，抗低周热疲劳性能有显著增强。
在超超临界锅炉的末级过热器出口集箱、高温再热器出口集箱及连接管道等部件中得到了广泛应用。
近年来，北京巴威公司已经完成了6台600WM超超临界锅炉产品的制造，目前在制的1000MW超超临界锅炉，大量采用P92材料，这些锅炉部件主要包括：
见附表1
随着P92钢焊接工作的增多，对于其焊接性能的认识也在不断加深，以下将重点描述围绕焊接和热处理工艺规范和控制细节对P92钢焊接接头综合性能的影响。
二P92钢的材料特性与焊接难点
2．1材料供货状态：
正火+回火
2．2P92材料化学成分：
见附表2
标准化学成分按SA335，ASMEII卷
试验钢材化学成分：
（№1为复验结果，№2
为钢厂检测结果）
2.3材料力学性能（见附表3）
试验钢材力学性能：
（规格：
Φ457×70，正火1050℃，120分钟，空冷+回火770℃，160分钟，空冷。
）
2．4P92钢焊接接头的几种主要劣化情
焊接接头的脆化马氏体耐热钢焊接接头的脆化主要有粗晶组织引起的脆化和淬硬组织引起的脆化两种脆化方式。
焊缝金属晶粒粗大是由于在焊接过程中，奥氏体化时间较长，晶粒长大速度较快。
由于P92钢的合金元素含量较高，焊后冷却速度控制不当就会导致淬硬组织的形成，导致焊接接头的脆化。
热影响区的软化马氏体耐热钢的供货状态为正火＋回火，即调质处理。
焊接时，在细晶热影响区和临界热影响区将会产生软化现象。
造成这一现象的主要原因是焊接时，细晶热影响区的所经受的温度稍高于Ac3，临界热影响区所经受的温度在Ac1~Ac3之间，处于这一温度区间的金属发生部分奥氏体化，沉淀强化相在这一过程中不能够完全溶解在奥氏体中，在随后的热过程中未溶解的沉淀相发生粗化，造成这一区域的强度降低。
软化对短时高温拉伸强度影响不大，但降低持久强度，长期高温运行后，在软化区常常会产生Ⅳ型裂纹。
焊接冷裂纹冷裂纹是在焊后冷却过程中在Ms点以下或更低的温度范围内形成的一种裂纹，又称延迟裂纹。
产生这种裂纹的三要素为淬硬组织、氢元素和应力。
焊接冷却过程控制不当往往形成淬硬组织，氢的主要来源是母材和焊接材料[1]。
三.P92钢焊接时对焊接接头的要求
3.1焊缝金属化学成分应与所焊接的母材基本一致。
对于P92钢来说，焊接接头应具有与母材金属基本相同的高温抗氧化性。
为此焊缝金属的合金成分和含量应与母材基本一致。
所说的基本一致是指Cr、Mo、W等主要元素，对于P、S等杂质元素，为减少热裂纹的倾向应尽量控制在较低的水平。
在保证高温性能的前提下,为改善焊接性，焊接材料的含C量可稍低于所焊母材。
3.2焊缝金属的强度应与所焊母材相当
耐热钢焊接接头不仅应具有与母材金属基本相
等的室温和高温短时强度，而且更重要的是应
具有与母材相近的高温蠕变性能
3.3焊缝金属的组织与母材相当
对于马氏体耐热钢来说，为保证其焊接接头长时间高温运行过程中的蠕变性能，避免δ铁素体的生成，应严格控制熔敷金属中的δ铁素体形成元素W的含量。
试验焊接材料规格见附表4
焊接填充金属及熔敷金属化学成分见附表5
3.4焊缝金属的Ac1应与母材相当
焊缝金属的下临界点Ac1是Ni和Mn的函数。
从试验数据看，焊缝金属的Ni和Mn含量相对母材都有了较大幅度的提高，因此Ac1较低，下临界点温度可以应用ORNL数值关系A1=848-42（Ni[%]+Mn[%]）[℃]粗略测算,对于Ni+Mn含量为1.5%，Ac1温度约为785℃（1445°F），很接近PWHT的上限。
巴威公司焊材采购规范要求氩弧焊、手工电弧焊、埋弧焊的填充金属Mn+Ni含量均规定≤1.4%。
海外项目的用户一般也把1.5%作为Mn+Ni含量的上限,有些甚至要求≤1.0%。
将填充金属Mn+Ni含量控制在合理范围内，可以有效提高其Ac1值，防范热处理操作中的过回火现象，保证焊缝具有合适的硬度。
3.5焊缝金属应具有一定的韧性储备
虽然P92钢是在高温工况态下工作，但对于锅炉、压力容器和管道要求最终的检验，通常是在常温下以工作压力1.5倍的压力进行水压试验，在设备投运或检修后，还要经历冷起动过程，因此焊接接头应具有一定的抗脆断性。
P92钢的制造采用超纯净冶炼技术，如铁水预处理、碱氧炉炼钢、钢包精炼、真空精炼等方法，通过模铸、连铸、控温控轧、微合金化等工艺手段进行制造。
而在焊接过程中，焊缝金属没有这种控温控轧的机会，Nb、V元素也不具备形成碳化合物以极细微颗粒析出，从而促使焊缝晶粒细化的条件，大部分依然固溶在焊缝金属中。
很难通过细晶强化来改善焊接接头的性能，所以焊接接头的冲击韧性总是低于母材。
P92钢的韧性水平较P91低，蠕变强度较高，对于它们的填充金属一般要求SMAW、SAW焊接时要保证室温冲击韧性CVN＞41J。
试验证明，使用和P92钢材相同化学成分的焊材将会导致焊接接头韧性和蠕变强度的降低，尤其对SAW，这种情况更为严重。
影响P92钢焊缝韧性的因素分析
C、N化合物的形成以及元素B对蠕变断裂强度有着重要影响，它们的加入增加了材料的屈服强度和抗拉强度，但降低了塑性和韧性。
Mn和Ni对强度的影响不大，但是，Mn和Ni的含量超过基体金属的上限时能够显著改善焊接接头的韧性，同时降低AC1，Mn和Ni的含量一般小于1.5%。
B能够提高蠕变强度，但会降低焊接接头的韧性，其成分含量应控制在基体金属下限左右。
V、Nb、Co对韧性不利，其含量也应控制在下限左右。
[2]
对P92钢焊缝金属冲击韧性的所有因素当中，焊接热输入（线能量、预热温度、层间温度）和焊后消应力热处理规范最为重要。
焊接线能量大时,焊缝金属在焊接热循环高温区停留时间长,导致晶粒长大,从而降低韧性.影响线能量的主要因素是焊接电流和焊接速度,这两个参数应协调变化.但焊接电流不能过低,否则熔池铁水因粘度大和流动性差,容易造成未熔合和夹渣.掌控原则应该是,在保证铁水流动性良好、熔池清晰、熔合良好前提下，提高焊接速度。
直接表现为通过减小焊道厚度来降低线能量，同时，相对较薄的焊道，后一层对前一层的回火效会更加明显。
对于集箱端盖这样的高拘束度坡口形式，线能量过大既容易造成过热，又容易造成埋弧焊脱渣困难。
对于埋弧焊焊道，每层厚度通常不超过3mm。
另一促使焊缝金属在高温区长时间停留的原因，是预热温度和层间温度过高。
由于P92钢材C、S、P等元素含量低，纯净度高，焊接冷裂纹倾向相对于P91材料有所降低，因此预热温度也可以适当降低。
特别是线能量较大的埋弧焊，防止冷裂纹产生所必需的最低预热温度，实践证明可以降低到150℃。
焊后高温消应力回火热处理（加热温度和时间）对焊缝冲击韧性的影响
在临界温度Ac1以下，提高高温回火温度或延长回火时间，都有利于马氏体的充分回火和提高焊缝冲击韧性。
由试验数据可以看出，745℃～775℃温度区间，焊缝冲击韧性随恒温时间的延长提高幅度比较大；较高的回火温度下或较长的回火时间内,都可以得到较高的焊缝韧度,对于埋弧焊焊缝的冲击韧性的提高尤其明显。
由于坡口设计的原因，氩弧焊封底和手工焊过渡的焊缝厚度很小（不到10mm），埋弧焊焊缝在管子对接接头中所占比重巨大，可以说埋弧焊的冲击韧性值基本决定了整个接头冲击韧性水平。
大部分P92填充金属供应商提供焊缝金属的数据,也都是基于760℃（1400°F）/2小时（LMP=21）或4小时的热处理。
从工艺试验结果也可以反映出，焊接规范与热处理规范对接头韧性的影响，见附表6
3．6焊接接头硬度要在合适的范围内
有关焊缝硬度检测的要求
目前，越来越多的用户在合同前期的技术文件中，对P91/P92工件焊接接头，无论是对接焊缝，还是管接头角焊缝，都会提出硬度检测要求，国内电力建设规程也做出了相应规定。
DL/T438—2009火力发电厂金属技术监督规程规定如下：
条款7.3：
9%~12%Cr系列钢制管道的检验监督
条款7.3.6：
对于公称直径大于150mm或壁厚大于20mm的管道，100%进行焊缝的硬度检验;其余规格管道的焊接接头按5%抽检;焊后热处理记录显示异常的焊缝应进行硬度检验;焊缝硬度应控制在180HB-270HB。
条款8：
高温联箱的金属监督
条款8.1.1：
工作温度高于400℃的联箱安装前，应做如下检验:
9%~12%Cr（牌号同7.3.1中所列）钢制联箱的母材、焊缝的硬度和金相组织参照7.3.3-7.3.12执行。
条款8.1.4：
安装焊缝的外观、光谱、硬度、金相和无损探伤的比例、质量要求按DL/T869中的规定执行;
对9%-12%Cr类钢制联箱安装焊缝的母材、焊缝的硬度和金相组织参照7.3.3-7.3.12执行。
一旦发现硬度异常，应进行金相组织检验。
高温回火热处理加热温度、保温时间、升降温速度对焊缝硬度的影响
只要热处理温度低于下临界点AC1，即使焊后热处理持续时间很长，硬度不会降低太多。
回火温度超过Ac1点以上较近的区域，碳化物将产生偏聚，生成铁素体和块状碳化物组织，会造成母材强度、硬度降低。
要获得理想焊接接头硬度，就要严格遵循热处理规程，尽量使各种厚度规格的工件按照合适的加热冷却曲线完成消除应力处理的过程。
因为在过快的冷却速率下，奥氏体将会转变成高硬度马氏体，母材和焊缝硬度都比较高。
在过慢的冷却速率下，奥氏体会形成铁素体，同时造成碳化物粗大，导致母材和焊缝硬度较低。
两种情况下都是有害的，尤其是铁素体的形成会造成蠕变强度的降低。
高温回火热处理后焊缝硬度与蠕变强度或高温持久强度的关系
高温回火的目的，就是改善金属的微观组织，适当降低硬度，提高焊缝的韧度从而提高焊缝的综合性能。
金属的微观组织是其力学性能的保证，相对而言，硬度过低，金相组织相必然出现异常。
相关机构对于高温回火后P92钢焊缝金属断裂韧度、高温持久强度和硬度等的对应关系的研究表明，硬度高的焊缝金属冲击功和断裂韧度低，高温持久强度高；相反硬度低的焊缝金属冲击功和断裂韧度高，但高温持久强度低。
当焊缝金属硬度在180～270HB范围内时，接头的综合性能比较理想。
提高焊接接头韧度和保持焊缝金属的蠕变断裂强度，是存在一定矛盾的。
恒温时间过度延长容易产生过回火，增加表层金属的过热脱碳深度，导致金属硬度和高温持久强度的损失。
因此在规定恒温时间下限值的同时，还应该根据具体的管件规格尺寸，对恒温时间上限值做出规定。
对于P92钢来说，焊接接头的冲击韧性和蠕变断裂强度都是极其重要的性能指标；如果要同时兼顾，合理的热处理规范区间是非常狭窄的。
从实际产品经焊后热处理获得的硬度检验数据来看，均符合DL/T438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》的要求，说明热处理规范设置是合理的。
见附表7
四．实际生产中对P92钢焊接工艺参数的控制
1．SA-335P92钢焊接工艺设计中对热输入的控制
P92钢自身性能决定了，在焊接过程中既有冷裂倾向，又有热裂倾向。
焊接前要对工件预热温度：
钨极氩弧焊100-150℃，焊条电弧焊和埋弧焊不小于150-200℃。
最高层间温度应小于300℃
为防止热裂纹和晶粒的粗大，焊接过程中应严格控制焊接线能量，优先选用焊接热输入较小的钨极氩弧焊。
采用焊条电弧焊时应注意多层多道焊，焊道厚度控制在不大于焊条直径为宜，焊道宽度不得超过焊条直径的3倍，且焊条直径不大于4mm。
埋弧焊焊接，焊丝直径选用2.4/2.5mm。
2．避免焊接冷裂纹的有效措施：
⑴连续焊接，即最低预热温度的保持，尤其是拘束度较大的接头，如分集箱端盖，管接头等元件的焊接
⑵不得不中断焊接时，必须进行中间消应力热处理。
⑶焊后去氢处理，厂内现行规定：
对接环缝在去氢处理之后，可以冷却到环境温度下放置，我公司P92钢工件常用去氢加热规范为260℃，4小时。
有效的焊后去氢处理应采用远红外电加热方式，热电偶测温，这样可以保证管子加热的内外均匀性和测温的准确性。
有些用户还对工件放置的环境温度提出了具体要求，如95℃、38℃等，我公司现在一般环境温度要求为10℃。
⑷尽早消除焊接应力。
不同用户会提出不同要求，一般要求焊后7天或14天内必须进行消应力热处理。
对于集箱端盖、管接头等焊接应力状况较差的接头工件，焊接后均要求随即进行热处理。
⑸升降温速度：
由于升降温速度太快,特别是对厚壁部件,由于部件外表与内部温差较大,会造成变形过大甚至开裂等缺陷,降温速度太快,还会使部件产生新的应力。
尤其对于P92钢而言，选择合适的升降温速度是避免接头产生裂纹的关键。
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