新型铁素体耐热钢焊接工艺要领

1、关于“新型铁素体耐热钢焊接工艺要领”的发言稿上海电力建设有限责任公司 吴宣武1、 前言1.1 为了发展高参数火力发电机组，自上世纪70年代后期以来，美国、日本、欧洲等先后开发了一系列新型铁素体和奥氏体耐热钢，并成功地用于超临界、超超临界火力发电机组。它们是： 奥氏体耐热钢： ASME-SA213 TP347HFG ASME code case 2328 SUPER304H ASME code case 2115-1 HR3C 铁素体耐热钢： ASME-SA213 T91 ASME-SA335 P91 ASME-SA213 T92 ASME-A335 P92 ASME code case2180

2、 T122 ASME code case2180 P122 ASME code case2199 T23 ASME code case2199 P23 ASME A213草案 T24 本文仅对上述新型铁素体耐热钢的焊接要领进行论述。1.2 T/P91钢是美国在T/P9钢的基础上于80年代初开发成功的。P91钢的问世是冶金技术进步的产物可焊细晶强韧化马氏体耐热钢。（1） 超纯净冶炼技术，如铁水予处理，碱氧炉炼钢、钢包精炼、真空精炼等。目前已能够达到的纯净化水平如下：P20PPM， S5PPM，N20PPM，010PPM，H1.0PPM,模铸连铸（2） 控制轧制及微合金化，达到细化晶粒的目的钢的强

3、化方法及其对韧性的影响降低热轧温度，增加形变速度，限制形变奥氏再结晶后的晶粒长大，Nb、V等微量合金元素对细化晶粒的作用。1.3 T/P92钢是日本顺着美国开发出T/P91钢的思路，于上世纪80年代后期开发出来的高温强度更高的9%Cr马氏体耐热钢（日本钢号NF616）。T/P92钢与T/P91钢在成份上的主要差别是增加了约1.7%的W，并将T/P91钢约1%的Mo含量降为约0.5%。在焊接方面，除各有相应的焊接材料，并由于W是铁素体形成元素，焊缝冲击韧性有所降低外，其余对予热、层间温度、焊接线能量，待马氏体转变完成随即进行焊后热处理以及热处理温度、恒温时间的要求都是完全相近的。1.4 T/P1

4、22钢是日本在德国X20CrMoV121钢的基础上开发成功的12%Cr马氏体耐热钢（日本钢号HCM12A），其高温强度比X20CrMoV121提高，焊接冷裂缝倾向显著降低。与X20CrMoV121相比，其化学成分特点是：含C量从0.20%降至0.10%左右，同时加入约2%W,约1%Cu和少量的Nb。该钢Cr高C低，并且含2%W ，在T122小管中，由于Cr含量偏上限，可能含有少量铁素体。T/P122钢焊接工艺要求与T/P91钢相仿，但应特别关注如何确保焊缝冲击韧性符合要求。15 T/P23钢是日本在T/P22钢的基础上，吸收了102钢的优点开发成功的（日本钢号HCM2S）。该钢高温强度高于T/

5、P22，焊接性能优于102钢。 2 . 焊接T/P91、T/P92、T/P122钢的难点及解决途径2.1 焊接冷裂纹 由于它们的C、S、P等元素含量低、纯净度高，其焊态低C马氏体仍具有一定的塑性，焊接冷裂纹倾向大为降低，如图1、2、3所示，Y一型坡口拘束试验的结果表明，T/P91、T/P92、T/P122钢防止冷裂纹所需的最低予热温度均低于P22钢。但是，它们终久还是有一定的焊接冷裂纹倾向的，焊接时必须相应地采取一些必预防措施，如需要一定的予热及层间温度等，根据国内外有关研究单位的试验结果及制造安装单位的实践经验，预热及层间温度宜控制在200300 范围内，钨极氩弧打底时可适当降低至15020

6、0。图1 P23 、 P91、P22钢焊接接头斜Y型坡口试验裂纹率与预热温度间的关系图2 P92(NF616)钢焊接接头斜Y型坡口试验裂纹率与预热温度间的关系 图3 P122(HCM12A)、P91钢焊接接头斜Y型坡口试验裂缝率与预热温度间的关系22 焊缝韧性与母材不同，焊缝金属在其熔敷成型及冷却过程中，不可能取得控制轧制和形变热处理的机会，其中的Nb和V元素也不具备形成碳（氮）化合物以极细微颗粒弥散析出以促使焊缝晶粒细化的条件，大部分仍固溶在焊缝金属中，通过固溶强化反而降低焊缝韧性。因此，对于T/P91、T/P92、T/P122钢，焊缝金属的冲击韧性总是低于母材的。从韧性角度看，焊缝是整个焊

7、接接头的薄弱部位。2.2.1焊接方法的影响常用的几种焊接方法，GMAW焊缝，由于比较纯净，含氧量低，冲击韧性较高，SAW及SMAW焊缝则较低，远低于母材的韧性。表1是河南火电公司用窄间隙脉冲热丝TIG焊接323 .932 P91钢管所获得的接头性能，表2是德国Thyssen公司提供的采用Thermanit MTS616电焊条焊接P92钢管，焊缝金属及焊接接头机械性能的试验结果。表1 TIC热丝全位置焊接P91厚壁管接头韧性缺口位置冲击功 J平均值 J焊 缝74 91 12597熔合区190 210 213204热影响区192 211 227210表2 Results of SMAW All W

8、eld Metal as well as of a Welding Procedure on a P 92 Pipe WeldSMAW:Thermanit MTS616：E1-4.0mm;Amperage:120-140A:Preheating Temperature:250Interpass temperature:270Chemical composition of all Weld metalCS1MnpsCrMoNivwNNb0.110.270.650.0180.0088.950.530.70.191.720.0450.044Mechanical propertiesa)all wel

9、d metalPWHT/HTest temp.YSMpaTSMPaElongation%CVN(ISO-V)J760/2760/2+2060067543580058517.61250/55/58b)pipe weld P92:pipe-0:300mm;wall thickness:40mmPWHT/hTest temp.YSMpaTSMPaLocation offractureCVN(ISO-V)JHardnessHV10760/2760/2+20600489300665349BMBM60/58/65236-262222焊缝的韧性除上述与焊接方法有关外，还与焊接材料有关。鉴于焊缝金属溶敷成型条

10、件与钢材治炼轧制完全不同，焊接材料熔焊金属的成份与母材是不尽相同的。为了提高焊缝的韧性，各国焊材制造厂做了大量的工作，除尽量控制P、S、N、O、H杂质及气体含量外，与母材相比普遍作了如下调整:(1) Nb的含量取0.040.08%左右，低于母材0.060.1%的水平。这样调整既不降低焊缝的抗蠕变性能，也可限制由于其固溶强化造成对焊缝韧性的降低。(2) 适当加NI，一般控制在0.11.0%之间，Ni能降低材料的AC1温度，从而提高材料的回火反应程度。NI还能降低铁素体形成的敏感性，而铁素体的存在对焊缝韧性是不利的。但Ni含量不应过高（如1%），否则焊缝的A C1下降得太多，可能低于焊后热处理的温

11、度，这将导致热处理冷却后产生新的未回火马氏体。(3)锰适当地比母材高一些，以促进焊缝脱氧，但Mn+Ni1.5%，以免焊缝经热处理后重新形成马氏体。(4)适当降低硅含量，如使其低于0.30%，以防止铁素体形成。从以上分析可知，选用一种既保证常温和高温强度，塑性和韧性又好，并且含氢量低，操作性能好的焊接材料是十分重要的。223予热及层间温度、焊接线能量的影响 西固热电厂扩建工程的实践经验：P91蒸汽管道采用高的予热及层间温度，大线能量（250350，60KJ/cm）时的焊缝冲击韧性仅为3.919.5J/cm2,金相组织晶粒粗大，存在魏氏体及网状晶界。从下图4所示P91钢连续冷却转变曲线看，很明显这

12、是由于焊缝冷却速度太慢，其冷却曲线已达高温转变区，致使形成铁素体的缘故。后来他们降低予热及层间温度，减小线能量（220250，25KJ/cm），焊缝冲击韧性就达到了“焊规”的要求。图4是P92(NF616)钢连续冷却转变曲线。焊接T/P91、T/P92、T/P122钢均要求在保证不产生焊接冷裂缝的基础上，避免采用过高的预热温度，严格控制层间温度及焊接线能量，以免焊缝冷却太慢，产生铁素体，严重降低焊缝韧性。控制焊接线能量，在熔化良好的条件下不要采用过大的焊接电流，对厚壁管要求采用多层多道焊，焊层不应太厚，以便后焊道对前焊道产生良好的“回火”效应，一些单位的焊接工艺试验结果和实践经验表明，焊道厚度

13、宜控制在2.53mm以下。图 4 P91钢连续冷却曲线图5 P92钢连续冷却转变曲线224焊后热处理规范的影响不允许焊后立即升温进行回火，因为在焊接过程中奥氏体并末完全转变成马氏体，热处理后根据其冷却速度又会形成马氏体或铁素体加碳化物。除小径薄壁管外，也不允许冷却至室温后再升温进行热处理以防产生冷裂纹。要求焊后冷却至Mf点以下，即80100，保温1小时，待马氏体完全转变后立即升温进行回火。回火温度及恒温时间，综合国内外有关研究机构的试验结果及制造、安装单位的实践经验，焊后热处理规范以750770，恒温时间4小时以上（小径薄壁管可只恒温1小时）为宜。要注意的是，焊接材料的成分与母材不尽相同，为提

14、高焊缝金属的冲击韧性加了些镍，并对有关元素的含量作了调整，但各制造厂所提供的同一型号的焊接材料成分是有区别的，熔焊金属的AC1温度也可能不同，采购焊材时应向供方了解制造厂推荐的焊后热处理温度和恒温时间。23 时效倾向 T/P91、T/P92、T/P122钢都具有较明显的时效倾向。图6、图7分别表示P92、P122钢的时效倾向。时效倾向发生在500650的温度范围内，这正是这些钢材的工作温度。可以看到3000小时时效后其韧性下降了许多，P92钢的冲击功从时效前的220J左右降到70J左右；P122钢从时效前的80J降到了40J以下，但在3000小时以后冲击功下降的倾向就不明显了。时效过程中，Cr

15、、W、Mo等合金元素与Fe、Mn、Si形成金属间化合物“Laves相”，导致韧性恶化。图6 P92钢的时效倾向图7 P122钢的时效倾向图7 P122钢的时效倾向与母材成分相近的焊缝也有同样的倾向，图8是P92钢焊缝的时效倾向。为了确保时效后焊缝韧性能保持在要求的水平上，时效前焊缝的原始韧性必须有充分的富裕量。(x100)0510152025303540保温时间 h 010020030040050060070008090+20冲击功 J SMAW: Thermanit MTS 616 / Thermanit MTS 911; 4,0 mm1PWHT: 750/2 hPWHT: 750/4 h3

16、8图8 P92钢SMAW焊缝600时效倾向2 4 热影响区软化及IV型裂纹通过热处理强化的铁素体钢，由于低于临介温度的过回火作用和在临界温度范围内微观结构的变化，在HAZ外端的硬度会下降，在对焊接接头进行持久强度试验时，往往断在这个部位，该部位称作软化带。焊接接头软化带的高温持久强度与母材同一温度的持久强度的比值称作热强系数。热强系数的大小与材料有关，也与试验温度及试验时间有关。合金成分愈复杂的钢，热强系数愈低。试验温度愈高，试验时间愈长，热强系数愈低。表3列出了常用低合金热强钢焊接接头的热强系数，表4列出了P91钢焊接接头的热强系数。铁素体热强钢在高温长期运行中，往往在焊接接头的软化区发现裂

17、纹，称作型裂缝。为了控制型裂缝，焊接时 在保证焊接熔化良好，不产生焊接冷裂纹的基础上，应尽量不采用过高的预热及层间温度，不采用过大的焊接线能量，采取多层多道焊并避免过厚的焊道，努力使热影区软化带变得窄一些，缩小其影响。3、焊接P91、P92钢工艺要领3 1建议的P91、P92钢焊接热处理循环曲线如图9，予热、焊后热处理的加热及测温应符合DL/T819火力发电厂焊接热处理技术规程的要求。温度 76010 4h 200250 300 150200 80100 1h 时间（h）图9 焊接热处理热循环曲线图*小径薄壁管焊接接头允许冷至室温。*小径薄壁管焊接接头可按每毫米5分钟计标，且不小于1h。32采取小线能量及多层多道焊,并且盖面层焊退火焊道。线能量控制在20KJ/cm以内，焊道宽度不超过焊条直径的4倍，焊道厚度不超过焊条直径。33电焊条、焊剂一定要烘干，并做好保温、发放、回收、贮存等管理工作。34当焊接接头不能及时进行热处理时，应于焊后立即做加热温度为350，恒温1小时的后热处理。35遇异种钢焊接时，应按“焊规”正确选择好焊接材料，并正确确定予热温度、层间温度以及焊后热处理温度和恒温时间。36遇不同外径、或不同内径、不同壁厚钢管及管件焊接时，应按“焊规”要求进行处理，使焊缝与两侧母材之间圆滑过渡。4 T/P23、T24钢焊接要商定的两