钢焊缝冲击韧性研究(原创论文).doc

P92钢焊缝冲击韧性研究 浙江省火电建设公司P92钢焊缝冲击韧性研究QC小组杨丹霞 包镇回摘要： P92钢是新型铁素体耐热钢，在我国首次应用于浙江华能玉环1000MW超超临界电厂机组中，浙江火电将承担国内首次进行的P92钢现场安装焊接工作,为率先突破P92钢的焊接工艺，及解决焊缝冲击韧性低等问题作了深入的分析研究，成立了浙江省火电建设公司P92钢焊缝冲击韧性研究QC小组，通过调查研究、分析原因、制定对策、经过多次试验最终掌握了提高P92钢焊缝冲击韧性低的有效方法。 1. 概述提高温度和压力来增加发电效率和减少燃煤机组对大气的污染，是当今电站建设的方向，同时要求开发高温蠕变断裂强度比较高的新型马氏体耐热钢，来适应超临界的温度和压力参数。可以提高耐热钢的工作温度，减少钢材厚度，降低钢材消耗量，降低管道热应力。新型马氏体耐热钢迅速在电站设备制造业中得以推广应用，浙江玉环1000MW超超临界燃煤机组，最大蒸发量2950t/h，过热器出口蒸汽压力26.5MPa，额定蒸汽温度605，选用美国威曼高登钢厂的T/P92钢作为主蒸汽管道及主蒸汽疏水管道用钢。但是，P92钢有明显的投产后焊缝冲击韧性下降现象，如果没有足够的焊缝冲击韧性储备，室温时将可能出现裂缝，严重影响发电设备的安全运行，如何提高焊缝冲击韧性的储备是我们研究重要课题之一。.2P92钢的冶金特点及制造工艺2.1特殊精炼技术保证冲击韧性精选钢料高炉粗炼碱性炉脱S、P电炉精炼真空炉渗部分合金，把各种合金元素控制在预先设计的范围内，同时严格控制碳的含量（不致于引起高硬度使焊接性下降），控制有害元素硫的含量（硫几乎不溶解于钢，与铁生成低熔点的FeS硫化铁，焊接时低熔点化合物导致产生热裂缝和在热影响区产生液化裂缝。同时，硫以薄膜形式存在于晶界使钢的韧塑性下降）。磷：使钢的韧塑性下降同时提高钢的脆性转变温度：高温时强烈促使奥氏体晶粒的快速长大使之造成冷裂缝。为提高抗蠕变能力降低铁素体的敏感性，在冶金中加入了铜及钴等合金元素使T/P92钢具有更优越的抗蠕变性能，并进行沉淀强化。2.2保证冲击韧的精密铸造技术为提高冲击韧性及高温强度。他们采用连续铸造，对加热后的钢锭进行不断的来回压延，然后用压力穿孔法即平台推压法工艺进行制管，进行细晶化调质热处理，确保USC（超超临界）锅炉的主蒸汽，再热器过热器管P92钢管有足够的冲击韧性的储备。当钢材的工作温度高于450时，低合金耐热钢容易发生蠕变，十万小时高温蠕变断裂强度取决于温度和钢材性能。钢材中强化合金元素越多蠕变断裂强度越高。工作温度越高，蠕变断裂强度越低。焊缝的高温蠕变断裂强度取决于焊材中的强化合金元素含量，以及焊缝的组织状态。在焊材中增加Cr、Mo、V、Nb、W等合金元素，可以提高低合金元素耐热钢和马氏体耐热钢105或者2105小时的高温蠕变断裂强度。新开发的P92焊材具有一定的高温蠕变断裂强度抗蒸汽腐蚀性能。可以将P92钢材的工作温度提高到600630。3P92的耐热性P92钢的标准化学成分和机械性能列入表1和表2。表1 T/P92钢的化学成分CSiMnCrNiMoVWNbNBT/P92下限0.07-0.308.5-0.300.151.50.040.030.001T/P92上限0.130.50.309.50.40.300.252.00.090.070.006表2 T/P92钢的机械性能钢 材屈服强度抗拉强度延伸率ASME标准EN标准MPaMPa%Akv（J）Akv（J）T/P9245062020274131 P92钢是在钢中添加钨（1.7%W）和降低钼（0.5%Mo）而开发的新钢种，因为W可以显著提高钢材的高温蠕变断裂强度，使用温度可以达到630。但是，钢中过量添加钨会促进铁素体的形成，降低冲击韧性和蠕变断裂温度。32 制造电站设备的耐热钢应该具有足够高的常冲击韧性，在水压试验时，较高的冲击韧性可以降低水压试验的温度，降低热能消耗，并确保电站设备足够安全。33 电站锅炉制造中常用的焊接方法有：GTAW、SMAW等焊接方法，为此必须开发与之相适应的氩弧焊用实心焊丝，手工电弧焊用焊条， P92焊材的化学成分符合ASME SFA 5.5 E9015-B9（SMAW），SFA5，23-EG（SAW）标准，同时还符合EN 1599 EZ CrMoWV 9 0.5 2 B 42 H5（SMAW），EN 12070 WZ CrMoWVNb9 0.5 1.5（GTAW）的标准。34 通过大量试验优选出焊材的最佳化学成分。试验结果表明，与母材同成分的氩弧焊焊丝可获得满意的蠕变断裂强度和冲击韧性。但是，对于SMAW焊接方法，马氏体焊接材料的室温冲击韧性比较低，这是因为其中Nb（或者W）元素含量比较多，Ni和Mn元素含量比较少的缘故。这些元素对于钢材和焊材的蠕变断裂强度也有比较大的影响，必须认真对待。可以通过增加Ni，同时控制Mn、Nb含量的方法，降低这些元素对冲击韧性的不利影响。35 经试验发现碳和铌元素对焊材性能的影响非常大。增加碳元素能提高焊材的强度和硬度，但是会降低焊接性，降低碳会降低蠕变断裂强度，希望含碳量尽可能控制在0.080.13%范围之内。铌元素是提高蠕变断裂强度的重要元素，但是增加铌会显著降低焊材的冲击韧性，因此必须适当降低铌元素的含量。焊材中的最佳含铌量为0.040.06%。36 严格控制焊材熔敷金属中的S、P、As、Sb、Zn等微量有害元素，以降低焊材的回火脆化和蠕变脆化倾向。采用特殊精炼的焊丝，以及采用精选矿物材料和铁合金材料来制造焊条，以便提高强度和常温冲击韧性。 对常温冲击韧性提出了比较高的要求：如对于P92焊材，应满足铁素体含量1%，室温Akv41J的技术要求。37 P92焊材熔敷金属的焊态硬度约为400HV10，比近30年电站锅炉中常用X20CrMoV121钢的熔敷金属硬度约低100HV10，可以大大改善焊接性，可以允许薄壁焊件焊后冷却到室温。720/2h热处理后熔敷金属硬度约为250HV10，这样低的硬度有利于防止焊接冷裂纹，降低焊接预热温度，有利于P92钢焊接接头的冷、热弯曲加工，有利于防止应力腐蚀裂纹。38 焊后不能直接冷却到室温。但是，为了提高焊缝的冲击韧性，焊后必须冷却到80100，保温1小时，使焊缝全部转变成为马氏体组织之后才能进行焊后热处理，否则焊缝的冲击韧性就会非常低。39 P92马氏体钢是低碳马氏体钢，允许在马氏体组织区内焊接，这意味着焊接预热温度和层间温度可以大大降低，一般推荐焊接预热温度为200250， 4 对层间温度的控制要求比较高41 为了获得满意的冲击韧性，我们必须把层间温度控制在300。由于P92钢的导热系统比较小，大口径管道的焊接热量比较集中，层间温度比较高。如果不采取措施，层间温度可以达到350400，冲击韧性将会大大降低。必须采用低焊接输入热量的焊接工艺施焊，才能控制层间温度300。对于玉环（USC）壁厚70mm，的大口径管道焊接，应该引起我们足够的重视，适当采取冷却措施。42 对焊接输入热量的控制要求比较高多项试验数据证明：焊件输入热量对焊接接头的冲击韧性有较大的影响，焊件输入热量越大，焊接接头的冲击韧性越低。实践经验证明，如果采用普通低合金钢的焊接热输入量焊接马氏体耐热钢，焊接接头的冲击韧性只有1030J。必须采用比较小的焊接输入热量施焊，如采用小直径焊条、比较小的焊接电流，比较快的焊接速度，比较低的层间温度，冲击韧性可以达到50100J。43 焊件焊后必须冷却到马氏体终止转变温度以下焊接接头在热处理之前冷却到马氏体转变温度以下是非常重要的，这样可以通过随后的热处理使全部马氏体得到回火。T/P92熔敷金属马氏体终止转变温度为100，所以要求焊后至少冷却到100，保温0.51小时，然后才能进行焊后热处理。 44 焊后热处理P92钢管焊接结束之后，必须冷却到80-100，才能进行焊后热处理。热处理温度和保温时间对冲击韧性影响的试验结果见表3。随着焊后热处理温度和保温时间增加，冲击韧性得到改善。提高焊后热处理温度，可以大大缩短焊后热处理保温时间，但热处理温度不能超过Ac1温度。推荐焊后热处理温度为76010，保温时间为46小时。应特别仔细测量和控制焊后热处理温度。对于厚壁焊件，特别是进行单面加热热处理的管道焊缝，为了获得比较高的蠕变断裂强度和冲击韧性，保温时间为56小时，热处理的升温速度一般为80120/hr，热处理的冷却速度一般为150/hr。表3 热处理温度和恒温时间对冲击韧性的影响热处理温度Akv（J）保温时间2小时保温时间4小时保温时间6小时7401425437503553-7604567-5 焊接操作工艺对接头质量的影响及其分析 通过大量的焊接工艺试验，总结出来许多有利于提高焊缝冲击韧性的焊接操作方法，现总结以下几点：（1） 氩弧焊打底时必须进行有效背面氩气保护，因为钢中Cr含量高达10%左右，以防止焊缝背面氧化。（2 ）坡口焊的焊道排列对冲击韧性有比较大的影响，采用一层两道焊接操作方法比一层三道的冲击韧性好。（3）熔敷金属和焊接接头的冲击韧性有比较大的差别，一般大口径管道焊接接头的冲击韧性比熔敷金属的冲击韧性好。（4） 不同焊接位置对冲击韧性有很大的影响，一般大口径管道横焊的冲击韧性比平焊和立焊的冲击韧性好。（5） 薄焊道比厚焊道的冲击韧性高，一般希望焊道的厚度2.5mm。GTAW工艺焊层应尽量厚。（6）小线能量（见表4）比快速摆焊比慢速直道焊的冲击韧性好。（7） 管道单面加热热处理和双面加热热处理方法对焊缝的冲击韧性也有很大的影响，单面加热热处理的内、外壁存在较大的温差，影响焊接接头的冲击韧性。故建议采用比较低的热处理温度和比较长的热处理时间。表4 焊条手工电弧焊的焊接工艺参数直径电流电压预热层温冷却要求热处理升温速度降温速度mm安培伏特/h/h/h/h3.290-13021-26200250缓冷至室温760/280-120100-1504.0120-16022-27200250缓冷至室温760/280-120100-150试验温度焊后热处理屈服强度抗拉强度断裂部位Akv硬度/hMPaMPaJHV20760/2489665母材60，58，62236-262表5焊接接头的机械性能（规格300*40mm）影响焊缝冲击韧性的因素及对策主题主要影响因素产生原因对策人对冲击韧性认识不足不了解焊缝为什么冲击韧性低学习P92设计方案焊工操作不熟练对焊材的工艺性未掌握培训、听从技术交底热处理工未按规程测温点设置差，升、降温过快等培训，严格按热处理WPS执行机电焊机差电流、电压不稳定计量合格，调试或更换热处理机不准实际温度与热处理机不符计量并对热处理机温度修正测温机不准实际温度与工件温度不符计量或多种测温仪校核焊接参数记录仪差未能及时正确反映线能量对参数仪校核料母材化学成分不当碳、钨、锰、硅、镍等因素过量查质保书或更换焊材差药皮过渡、成分未有效控制，影响Ac1温度及冲击韧性选用合适的焊材，力求钢芯过渡坡口形状及尺寸差未按规定的坡口尺寸加工调整焊缝成形系数，修正坡口形状焊条未烘干未按说明书烘干焊条查烘箱是否正常按规定烘干焊条法对口间隙过大或过小未考虑焊缝收缩量或未固定调整间隙，固定点焊处内充氩不当充氩装置不可靠，流量过大或过小查充氩装置，调整氩气流量预热温度过低未按要求进行预热GTAW150200，SMAW200250线能量过大焊接电流过大，走速太慢线能量必须控制在2000J/cm以下操作工艺不当焊层过厚，焊道太宽，焊缝布置不当，走速太慢取得P91钢合格证，严格按WPS进行热电偶布置不当未按规定布置热电偶，温度反映不真实，内外温差大按规定的加热方法进行加热，热电偶的布置应合理、装置可靠焊后未冷却到80100焊后必须使焊缝冷却，使之全部转变为马氏体80100停留2小时，但不能焊后直接加热也不能冷至室温热处理的最高温度及恒温时间不当最高温度、恒温时间设置不当直接影响冲击韧性最高温度设置为76010，恒温时间为4小时升降温速率过快升降温设置不当按P92钢不同厚度设置升降温度环冲击试验环境温度过高或过低未重视环境对冲击韧性会产生影响把标准的冲击韧性试件置于20的恒温槽中，然后按规定进行试验无P92钢焊接经验人员焊接参数记录仪不准热处理机不准焊机不稳测量、校核正确后投运测量装置是否可靠调电流、电压；计量合格设备操作不熟练技术交底、明确要领学习新钢种特点掌握焊缝冲击韧性的影响因素熟读评定方案具有P91钢焊工合格证选择ZX7焊机原始温度的调整多种机型对其参数进行调整测温仪不准按设计方案调整好氩气的流量充氩装置是否可靠GTAW时充氩采用多种组合方法测温，及时掌握温度GTAW时150200SMAW时200250预热影响焊缝冲击韧性的因素每层焊道的厚度不大于所使用焊材的直径工艺用电磨打磨超过部分操作焊道宽度不大于所用焊条直径的4倍随时监控超温停止焊接层间温度GTAW不大于250，SMAW不大于300不大于2000J/cm线能量控制电流、电压、焊接速度严格控制76010 4小时焊后热处理严格升降速度，控温正确材料按规定烘干打底时内充氩，电焊时单头堵死，第一层冲氩保护施焊场所挡雨防风设施可靠分析P92钢各种元素的含量及对冲击韧性影响查P92钢质保书钢管选择钢芯过渡的焊材并查质保书焊材管内挡风，施焊处防风防雨20冲击焊接冲击环境为20风速过大环境环境温度高或低于20时放入恒温箱P92钢焊缝冲击韧性低因果分析树图法预热温度过高