P92新型耐热钢的焊接性分析(毕业论文).pdf

2015 届毕业论文2015 届毕业论文 P92 新型耐热钢的焊接性分析 院 、 部：机械工程学院 学生姓名：杨碧峰 指导教师： 任芝兰职称副教授 专业：金属材料工程 班级：1103 完成时间：2015 年 5 月 28 日 1 摘要摘要 P92 钢是在原有 P91 钢成分的基础上，采用多种复合固溶（降低 Mo 含量、加入适 当 W 形成 W-Mo） 、弥散沉淀（加入 V、Nb 和 N 形成碳氮化物） 、间隙固溶（加入 N） 、 晶间固溶（加入微量的 B 形成 B 的晶界强化）等强化手段，从而研制出新型的铁素体 耐热钢。与 P91 相比，强度得到提高，最高服役温度超过 615。综合国内超超临界 机组服役条件、 现有耐热材料性能和经济条件， 国内超超临界机组正在大面积采用 P92 钢材料。 首先，本文从理论出发综合探讨了 P92 钢的焊接冷裂敏感性、热裂纹敏感性等。 理论分析结果为：由于 P92 钢合金含量高，且经过正火加回火生产出的 P92 钢在室温 下组织是马氏体组织，这也就决定了 P92 钢具备淬硬性，该性能将会形成较多的的晶 格缺陷（空位、位错） ，同时在热力不均及应力作用下易形成裂纹源，且该裂纹源在 后续工作条件下产生裂纹所需要吸收的能量低，即具有冷裂纹敏感性。 其次，又通过可焊性试验验证理论分析结果，可焊性试验及结果为：通过 P92 钢 可焊性试验（斜 Y 型坡口焊接裂纹试验及插销冷裂纹试验）得出，P92 钢具有一定的 冷裂纹敏感性，有效防止该裂纹产生的方法是将 P92 钢在预热至 150以上后再进行 焊接。 最后，通金相试验、拉伸试验、测弯试验、冲击试验等对 P92 钢的焊接接头组织 及性能分析， 从而验证焊接性理论分析结果及通过理论分析结果所采用的焊接方法及 参数的合理性。 关键词： P92 钢；超超临界；高温性能；焊接性 2 Abstract P92 steel is on the basis of the original composition of P91 steel, use a variety of composite solid solution formation (lower Mo content, appropriate W W - Mo), dispersive precipitation (add V, Nb and N form carbon nitrides), interstitial solid solution (N), intergranular solution (trace the formation of grain boundary strengthening B) B, such as reinforcement method, thus developed a new type of ferritic heat resistant steel.Compared with the P91, strength, maximum service temperature over 615 .Comprehensive domestic ultra-supercritical unit service conditions, the existing heat resistant material performance and economic conditions, domestic ultra-supercritical units are large area using P92 steel material. First of all, this article embarks from the theory of comprehensive discusses the welding cold cracking sensitivity of P92 steel, hot crack sensitivity, etc.Theoretical analysis results for: owing to the high content of P92 steel alloy, and after normalizing and tempering produce of P92 steel at room temperature is martensite, it also determines the P92 steel hardenability, this performance will form more lattice defects (vacancy and dislocation), at the same time under the action of thermal stress and uneven easy source of crack formation, and the crack source in the subsequent work to absorb the energy needed to produce crack under the condition of low, with a cold crack sensitivity. Second, and the theoretical analysis results are verified through the solderability test, solderability test and the result is: by P92 steel weldability test (inclined Y type groove weld crack test and bolt cold crack test), effectively prevent welding process middle cold cracks approach is to P92 steel preheat to 150 above after welding. Finally, through metallographic test, tensile test, bend test, impact test and so on of P92 steel welding joint organization and performance analysis, so as to verify the weldability used by theoretical analysis results and through the theoretical analysis results of welding method and the rationality of the parameters. Key words： P92 steal；ultra-supercritical；high temperature behavior；weldability 3 目录 1绪论.5 1.1 研究背景.5 1.2 P92 钢国内外研究现状.5 1.3 研究目的和意义.6 1.4 本课题的研究内容.6 2P92 钢化学成分及组织性能分析.8 2.1 P92 钢化学成分和组织.8 2.1.1 P92 钢的化学成分.8 2.1.2 P92 钢的金相组织.8 2.2 P92 钢物理、力学性能.9 2.3 P92 钢的主要高温性能.9 2.3.1 P92 钢的蠕变断裂强度.9 2.3.2 P92 钢的抗高温腐蚀和抗高温蒸汽氧化性能.10 2.3.3 P92 钢的低周疲劳性能.10 3P92 钢的可焊性分析.11 3.1 焊接性概念及研究方法.11 3.1.1 焊接性的定义及其影响因素.11 3.1.2 焊接性研究方法.11 3.2 P92 钢试验用焊材、工艺及参数确定.13 3.3 P92 钢的可焊性分析.14 3.3.1 P92 钢焊接冷裂纹敏感性分析.14 3.3.2 P92 钢焊接焊缝金属热裂纹敏感性分析.15 3.3.3 P92 钢焊接再热裂纹敏感性分析.15 3.3.4 P92 钢焊接 IV 型蠕变裂纹分析.15 3.4.5 P92 钢焊接接头的脆化.17 4P92 钢焊接接头性能及试验结果分析.18 4.1 插销冷裂纹试验及其断口扫描实验.18 4.1.1 试件的制备.18 4.1.2 试验步骤.18 4 4.1.3 试验结果及分析.19 4.2 斜 Y 型坡口焊接裂纹试验.21 4.2.1 试件的制备.21 4.2.2 试验步骤.21 4.2.3 实验结果及分析.21 4.3 P92 钢焊接接头常温下拉伸试验.22 4.3.1 P92 钢焊接接头常温拉伸试样制备.22 4.3.2 试验步骤.22 4.3.3 实验结果及分析.22 4.4 P92 钢焊接接口金相试验.23 4.4.1 P92 钢金相试样制备.23 4.4.2 试验步骤.23 4.4.3 试验结果及分析.24 4.5 P92 钢焊接接口硬度分布测试.25 4.5.1 试验步骤.25 4.5.2 试验结果及分析.25 4.6 P92 钢常温冲击试验.25 4.6.1 P92 钢常温冲击试样制备.25 4.6.2 试验步骤.26 4.6.3 实验结果及分析.26 4.7 P92 钢常温下侧弯试验.27 4.7.1 P92 钢常温侧弯试样制备.27 4.7.2 试验步骤.28 4.7.3 试验结果及分析.28 5结论.29 参考文献.31 致谢.32 5 1绪论 1.1 研究背景 有关数据表明， 现目前我国正在使用的超超临界机组容量峰值已经超过了 950MW， 正在建设和计划建设的同类型机组超过 45 台，服役温度超过 600 1，压力一般在 2526.5 MPa。由于之前国内超超临界机组数制备材料主要采用 P91 钢，P91 钢由于 自身力学性能的原因，在服役条件超过 600后时，应力降至小于 75MPa，如果继续 服役，就会出现老化速率急剧上升，很快就不能满足机组运行物理性能、化学性能及 安全需求。九十年代初期，日本某企业在 P9 的基础上，采用多种复合固溶（降低 Mo 含量、加入适当 W 形成 W-Mo） 、弥散沉淀（加入 V、Nb 和 N 形成碳氮化物） 、间隙固溶 （加入 N） 、晶间固溶（加入微量的 B 形成 B 的晶界强化）等手段，从而开发出了强度 更高、服役允许温度更高的新型耐热钢 P92，并纳入 ASME SA335 标准 2。 P92 钢是在 P91 钢的基础上添加 W 取代部分 Mo，从而提高了其高温强度，其 Mo 当量(Mo+0. 5W)都在 1.5%左右。P92 钢含 W 量在 1.8%左右，由于 Cr 含量被提高，又 继续添加了 0.31.70%左右的 Cu 来降低 Cr 当量以避免产生 S 铁素体。P92 钢与 P91 相比，强度得到提高 4，最高服役温度超过 615。综合国内超超临界机组服役条件、 现有耐热材料性能和经济条件，国内超超临界机组正在大面积采用 P92 钢材料。 由于 P92 钢服役条件的特殊性，其现场焊接大多采取手工电弧焊，而手工电弧焊 焊接 P92 钢获得的是铸造组织，难以满足其服役需求。因此，需要采用更为合适的焊 材、焊接方法及焊接参数。 1.2 P92 钢国内外研究现状 近几年国内外关于 P92 钢焊接性研究的方向主要是探讨焊接方法及其工艺对焊 接接头性能的影响，对焊材及母材的接头结合性能研究不足。P92 钢由于合金元素含 量较高，且合金成分对 P92 钢本身的焊接性有很多的影响，导致其焊接性较差，施焊 过程中很容易产生各种焊接缺陷 9。 近几年，国内外 P92 钢焊接方法主要有氩弧焊、手工电弧焊、埋弧焊，焊接工艺 大多采用施焊前对 P92 钢母材进行 150以上温度预热然后采用充氩装置对 P92 钢 6 焊接母材进行充氩保护再采用手工氩弧焊对焊接接头进行对口点固再采用手工 氩弧焊打底焊（一般为前 13 层）再采用焊条电弧焊填充和盖面再恒温静置适当 时间最后进行焊后热处理。 由于 P92 新型耐热钢的含铬高达 8.59.5%，属于高铬耐热钢，这就决定了自身 具有空淬性，即 P92 钢属于高淬透性钢，高温完成后，在焊缝及热影响区冷却的过程 中，就能产生回火马氏体组织，硬度很高。又由于其合金成分复杂，部分合金元素含 量较其他耐热钢而言较高，所以导致在对其进行焊接时，如果采用通用的焊接方法很 难保证其焊接性能，所以，P92 钢的焊接更为困难、复杂，焊接工艺规范更严格 9。 P92 钢焊接过程中常出现焊接冷裂纹及热影响区出现脆性组织。所以，国内外大多采 用焊前对母材 150以上温度预热、惰性气体保护施焊（常用氩气保护） 、施焊过程中 采用小线能快速焊严格控制层间温度（让焊接焊层尽可能薄，让后一道焊层对前一道 焊层起回火作用） 、后热、焊后热处理等。 1.3 研究目的和意义 在以往的超超临界机组用钢中，Cr-Mo 钢的高温蠕变断裂强度低，导致机组在高 温条件下使用受到约束，主要表现为寿命低、运行不可靠等；P22 钢、12Cr1MoVG 钢 的极限许用温度都低于 570，而且现目前的超超临界机组工作参数任需要进一步提 高，从而导致迫切需要新型耐热钢的开发及相应技术完善，从而提高机组功率、减少 能耗及机组维护成本。 较奥氏体不锈钢而言， P92 钢蠕变性能高、抗热疲劳性强、热传导和膨胀系数更 优， 且抗腐蚀性和抗氧化性能也高于之前超超临界机组中使用的铁素体钢。 因此， P92 钢能作为运行参数（温度、压力）更高的超超临界机组材料 5。 随着各国及相应机构对耐热钢材料的研发力度不断加， 新建超超临界机组运行参 数及运行可靠性都有了较大改善。总之， P92 钢的运用越来越广泛，但 P92 钢的焊接 工艺在我国还没有较好的焊接经验借鉴， 因此增加了其使用难度和与之对应的设备安 装、维护成本。 综上，对 P92 钢的焊接性能展开分析，具有必要性、实用性和现实意义。 1.4 本课题的研究内容 本文主要通过对 P92 钢的物理、化学等方面全面分析阐述 P92 钢的焊接性能，给 实际生产过程中 P92 钢的焊接工艺制定做出理论指导， 本课题研究的内容主要有以下 几点： (1)首先取 P92 钢的性能数据，包括其材料成分、力学性能等方面数据进行比较， 7 简单阐述其综合焊接性能。 (2)然后通过对国内外常用的几种 P92 钢焊接材料进行成分、焊接工艺性能、含 氢量等数据比较，最终选择本论文焊接试验所需制备试件的焊接材料，然后选择合适 的焊接方法、焊接参数及完成焊接性试验试件的制备。 (3)完成焊接性分析实验，综合若干焊接接头性能分析实验及数据，得出结论。 8 2P92 钢化学成分及组织性能分析 2.1 P92 钢化学成分和组织 2.1.1 P92 钢的化学成分 当下较为标准的、性能成熟稳定的 P92 钢是在原有 P91 钢成分的基础上，采用多 种复合固溶（降低 Mo 含量、加入适当 W 形成 W-Mo） 、弥散沉淀（加入 V、Nb 和 N 形成 碳氮化物） 、间隙固溶（加入 N） 、晶间固溶（加入微量的 B 形成 B 的晶界强化）等强 化手段，从而研制出新型的铁素体耐热钢。 由于是在 P91 的基础上开发出来的，因此其本身有部分性能和 P91 相同或相近， 其中，焊接性在有些方面就与 P91 钢有相似之处。大量数据显示，国内外的 P92 钢大 部分是在正火+回火后获得回火马氏体组织，在该种组织下使用更能体现其耐热钢的 优良性能。ASTM 标准规定 P92 钢化学成分控制范围如下表： 表 1P92 钢化学成分（%） CMnPSSiCrMoVWNbBN 0.040.0010.03 20.00.2520.090.0060.07 2.1.2 P92 钢的金相组织 国内外的 P92 钢大部分是在采用多种复合固溶强化及超纯净冶炼技术， 再通过正 火+回火后获得回火马氏体组织 (图 1)。该组织具有优异的的淬透性、高硬度和高耐 磨性，且内应力有所降低，因此其韧性、蠕变断裂强度有所提高。 图 1P92 钢回火马氏体组织 9 2.2 P92 钢物理、力学性能 查阅资料，P92 钢在室温下力学性能如下表 2： 表 2P92 力学性能指标 力学性能数值备注 屈服强度（Mpa）440常温 延伸率(%)20常温 抗拉强度（Mp）620常温 硬度(HB250常温 根据焊接原则，焊缝金属的抗拉强度值应大于母材抗拉强度值 13，焊接接头金属 硬度值不低于母材硬度值的 90%、不能超过母材硬度值 100HB 以上，现今，市场供应 料的 P92钢的硬度一般在 HB185HB240之间， 结合P92钢供应商和焊材供应商的建议， 将焊接接头金属硬度值控制在 HB180HB250 范围为宜 6。 P92 钢重要物理性能在不同工作条件下的变化情况： 表 3P92 重要物理性能 温度()常温120220320420500550600650 弹性模量 Gpa 比热 jkgk 线膨胀系数 10 -5 193 420 183 430 11.5 182 460 11.9 174 480 12.1 510 12.5 153 580 12.8 600 13.0 97 630 13.2 640 13.2 2.3 P92 钢的主要高温性能 2.3.1 P92 钢的蠕变断裂强度 目前国内亚临界机组大量服役的 P22 钢，其高温强度远远低于 P92 钢。有关数据 表明，P92 在 600、610温度及允许应力工作条件下其持久强度分别为 131Mpa、 101Mpa，在同等情况下，P91 钢为 98Mpa、68Mpa，显然，P91 钢特别是在大于 600 服役条件下的高温蠕变断裂强度低于 P92 钢 7。 根据 ASME335 标准，P92 钢不同温度下持久强度估算如下： 表 4不同条件下 P92 钢的持久强度 温度 T（）525550 575600625650 持久强度（Mpa）24219716413110375 10 2.3.2 P92 钢的抗高温腐蚀和抗高温蒸汽氧化性能 由于 P92 钢中 Cr 的含量高达 8.59.5%，确定了其足够快的扩散速率，从而补充 在恶劣工作条件下机体生成氧化皮而导致的机体流失， 从而拥有有效抗高温蒸汽氧化 和抗高温腐蚀的能力。 2.3.3 P92 钢的低周疲劳性能 从图 2 中可以看出，P92 钢在高温环境下具有很好的低周疲劳性能 1。资料还显 示，当其服役温度高达 650左右时，其低周疲劳性能变化也不大。 图 2P92 钢的低周疲劳变化 11 3P92 钢的可焊性分析 3.1 焊接性概念及研究方法 3.1.1 焊接性的定义及其影响因素 在焊接技术中，焊接性是指金属在特定的焊接工艺条件下，能否获得完整的、一 定使用性能的焊接接头的特性。换句话说，焊接性是指材料在焊接工艺（焊材、方法、 参数等）下施焊，获得完好的、能满足使用要求的焊接接头的难易程度。 评定金属的焊接性主要从这两个指标出发： 一是金属在焊接加工中是否形成缺陷 （夹渣、气孔、裂纹等） ，即对冶金缺陷的敏感性；二是焊成的接头能否同母材在服 役条件下按要求服役的能力，即使用性能。只要该金属材料同时满足这两个指标，才 可以说该金属材料焊接性能优异。 焊接性的影响因素有很多，包括内因和外因两个方面，内因是指金属本身所含成 分及组织；外因是指焊料选焊因素、施焊方法因素、施焊环境因素、工艺参数因素、 材料结构因素及材料使用条件等。内因和外因中所包含的条件无论任何一个改变，都 会影响焊接性，即焊接性不是单纯的材料本身所具备的性能。 在焊接性的影响因素中，材料的内因（成分、组织）起到决定性的影响。当然， 焊料也决定着焊缝的成分及其物化性能。 如果焊料与母材匹配不当， 会大大增加夹渣、 裂纹等缺陷，更严重的会导致接口软化、脆化等性能发生变化。所以，正确合理选择 焊材和正确评估母材材料因数对焊接性能的影响，才能保证金属材料的良好焊接性 10。 生产数据表明，即使是同一种材料，在不同的焊接工艺下所表现的焊接性也是不 一样的，其主要从两个方面影响材料的焊接性：焊接热源的特点；对熔池和接头 附近区域的保护方式。 此外，焊接接头处的刚度、应力集中、多轴应力、焊条、焊剂、焊接坡口类型确 定等，也都应当给予考虑。 3.1.2 焊接性研究方法 焊接性评定的方法有很多，大致又可以分成三类；模拟类方法、实焊类方法、理 论分析计算类方法 8。 在焊接性研究中，模拟类方法最常使用插销冷裂纹敏感性试验；实焊类方法常用 12 斜 Y 坡口对接裂纹试验、窗口拘束试验等；理论计算类方法应用有碳当量法、冷裂纹 敏感系数等 8。 在本文后续的章节中将对插销试验法、 斜 Y 型坡口焊接裂纹试验等方 法对 P92 钢的焊接性进行分析。 总之， 评估焊接性的方法有很多， 差别在于角度不同， 但都能起到考核或阐述焊接性的某一个或多个方面。因此，想要全面评估材料的焊接 性，需要从母材、焊接结构、焊接工艺、焊接参数等方向进行系统的、全面的、综合 的的焊接性评估试验。 现对几种常见的试验法进行简单介绍如下： 1焊缝金属热裂纹敏感性 由于 P92 钢的合金成分中含有 S、P 等不利于焊接的元素，再加上热应力作用的 双重影响，就可能在 P92 钢的焊接结晶末期产生热裂纹 14。该裂纹出现频率高且危害 极大，在评估金属材料的焊接性时，对该性能的评估是一项不可或缺的内容，该性能 通常是通过热裂纹实验来进行的，热裂纹实验与焊接材料关系密切，母材也有一定影 响。 2焊缝和热影响区冷裂纹敏感性 焊接热循环作用下， 由于组织及性能的变化， 加上受到扩散氢和焊接应力的影响， 焊缝和热影响区金属可能发生冷裂纹。该裂纹出现频率高且危害极大，在评估金属材 料的焊接性时，对该性能的评估同热裂纹敏感性一样，都是不可或缺的内容。该实验 是针对母材本身进行的。 3焊缝金属抗脆性转变的能力 在 P92 钢的焊接过程中，由于焊接接头受到硬脆的非金属夹杂物、脆性组织、冷 作硬化、 时效脆化等作用的影响， 导致硬度急剧下降， 即发生硬脆转变。 因此， P92 钢 焊接接头抵抗因非金属夹杂物、脆性组织、冷作硬化、时效脆化等导致其发生硬脆转 变的能力也是在其焊接性评定中一个非常重要的数据。 4焊接接头使用性能 在不同的工作环境下，由于温度参数等对材料理化性能的影响不同，所以许多焊 接工艺的制定都是以获焊要求的焊接接头性能而制定的，焊接接头使用性能试验包 括：常规力学性能（硬度、强度、韧性等）试验、低温脆性试验、断裂韧性试验、高 温韧性试验、疲劳试验、耐腐蚀试验等。 在焊接技术中，焊接性是一个非常重要的技术指标，是指金属能否适应焊接而形 成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性，该性能主要包括两方面：一是金属 在焊接加工中是否形成缺陷（夹渣、气孔、裂纹等） ，即对冶金缺陷的敏感性；二是 焊成的接头在服役过程中能否可靠运行的能力。前者称为工艺焊接性，是相对于其他 金属焊接性而言的，主要衡量指标是在焊接过程中通过焊接工艺、方法等规避焊接缺 陷出现的能力；只有全面考量，同时具备这两个方面有利于焊接的因素，方可说该金 13 属具有良好的焊接性能 11。 3.2 P92 钢试验用焊材、工艺及参数确定 目前国外使用较多的焊材有 MTS616、Chromet 92 和 CR-12S 这三种；国内使用较 多有 KJ92 一种。这四种焊材的化学成分、焊接性能及焊接力学性能分析入下表： 表 5四种焊条熔敷金属化学成分(%) CMnPSSiNiCrMo KJ92 CR-12S Chromet 92 MTS616 0.10 0.01 0.085 0.10 0.64 0.62 0.57 0.61 0.0081 0.005 0.009 0.009 0.008 0.005 0.01 0.010 0.20 0.19 0.22 0.19 0.44 0.52 0.44 0.59 8.60 8.01 7.98 8.50 0.49 0.48 0.38 0.49 表 6四种焊材工艺性能比较 焊材稳弧性成型性脱渣性再引弧熔池流动性飞溅综合评定 Chromet 92 MTS616 CR-12S KJ92 好 好 好 好 好 较好 较好 好 较好 较好 较好 较好 容易 容易 容易 容易 较好 一般 一般 较好 较小 一般 较小 较小 好 较好 较好 好 表 7四种熔敷金属扩散氢含量 焊条KJ92CR-12SChromet 92MTS616 H (ml/100g) 2.51、3.50 3.79、2.64 2.36、1.49 1.81、2.33 2.67、3.26 2.10、2.88 0.87、1.40 1.65、1.76 表 8四种熔敷金属室温力学性能 焊条抗拉强度 Mpa 非比例拉伸强度 Mpa 断后伸长率 （5d）% 断面收缩 率% 冲击功 （20）J 硬度 HB KJ92 CR-12S Chromet 92 MTS616 849 756 761 779 781 584 636 636 14.1 21.1 16.9 17.3 58.2 55.9 56.1 61.0 21 50 53 42 225 201 200 203 表 9四种熔敷金属 600 短时高温力学性能 焊条抗拉强度 Mpa 屈服强度 Mpa 断后伸长率 （5d） %断面收缩率% KJ92 CR-12S Chromet 92 MTS616 459 403 481 459 408 372 448 409 21 24 20 22 75 79 70 74 14 通过对以上四种焊接材料化学成分、焊接性能及焊接力学性能分析，根据 DL/T869-2004火力发电厂焊接技术规程以及相关焊材选择原则，最终选择德国伯 乐蒂森(Bohler/Thyssen)的 MTS616 作为本次 P92 焊接性分析的焊材，采用钨极氩弧 焊(TIG)打底，焊条电弧焊(SMAW)填充、盖面，具体情况如下 5： （1）TIG 焊：一层焊在氩气保护下完成；施焊层道数 【5】 ：12 层；焊条（焊丝） 及规格：规格为2.4 的 MTS616 焊丝。 （2）焊条电弧焊(SMAW)：焊层数量；35 层：焊条（焊丝）及规格：规格为4.0 和3.2 两种 MTS616 焊条。 表 10焊接参数表 焊层焊接 方法 焊条（焊丝）极性电流 （A） 电压 （V）型号直径（mm） 第 1 层 第 2 层 第 3 层 第 4 层 第 5 层 TIG TIG SMAW SMAW SMAW MTS616 MTS616 MTS616 MTS616 MTS616 2.4 2.4 3.2 3.2 4.0 直流正接 直流正接 直流反接 直流反接 直流反接 80100 110120 110130 135160 110130 1012 1012 2126 2126 2228 （3）清理与检查：每焊完一层，都需清理焊渣，保证焊道无表面缺陷再继续施焊。 3.3 P92 钢的可焊性分析 3.3.1 P92 钢焊接冷裂纹敏感性分析 在之前的介绍中可知，P92 的合金含量很高，这决定了其在恶劣条件下工作的优 异性能，但由于 P92 钢合金含量高，且经过正火加回火生产出的 P92 钢在室温下组织 是马氏体组织，这也就决定了 P92 钢具备淬硬性，因此，在焊接过程中，淬硬将会形 成较多的的品格缺陷（空位、位错） ，同时在热力不要均及应力作用下易形成裂纹源， 且该裂纹源在后续工作条件下产生裂纹的所需要吸收的能量低，即很容易产生裂纹。 即 P92 有冷裂纹敏感性 15。 大量研究及生产数据表明，P92 钢的焊接影响区通常在冷却过程中出现的裂纹， 。 更值得关切的是，P92 钢的冷裂纹产生有延迟现象，即在焊后冷去至室温过后在时效 作用下产生，即产生延迟裂纹。研究表明，这种延迟裂纹大多与母材淬透性、含氢量、 约束应力有关，母材的淬透性已经具备，约束应力又只和施工方法及设计方案有关， 所以，选择低氢性焊材和通过控制好层间温度和焊前预热，就能有效的防止产生冷裂 纹 3。 15 3.3.2 P92 钢焊接焊缝金属热裂纹敏感性分析 在焊接过程中，当温度上升到一定程度时，材料中原有奥氏体组织的晶界受到温 度影响发生破裂现象，此时，原奥氏体组织破裂的晶界在高温和材料内部其他元素的 影响下发生表面腐蚀行为。大量研究数据表明，该现象发生在溶池凝固温度临界点左 右阶段。由于 P92 钢采用了多种强化手段，其材料成分复杂，这就导致在对其施焊过 程中，具备一定的焊接裂纹倾向。P92 钢合金程度高，但由于其硼、硫含量低，猛含 量高，这些因素共同决定了其在施焊冷却过程中，随着温度的降低所导致产生的低溶 点共晶物很少。 又由于其自身线膨胀系数小， 因此， P92 钢产生结晶裂纹倾向并不大 15。 3.3.3 P92 钢焊接再热裂纹敏感性分析 P92 钢在焊接过程中，产生再热裂纹的原因是：在施焊过程中，随着焊接的进行， 焊接热影响区温度不断增加，当热影响区的温度上升到 130左右时，材料中的碳化 物开始逐渐溶入固溶体，等施焊结束后，热影响区金属组织的温度开始快速冷却，这 时，之前在施焊过程中溶入固溶体中的碳化物来不及析出，停留在了固溶体内。等焊 缝及热影响区温度再次升高， 热影响区停留在固溶体内的碳化物析出， 形成沉淀强化。 而材料中的硫、硼等元素分布不均匀，导致晶界处出现硫（或硼）的集聚或空穴，改 变了 P92 钢原有微观形貌，从而导致塑性变形能力大大降低，此时，晶内强度高于晶 界强度，在后续的加工过程中（主要指去应力回火或正火） ，晶界处因附加应变造成 晶粒的滑移，随着滑移现象的加剧，就表现成了宏观裂纹的出现。 为进一步分析 P92 钢的再热裂纹敏感性，查阅相关资料后，采用晶内二次硬化的 观点，釆用以下经验公式 15： Gl=Cr+3.3Mo+8.1V-2(1) 把 P92 钢的化学成分代入可得出G10，即 P92 钢再热裂纹敏感性低。 3.3.4 P92 钢焊接 IV 型蠕变裂纹分析 P92 钢焊后处理时（主要是回火或正火） ，焊接接头金属就会发生组织的改变，出 现硬度下降，形成软化带。这种情况下，如果发生纵向应力作用，就有可能出现螺变 断裂。大量数据表明：P92 钢在低应力条件下长期工作时，焊缝金属的断裂强度明显 降低，容易出现低塑性早期失效断裂，即 IV 型螺变损伤断裂，断裂位置如图： 16 图 3 焊接接头的裂纹类型 型螺变裂纹（即上文介绍的再裂纹）主要出现在与热影响区相邻的粗晶区；IV 型螺变裂纹主要出现在细晶粒软化区；型裂纹主要发生在焊缝区域；型蠕变裂纹 （由型螺变裂纹向热影响区发展）主要发生在热影响区，具体如上图所示。 为了防止 P92 钢焊接接头在高温环境下服役的过程中产生 IV 型裂纹， 在施焊前， 应到综合考虑冷裂纹产生因素的情况下，采用较低的预热温度；在施焊过程中，应严 格控制每一道焊层的厚度（焊层尽可能薄）及焊层之间的层间温度，利用焊层对与焊 层之间的回火作用，从而强化焊层之间的约束作用，这样就可以有效避免（或降低） IV 型裂纹的的产生 15。 下图为国内某公司P92钢材料在超超临界情况下服役一万多小时后出现了该裂纹 的宏观形貌图： 图 4型蠕变裂纹形貌 17 3.4.5 P92 钢焊接接头的脆化 由之前对 P92 钢焊接冷裂纹敏感性分析中我们已经得出避免焊接冷裂纹的方法 为：在施焊前对 P92 钢进行预热，预热温度 150以上；在施焊过程中严格控制焊层 （焊道）之间的温度，让后一个焊层对前一个焊层起回火作用，这样就能对焊缝金属 产生自回火作用，产生综合力学性能良好的回火马氏体组织，这样就可以有效的避免 （或能减少）焊接冷裂纹的出现。但是，如果在施焊过程中，前一个焊道落在后一个 焊道 740以下（特别是 550）的热影响区区域内，焊接接头的冲击靭性就会显著 下降。因此，我们在焊接过程中应尽量使先焊焊道落在后焊焊道 750以上的热影响 区内， 即每层焊缝的厚度必须适当。 焊接过程中根据厚大焊件峰值温度的计算公式(2) 来设法控制焊层厚度，尽量使先焊焊缝落在后焊焊道 750以上的热影响内，这样就 能