P92钢及其焊接技术研究.doc

P92钢及其焊接技术研究来源：中国电力科技网 作者：闫平 吕继祖 卞小军 吕道华 2009-2-27 19:34:21P92钢及其焊接技术研究 闫平 吕继祖 卞小军 吕道华 （中国华电工程（集团）有限公司管道分公司，北京市海淀区西三环北路91号（南门）100044） 摘要：本文通过对P92钢的焊接性分析，焊接材料的选择与试验及焊接工艺评定试验，提出了P92钢GTAW+SMAW+SAW的工厂化组合焊接技术，并成功应用于华电邹县电厂21000MW机组和外高桥三期21000MW机组等工程。 0 前言 超临界、超超临界机组成为火电的发展趋势，而新材料的开发和利用为电站向高参数方向发展提供了有力的保障。A335 P92钢（欧洲EN牌号为X10CrWMoVNb9-2）是用钒、铌元素微合金化并控制硼和氮元素含量的铁素体钢（9%铬，1.75%钨，0.5%钼），比其它铁素体合金钢具有更高的高温强度和蠕变性能，它的抗腐蚀性和抗氧化性能等同于其它含9%Cr的铁素体钢。改良型912Cr钢因高温性能和可加工性能良好在超临界、超超临界机组中得到了广泛应用。与大型超超临界电站建设密切相关的P92钢的焊接和热处理工艺研究成为该材料能否成功运用的关键课题。 目前国内上马的所有超超临界机组普遍选择了P92作为主蒸汽管道和再热热段用管道材料。本报告通过理论分析和试验研究，提出合理的满足钢材使用性能和质量要求的P92钢工厂化焊接工艺，为P92钢管的工厂化配管铺平道路。 1 P92钢的化学成分和性能特点 根据国外资料介绍，P92钢的化学成分和组织性能具有以下特点： 1.1 SA335-P92钢是在P91钢的基础上添加W元素，适当减少MO元素的含量，开发出来的一种新型钢种。其化学成分见表1。 表1：SA335-P92钢化学成分（） C MnPSSiCrWMoVNbNBAlNi0.07 0.130.30 0.600.0200.0100.508.50 9.501.50 2.000.30 0.600.15 0.250.04 0.090.030 0.0700.001 0.0060.0400.401.2 P92钢的主要性能 （1）具有良好的物理性能 P92钢的线膨胀系数与P91钢相同，比奥氏体钢低，甚至还低于P22钢的线膨胀系数，故P92钢在机组启动和停止时，抗疲劳损伤的能力不仅会优于奥氏体钢，也会比P22钢强，导热率与P91钢相同，比奥氏体钢高。 （2）具有比P91钢更高的高温蠕变断裂强度 P92钢的常温强度和高温强度高于P91钢。根据各国测试结果，按照ASME标准估算出来的550、600和625等不同温度下10万小时P92钢的蠕变断裂强度分别为199MPa、131MPa和101MPa；而P91钢在相应温度下的蠕变断裂强度分别为141MPa、98MPa和68MPa。可以明显地看到P92钢的高温蠕变强度比P91钢高出很多。 （3）具有优异的常温冲击韧性 P92钢不仅具有比传统钢明显优越的高温性能，而且还有优异的常温韧度。它和P91钢的情况大致相同。 （4）具有优良的抗氧化性能 P92钢的抗烟灰氧化和抗水蒸气氧化的性能与P91钢大致相同。经测试，P92钢与P91钢在600、700下3000小时的水蒸气氧化皮厚度大致相同。 2 P92钢的焊接性分析 2.1 焊接裂纹敏感性比传统的铁素体耐热钢低 从斜Y拘束试验测试图中，可以看出P92钢只需预热到100，P91钢需要预热到180裂纹率为零，而P22钢需预热到300才能达到。 2.2具有较明显的时效倾向。 P92钢经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左右降到了70J左右，在3000小时时效以后，冲击功继续下降的倾向不明显，冲击功将稳定在时效3000小时的水平。时效倾向发生在550650的范围内，这个温度范围正是该钢材的工作温度范围。母材具有明显的时效倾向，与母材成分相近的焊缝也会有同样的倾向。 2.3焊缝韧性低于母材的原因 焊缝金属韧性不及母材的原因，在于焊缝金属是从温度非常高的熔融状态冷却下来的铸造结构，它没有机会经过TMCP过程（Thermal-Mechanical Control Process）即热控轧加工过程，晶粒得不到细化，Nb等微合金化元素还固熔在基体内，没有机会充分析出的缘故。 2.4 尽管P92钢开发出来已经有20多年了，但在国外大规模应用的业绩并不是太多，在国内刚开始应用。焊接接头是影响机组运行安全的最薄弱环节，由于P92钢合金元素含量高，焊接上有较大的技术难度，容易出现接头冲击功低和长期运行中的IV型开裂早期失效，如果焊接质量得不到保证，P92的优势将不复存在，并对机组运行安全性带来威胁。 3 P92钢大口径厚壁管道焊接的主要问题 由于P92钢具有明显的时效倾向，与母材成分相近的焊缝也会有同样的倾向。为了避免焊缝金属时效后韧性过低，提高焊缝金属时效前的原始韧度，为时效留出一定的余量，是P92钢大口径厚壁管道焊接的主要问题。围绕提高焊缝韧性这个关键问题，我们从焊材的选择、焊接中的预热、层间温度、焊接热输入量（表现为每层焊道的焊缝增高厚度）、热处理温度和时间等方面展开了研究，从大量的试验数据中寻找影响焊缝韧性的因素，编制提高焊缝韧性的最佳工艺，从而为保证SA335-P92钢工厂化配管焊接质量打下扎实的基础。 4 P92钢焊接材料的选择与试验 4.1 伯乐-蒂森公司出品的P92钢焊接材料试验情况 4.1.1 伯乐蒂森 MTS616/MARASON543 焊丝/焊剂组合埋弧焊熔敷金属堆焊试验情况 预热温度：200 预热方法：火焰加热 层间温度：200280 测温方式：采用点温仪在中部测温 焊后消氢处理：300X2h 加热方法：电阻加热片 焊接顺序：首先采用MTS616焊条 （4）手工电焊堆焊三层隔离层，厚度：56mm。 SAW-堆焊层：焊丝规格3mm，堆焊厚度约32mm，共焊10层16道。 堆焊焊接参数如下： I=450460A U=3031V V=400410mm/min焊丝/焊剂组合埋弧焊熔敷金属拉伸试验结果见下表 ： SAW熔敷金属常温、高温拉伸性能试验结果（PWHT：750*5h） 试验温度 s(Mpa)b(Mpa)d5(%)f(%)备注 室温 53062017保证值 室温 59577524.568.5室温 65076521.565.5600 42544012.581600 3954152184四种回火条件下的P92自动焊熔敷金属冲击功 焊接方法 规格（mm） PWHT*hAkv(J)平均值(J)试验温度（） SAW3750X52531202740760X46451.52039765X43847.52057775X458712084SAW熔敷堆焊金属化学成份分析结果表明：各化学元素含量均在标准规定的范围内。 4.1.2伯乐蒂森 MTS616 3.2和4焊条熔敷金属堆焊试验情况 预热温度：200 预热方法：火焰加热 层间温度：200300 测温方式：采用点温仪在中部测温 焊后消氢处理：300X2h 加热方法：电阻加热片 焊条规格3.2 mm，堆焊厚度：32mm，共焊15层76道。 堆焊焊接参数如下： I=120A U=2325V V=130150mm/min焊条规格4.0 mm，堆焊厚度：32mm，共焊12层54道。 堆焊焊接参数如下： I=150A U=2325V V=130150mm/min手工后焊熔敷金属力学性能试验结果见下表： P92手工焊熔敷金属拉伸试验结果 （PWHT：760*4h） 焊条规格 试验温度 s(Mpa)b(Mpa)d5(%)f(%)3.2焊条 常温 5857252261.5600 30034025.581.54.0焊条 常温 61575020.560P92不同回火条件下手工焊熔敷金属冲击功 来源：中国电力科技网 作者：闫平 吕继祖 卞小军 吕道华 2009-2-27 19:34:21规格（mm） PWHT*hAkv(J)平均值(J)试验温度（） 3.2焊条 760X474702066765X448462044775X4637920954.0焊条 760X45555.52056765X44747.52048775X45758.52060SMAW熔敷堆焊金属化学成份分析结果表明：各化学元素含量均在标准规定的范围内。 4.2 奥林康公司出品的P92钢焊接材料性能 焊条牌号：AL CROMOCORD 92（符合AWS SFA-5.5 E9018-G） 规格：3.2焊条类别：碱性焊条，焊后焊缝具有很高的抗高温蠕变性能，工作温度可达到600。 焊缝金属的化学成分（典型标准值）： C SiMnCrMoCoVNbNWBAlCu0.10.31.090.51.00.20.050.041.70.0030.0141J；自动焊操作时应适当加快焊接速度，控制每道焊层的增厚3.0mm,有利于确保焊缝冲击功41J； 7. 2试验证明,P92钢合理的回火参数范围应为21.321.6，能保证焊缝的韧性满足最低要求，但最佳焊接回火参数为21.5，这相当于75010小时或7606小时或7704小时的热处理作用效果，从提高效率、降低成本的角度出发，最合适的热处理温度应取770。更高的回火参数是否会对焊接接头产生不良影响未经试验论证，但焊后热处理温度上限不得超过焊接材料的Ac1温度点. 7.对工厂化配管加工来说，不适宜采用远红外电阻加热设备对大口径厚壁高合金钢管进行局部热处理,由于内外壁温差较大（经验表明：壁厚90mm的管道采用远红外电阻加热时，内壁温度比外壁温度低30以上），内壁焊缝将无法满足最低韧性要求，而采用整体进大炉热处理的方法则不存在类似问题。 超超临界机组新型耐热钢T/P92焊接监理工作作者：山东诚信工程建设监理有限公司 林学森 朱乃祥 樊晨超内容提要：目前华电国际邹县电厂正在扩建两台1000MW超超临界燃煤火力发电机组。本文首先从技术角度对该机组施工过程中所采用的新材料T/P92焊接工艺的现场质量技术控制要点、金属监督标准的制定作了简要介绍。然后结合工程监理的工作特点，说明监理工程师如何通过制定事前、事中控制措施，控制新材料T/P92的现场施工质量。重点阐述了工程监理人员在工程建设过程中所起的技术支持作用及对现场施工质量的控制作用。 关键词：超超临界机组 T/P92焊接 监理工作1. 超超临界机组简介超超临界锅炉技术于20世纪90年代初在欧洲问世，是目前国际上处于前沿的燃煤发电技术，具有煤耗低、环保性能好、技术含量高的特点。我国已经把大幅度提高发电效率、加速发展洁净煤技术的超超临界机组作为我国可持续发展、节约能源、保护环境的重要措施。因此，建设超超临界火电机组将是我国将来火电发展的主要方向。 华电国际邹县电厂扩建两台1000MW超超临界燃煤火力发电机组，本机组锅炉由东方锅炉(集团)股份有限公司(DBC)、东方日立锅炉有限公司(BHDB)、日本巴布科克-日立公司(BHK)联合制造。该锅炉为高效超超临界参数变压直流炉、单炉膛、一次再热、前后墙对冲燃烧方式、平衡通风、运转层以上露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构型锅炉。过热器出口压力(B-MCR工况)为26.25Mpa，温度为605，再热蒸汽进口/出口压力（B-MCR）为5.1/4.9MPa，再热蒸汽进口/出口压力（BRL）为4.841/4.641MPa，再热蒸汽进口/出口温度（B-MCR）为354.2/603，进口/出口温度（BRL）为347.8/603。汽轮机型式：超超临界、一次中间再热、单轴四缸四排汽、双背压、冲动凝汽式、八级回热抽汽。汽轮机的系统、性能设计由东方汽轮机厂与其技术支持方（日立公司）联合进行。2.技术要点超超临界火电机组的发展形势对金属材料的耐高温、高压性能提出了越来越高的要求。为适应电站运行参数的提高，更多的新材料及新工艺被采用，这就对监理工作提出了更高要求。针对该机组将面临的复杂的新材料、新工艺的应用问题，公司专门抽调精英、专家组成技术核心小组，同时综合考虑了年龄、学历、工程建设经验、综合知识的掌握程度和协调能力等因素组成了结构合理、富有层次和梯度的监理队伍。为监理工作的顺利进行奠定了良好的组织基础。2.1 现场质量控制的技术要点该机组高温过热器、屏式过热器、主蒸汽管道、高压旁路等需要高参数运行的部分管道采用了新型耐热钢T/P92。T/P92钢（9Cr-0.5Mo-2WVNb）是一种9%Cr铁素体耐热钢（日本钢号NF616），是常规T/P91钢的改进型钢种，其高温持久强度高于T/P91钢，因此采用P92作为主蒸汽管材较为适宜。T/P92钢与T/P91钢在成份上的主要差别是添加了约1.7%的W，并将T/P91钢约1%的Mo含量降为约0.5%（该种材料的化学成份见表一）。在焊接方面，由于我国缺乏相关的T/P92焊接经验。如何在施工现场正确控制T/P92全过程的焊接工艺参数是确保焊接质量的关键。表一 T/P92钢化学成分（%）CSiMnCrMoVNbWNBSP0.07-0.13 0.500.30-0.618.0-9.500.30-0.600.15-0.250.41.70.03-0.070.001-0.0060.0100.02通过查阅资料发现，T/P92型钢的焊接需要控制焊接线能量，在熔化良好的条件下不能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，焊接线能量应控制在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，宜控制在2.53mm以下。50余年来在焊接大直径厚壁低合金耐热钢中，电力行业焊工已形成了“大电流、断弧焊、大线能量、厚焊层、宽摆幅”的操作手法，在以往的实际工作中充分体现了这种操作方法的优越性。但对T/P92的实际施焊人员而言，必须熟练掌握“小线能量、快速连弧、小摆幅、薄焊层、多层多道焊”的操作手法。作为监理人员，平时现场巡视检查的重点之一就是施焊人员的操作方法。根据焊接性试验可知，T/P92钢具有一定的冷裂倾向，稍有不慎，就可能产生不允许存在的危害性较大的缺陷。实际生产中，手工电弧焊焊前预热温度200，手工氩弧焊150的预热可以有效的防治焊接冷裂纹的产生。 T/P92钢对焊后热处理要求很高，为防止生成粗大的魏氏体组织，焊后应立即加热到200左右并保温一段时间，使焊缝金属完全转变成马氏体后方可进行热处理，热处理应采用不少于4h的760回火温度。建议的T/P92钢焊接热处理循环曲线如图一，预热、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）图一 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，马氏体转变完成后再进行热处理。*小径薄壁管焊接接头恒温时间可按每毫米5分钟计算，且不小于1h。2.2 金属监督标准的制定电力行业施工金属监督一般依照火力发电厂焊接技术规程 DL/T869-2004和金属技术监督规程 DL438-2000等一系列标准来确定，该机组采用的T/P92钢是国内首次采用的新型锅炉用钢，如何结合现场施工条件与目前有效的金属监督手段，确定金属监督要求，成为了焊接监理与施工单位要共同面对和解决得问题。现场施工时对受热面类焊接接头做到了100%无损检测，同时参考部件规格、焊接位置、检验方法（射线或超声波）对缺陷的敏感度及探伤效率等因素灵活确定射线或超声波的探伤比例。对于大口径焊口的壁厚大于或等于70mm的焊接接头，当焊到20mm左右时候时，进行100%的射线探伤，焊接结束后进行一次超声波检验。即对于此类大口径焊口要达到200%的探伤要求。焊接监理对无损检测重点抓两个环节：一是检测数量要符合规程要求；二是射线透照底片质量要达到三项指标要求，同时对有冷裂倾向的T/P92焊口透照底片进行重点跟踪复评。针对T/P92钢的冷裂倾向，焊后硬度检测也成为金属监督的重点，具体实施过程中参考了瓦卢瑞克曼内斯曼钢厂的T/P92手册中对硬度值的试验数据。3. 监理工作3.1 事前控制 针对新材料、新工艺的采用，监理技术指导专家在工程初期就开始收集工程相关资料，为焊接工艺的制订、施工过程中的控制做好了技术准备。T/P92钢焊接工作开始前，由监理工程师主持召开了专题会议，与建设单位和施工单位一起对施工单位制定的T/P92焊接工艺评定进行了严格评审。由于焊接工艺是焊接质量的决定性因素，是焊接参数控制的重要环节，因此要作为事前控制的重点。会议中既要确定焊接电流、热处理曲线、焊后硬度值、无损检测等关键参数的标准、要求，还要明确焊材的选用、环境温度、湿度的控制等细节问题。要将施工过程中可能出现的问题考虑全面，尽可能的达到事前控制的目的。焊接工艺评定审查通过后，正式施工前，对施工单位上报的作业指导书进行审查，要明确所有的相关参数，并要求施工单位将施工的详细步骤列出。目前的焊接工作都是由人工操作的，人为因素具有难以控制的特点，因此焊工的技术水平也是事前控制的重点。要求T/P92焊工必须具有T/P91的焊接经验，持有BIII类钢的焊工资质。每个T/P92焊工上岗前必须要通过上岗考试。监理工程师通过旁站监理的形式对岗前考试进行控制，焊后对焊接试样质量进行考核，考评结果是确定焊工能否施焊的重要前提。3.2 过程控制监理工作中对现场施工过程的控制是保证整个工程质量的重要因素。针对所采用的新材料、新工艺，除了认真核算、审查作业指导书外，最重要的就是要保证新工艺的顺利实施，使制定