马氏体耐热钢的焊接技术和质量控制课件

9-12%Cr马氏体耐热钢的焊接技术和质量控制范长信西安热工研究院有限公司目录第一部分新型马氏体耐热钢焊接性分析第二部分P92钢焊接工艺研究第三部分焊接质量控制第一部分新型马氏体耐热钢焊接性分析管道钢F12、F11、P91、P92、P122、P911、NF12、SAVE12日本转子钢TR1100、TR1500、TR1200、HR1200日本转子钢TOS101、TOS107、TOS110欧洲转子钢COSTF、COSTE、COSTB欧洲汽缸材料G-X12CrMoVNb91、G-X12CrMoVNbN1011

日本汽缸材料TOS301、TOS302、TOS3039-12％Cr马氏体耐热钢家族SC/USC用新型耐热钢依靠进口国内无法生产SC/USC机组所需关键材料从国外引进先进成熟材料是发展我国超超临界发电技术的最快捷和现实的途径需要解决的问题新型耐热钢的焊接、热处理等加工工艺；新型电站用钢的使用性能，如高温长时力学性能、疲劳性能、抗蒸汽氧化、烟气腐蚀性能、运行条件下的组织变化规律进行全面研究；金属监督、状态与寿命评估技术研究。------如何获得质量合格的焊接接头，保证工程建设进度，满足机组长期安全运行，成为最为关键的技术难题之一

运行组织稳定性位错密度的降低；E911、P92、P122由于含W，容易析出Fe2（W、Mo）Laves相；P122中的Cu促进Laves相的析出；蠕变中后期Z相Cr(Nb,V)N析出；

稳定性：P91>E911>P92>P122马氏体耐热钢的性能特点以P91为代表的9-12％Cr马氏体钢具有良好的综合性能（高温强度、韧性等）；马氏体钢与常规的低合金耐热钢的显著差别是性能对组织异常敏感，制造、安装和运行中导致的组织波动都会导致性能的较大变化。高温持久强度（许用应力）P92－600℃10万小时持久强度

1999年ASME锅炉和压力容器委员会批准将A335P92钢作为规范案例列入ASMEA335材料标准（2000版案例2179-3），持久强度为132MPa。但高温管道（主汽、热段）设计依据的规范ASMEB31.1至今还未将其纳入2002年德国V&M公司已进行到7万h蠕变试验，外推的持久强度比ASME案例中的值低约10%ECCC2005年持久强度评价值为113MPa，较ASME案例中的值低约14%P122－许用应力(MPa)

575℃600℃625℃

ASME1078361METI1008565SHC1006846

西安会议超超临界主汽管材料会议纪要

服役期期间冲冲击功功的变变化P122：：100－－125JP92：150JE911：：180JP91：240J运行1万小小时后后40J运行后后70J运行后后60J运行后后180J含W钢钢的冲冲击功功在一一万小小时内内下降降显著著，之之后趋趋于稳稳定，，对母母材尚尚能满满足使使用要要求。。对焊焊接接接头需需要有有一定定韧性性的储储备。。新型马马氏体体耐热热钢焊焊接性性分析析焊接接接头的的脆化化●粗晶组组织引引起●导致接接头的的韧性性降低低－－在在焊接接过程程中应应使用用较低低的焊焊接线线能量量－－E=60UI/V(J/cm新型马马氏体体耐热热钢焊焊接性性分析析热影响响区的的软化化●AC1~AC3之间间部分分奥氏氏体化化，沉沉淀强强化相相不能能够完完全溶溶解在在奥氏氏体中中，粗粗化，，强度度降低低。●软化对对短时时高温温拉伸伸强度度影响响不大大，但但降低低持久久强度度，产产生ⅣⅣ型裂裂纹。。Ⅰ型蠕蠕变裂裂纹：：发生生在焊焊缝中中的蠕蠕变裂裂纹Ⅱ型蠕蠕变裂裂纹：：发生生在焊焊缝中中的蠕蠕变裂裂纹向向焊接接热影影响区区扩展展Ⅲ型蠕蠕变裂裂纹：：发生生在粗粗晶区区的蠕蠕变裂裂纹(再热裂裂纹)Ⅳ型蠕变裂裂纹：：发生生在细细晶粒粒软化化区的的蠕变变裂纹纹Ⅴ型蠕变裂裂纹：：发生生在熔熔合区区的蠕蠕变裂裂纹Ⅵ型蠕变裂裂纹：：发生生在母母材应应力集集中处处的疲疲劳裂裂纹焊接接接头蠕蠕变裂裂纹的的分类类ⅥⅤ熔合区区裂纹纹疲劳裂裂纹P91集箱箱与P91端盖盖环焊焊缝焊焊接热热影响响区发发生Ⅳ型开裂裂运行行：：3.65万小小时冷启动动：72次次热启动动：469次P91、P92、E911、、P122均有有IV开裂裂敏感感性；；IV型型开裂裂的破破坏性性很大大；－设计计上考考虑余余量；；－焊接接工艺艺优化化－－焊接线线能量量不宜宜大，，预热热温度度不能能过高高等；－管系系支吊吊调整整、早早期诊诊断可可减小小风险险。新型马马氏体体耐热热钢焊焊接性性分析析焊接冷冷裂纹纹（延延迟裂裂纹））●冷却过过程中中在Ms点点以下下或更更低的的温度度范围围内形形成●三要素素：淬淬硬组组织、、氢元元素、、应力力●冷裂纹纹敏感感性T23→P22→P122→→P91→→P22－－预预热及及层间间温度度低氢型型焊条条，严严格烘烘培和和保温温工艺艺；尽量减减少拘拘束度度；消氢或或及时时热处处理。焊接接接头的的化学学成分分保证综综合性性能提高可可焊性性合金元元素的的作用用和优优化控控制焊接材材料开开发商商完成成焊接接接头的的组织织新型马马氏体体耐热热钢的的组织织包括括焊接接接头头的组组织均均为马马氏体体马氏体体板条条的位位向、、大小小、原原奥氏氏体晶晶粒度度、碳碳化物物的类类型、、形状状、分分布等等在BM、、HAZ、、WM的分布布有或或大或或小的的差异异

P92焊接接头PWHT（740℃×4h）后的宏观和微观组织形貌

P92焊接接头焊缝金属的TEM像ａ）焊态ｂ）PWHT焊接接接头的的蠕变变性能能焊缝金金属的的蠕变变断裂裂强度度低于于母材材随着持持久断断裂时时间的的增加加，焊焊缝金金属的的蠕变变断裂裂强度度与母母材的的差距距越来来越大大高温蠕蠕变试试验的的失效效位置置多在在HAZ的外外侧，，即靠靠近母母材的的HAZ，，软软化区区焊接接接头的的失效效模式式受控控于HAZ第二部部分P92钢焊焊接工工艺研研究马氏体体耐热热钢的的焊接接F11、F12本身身成分分设计计上有有缺陷陷，导导致焊焊接困困难；；后续的的9-12％Cr马马氏体体钢通通过合合金成成分优优化焊焊接性性能有有较大大幅度度的改改善；；P91国内内已经经应用用10余年年，在在其焊焊接方方面已已经积积累了了丰富富的经经验；；《T91/P91钢钢焊接接工艺艺导则则》是是国内内P91钢钢的焊焊接技技术的的里程程碑。。P91基础础上开开发的的P92、、P911、P122等等新钢钢种在在焊接接上没没有本本质的的区别别；国内对对这类类钢的的焊接接还存存在什什么问问题？？特殊性性在哪哪里？？新型马马氏体体需要要什么么样的的焊接接接头头？没有焊焊接缺缺陷；；组织以以回火火马氏氏体为为主，，合理理的析析出相相数量量、尺尺寸、、分布布；异异常组组织的的控制制（delta－铁铁素体体、过过度回回火组组织等等）；；与母材材的合合理的的强度度匹配配；足够的的韧性性储备备，以以应对对运行行中的的脆化化。关注焦焦点－－焊接接接头头的性性能随着技技术进进步，，大多多数的的高温温焊接接接头头中已已不存存在影影响使使用安安全性性的宏宏观缺缺陷中间探探伤规规定是是否合合理？？关注组组织的的不均均匀性性和由由此引引起的的性能能不均均匀性性存在强强度或或大或或小、、塑性性或高高或低低的区区域，，在使使用用过程程中发发生早早期失失效强度或或塑性性不足足不同的的蠕变变速率率，导导致接接头中中应力力的错错配P92钢由由于W的加加入，，抗回回火能能力有有所提提高，，焊缝缝冲击击功更更难以以提高高，而而运行行中冲冲击功功的降降低又又更明明显，，合理的的韧性性值和和韧性性储备备是必必要的的，同时时又要要考虑虑蠕变变性能能，二二者兼兼顾，，不能能一味味追求求高冲冲击功功P92钢焊焊缝Ak不不得低低于41为为宜影响焊焊缝金金属韧韧性的的因素素焊接方方法的的影响响（氧氧含量量）通常GTAW＞SMAW＞＞SAW化学成成分的的影响响预热、、层间间温度度的影影响焊接线线能量量的影影响焊后热热处理理的影影响焊接材材料的的选择择与母材材的成成分匹匹配;质量的的稳定定（AC1的波动动等））；焊接工工艺性性能与母材材的物物理性性能的的匹配配(如如相变变点);杂质(S、、P、、As、Ab等等）的的控制制；长期蠕蠕变数数据的的多寡寡；合金元元素的的过渡渡方式式；焊接材材料的的选择择伯乐蒂蒂森ThemanitMTS616钢芯过过渡英国曼曼彻特特Chromet92药皮过过渡法国液液化空空气ALCromocord92药皮过过渡日铁－－住金金NiffefsuN616焊接材材料的的选择择进行了了如下下试验验焊接工工艺性性能比比较回火参参数与与冲击击功的的关系系力学性性能试试验AC1相变温温度的的测试试宏观和和微观观金相相组织织分析析－－各各有千千秋－－对对P92等等的焊焊接材材料如如果合合金元元素过过渡方方式不不同，，建议议分别别进行行工艺艺评定定Wδ-Ferrite焊缝：：回火火马氏氏体焊接工工艺的的探讨讨工艺1：焊焊道宽宽、焊焊接电电流偏偏上限限、焊焊接速速度高高；工艺2：焊焊道偏偏窄、、薄、、焊接接电流流偏下下限，，但焊焊接速速度低低。（（相对对1而而言））焊接过过程中中的自自回火火国内倾倾向于于采用用第二二种工工艺，，实践践证明明能明明显提提高焊焊缝韧韧性，，但熔熔敷金金属试试验表表明，，容易易导致致3.2、、2.4mm焊焊条的的焊缝缝金属属强度度达不不到要要求，，说明明反复复“回回火””降低低了强强度；；国国外多多采用用第一一种工工艺，，由于于焊接接速度度高，，线能能量也也不高高，冲冲击韧韧性也也较高高；建议国内内对两种种工艺进进行系统统的对比比研究。。1234567Holdingtime[h]010203040506070CVN[J]Ø4,0mm;Pos.3GupØ4,0mm;Pos.3GupInfluenceofbeadformationonimpactpropertiesatpwht760°Cweavedbeadsstringerbeads焊后热处处理焊后热处处理温度度的确定定母材AC1焊材AC1母材最终终热处理理温度试验结果果在接头性性能满足足要求的的前提下下，宜低低PWHT温度厂家推荐荐的760+0-10℃不符合合中国国国情提出现实实的、安安全的P92焊焊后热处处理工艺艺参数焊后热处处理建议议P92钢钢PWHT温度度600±10℃对每批焊焊接材料料的AC1温度进行行测定，，适当调调整热处处理温度度，至少少根据Mn+Ni含量量进行适适当调整整；H_011123HeatcontrolduringweldingandPWHT-conditionforP911andP92Time02004006008001000Temperature[°C]250-300°C760°CHeatingrate80-120°C/hCoolingrate100-150°C/h

<400°Ccoolinginstillair+10-10slowcoolingrate20-100°C···preheatingweldingandsoakingnecessarycoolingdownafterweldingorsoaking2-4h··第三部分分焊接质量量控制焊接质量量控制包包括焊接材料料－焊接接工艺－－焊后热热处理任何一个个环节的的失误都都会导致致质量的的失控对P92焊接的的几点认认识P92、、P122钢从从根本上上来说与与P91属于同同类材料料，有国国内多年年焊接P91的的经验，，P92的焊接接同样可可以成功功实现；；P92焊焊接与P91相相比还是是有一定定难度，，回旋的的余地比比较小，，技术上上应当采采取更严严格的措措施；日本出现现的超超超临界机机组管道道事故提提醒我们们更应当当重视焊焊接质量量，重视视高温管管道的金金属监督督。采取措施施让一线工工作人员员（焊工工、热处处理工））理解每每一个每每一个质质量控制制点的重重要性，，施工单单位要严严格按工工艺施工工，将评评定通过过的工艺艺正确无无误地移移植到施施工中；；业主、监监理、监监督单位位要加强强过程质质量监督督管理，，除了工工艺执行行情况，，还要重重点检查查热处理理设备表表计的检检定情况况，并进进行适当当的抽检检；在正式施施工前的的焊工考考试过程程中安排排试验，，进一步步提高接接头的性性能；重视焊后后热处理理的技术术水平提提高。目前的现现场热处处理存在在的问题题施工单位位对热处处理工的的工作重重要性缺缺乏认识识；电厂的运运行采用用了最先先进的控控制系统统，但国国内电厂厂建设中中热处理理却采用用了落后后的设备备和技术术减小内外外壁的温温差；减小热应应力和弯弯曲变形形；减小轴向向温度梯梯度；人员方面面辅助工种种；协助工；；培训不到到位；对热处理理工作重重要性认认识不够够。设备方面面热处理控控制柜没没有温度度自动补补偿系统统；表计校准准不够甚甚至不校校；……热电偶安安装及接接线铁丝绑扎扎热电偶偶补偿导线线接线问题题……建议对P91、、P92管道表表面压焊焊热偶丝丝进行可可行性评评估推荐采用用ASTM方法法焊接热偶表面面的有效效隔热。。规程方面面DL升温、降降温速度度，一般般可按250X25/壁厚(℃/h)计算算，且不不大于300℃℃/h。6.0.7热热处理的的加热宽宽度，从从焊缝中中心算起起，每侧侧不小于于管子壁壁厚的3倍，且且不小于于60mm。。6.0.8热热处理时时的保温温宽度，，从焊缝缝中心算算起，每每侧不得得小于管管子壁厚厚的5倍倍，以减减少温度度梯度。。6.0.9热热处理的的加热方方法，应应力求内内外壁和和焊缝两两侧温度度均匀，，恒温时时在加热热范围内内任意两两测点间间的温差差应低于于50℃℃国外考虑壁厚厚、管径径上海交大大5√RT项目修正计算值国内规程计算值均温区宽度加热带宽度保温层宽度均温区宽度加热带宽度保温层宽度主汽管道140.47682.351145459.6579.6806.47主汽连通管133.91566.26905.5348468613.91高旁入口133.91566.26905.5348468613.91热再热132.42680.711229322.56442.56570.02低旁入口127.88557.91963245.16365.16442.58冷再热126.9676.51226228.6348.6434.3P122149.42858.6015336127321069.4工艺评定127.57500.10782240360440规程中对对P91焊接接接头的硬硬度要求求（<Min（（350，母材材硬度＋＋100）是否否合理？？试问有有谁在工工艺评定定中的P91焊焊缝硬度度高达HB300以上上又同时时满足冲冲击功和和弯曲的的要求？？试样编号试样名称HBS10／3000熔合区焊缝热影响区D1、D2焊接接头199、214199、214186、195R1、R2焊接接头209、219274、285215、215管样名称焊缝位置试样号冲击功AKV/J试样1试样2试样3平均值D样焊缝DH1~39491117101熔合区DR1~313092120114热影响区DY1~31809185119R样焊缝RH1~318182219熔合线RR1~333191723热影响区RY1~3981019096焊缝的P-V曲线当R样焊焊缝的硬硬度达到到270HB时时，焊缝缝的冲击击功仅为为19J，同时时断裂韧韧度试验验的P-V曲线在直直线段最最大载荷荷点时