TP91和TP92钢的焊接工艺

T/P91和T/P92钢的焊接工艺摘要：目前火电机组正在向着高参数大容量方向发展，蒸汽温度和压力进一步提高，为此开发了一些新型马氏体耐热钢。这些钢的合金元素含量较以前的锅炉用钢更高，焊接性能相比之下有所下降。下面主要对超临界和超超临界机组用T/P91、T/P92钢的焊接工艺性能试验、化学成分分析、焊接接头性能、热处理工艺及焊接操作注意事项等进行了讨论。并对T/P92钢用焊接材料进行了分析和介绍。关键词：超超临界机组；新型马氏体耐热钢；焊接工艺0前言随着电力工业发展的高参数、大容量、高效率、低污染，国内新建火电厂及设备检修更换构件中已广泛采用SA-213T91钢，SA-213T91钢是一种改良型的9Cr-1Mo钢，是在原9Cr-1Mo马氏体钢基础上，降低含碳量，添加微量V、Nb等合金元素，控制N、Al含量得到的。但在焊接试验研究及施工生产中还存在一些亟待解决的问题。为了更好的使用该钢种，我们对SA-213T91钢进行了焊接工艺试验。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。美国开发了T/P92新型马氏体耐热钢，日本开发了600℃～630℃长期运行的T/P92新型马氏体耐热钢（NF616，95%Cr-2W）。T/P92钢是在T/P91钢的基础上适当降低钼元素的含量（0.5%Mo），同时加入一定量的钨（1.8%W）以将材料的钼当量（Mo+0.5W）从T/P91钢的1%提到到约1.5%，该钢还加入了微量的硼，经上述合金化改良后，与其它铬-钼耐热钢相比，T/P92钢的耐高温腐蚀新型马氏体耐热钢的加工性能好，高温蠕变断裂强度非常高，抗腐蚀性好，可以提高耐热钢的和氧化性能与9%Cr钢相似，但材料的高温强度和蠕变性能得到了进一步提高。由此带来的主要优点是，在相同的工作温度，压力或设计寿命条件下，能够进一步降低电站锅炉及管道系统的重量；或者在同样的结构尺寸下，进一步提高结构的设计工作温度，从而提高系统的热效率；同时，T/P92钢还具有优于奥氏体不锈钢（如347H）的抗低周热疲劳性能。T/P92钢的成份范围及常用的产品类型见下：T92（ASTM/ASMEA213）：92合金小直径管材，P92（ASTM/ASMEA335）：92合金大直径管材，F92（ASTM/ASMEA182）：92合金锻件。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。1焊接工艺1.1SA-213T91钢的焊接工艺对SA-213T91钢管的焊接工艺特点、预热、焊接及焊后热处理等工艺规范进行了工艺试验，并对焊接接头进行了各项性能试验，取得了良好的效果。1.1.1SA-213T91钢的化学成分及特点1.1.1.1其化学成分和常温力学性能分别如表1所示。表1.T91钢的化学成分成分CMnSiSpCrNiMoNbVN下限0.080.300.20--8.00-0.850.060.180.03上限0.120.600.500.010.029.500.401.050.100.250.07由表1可以看出T91钢的化学成分限制是十分严格的。1.1.1.2新型马氏体耐热钢的焊接超超临界机组锅炉用新型马氏体耐热钢常用于超超临界机组管道和过热器管上。T/P91钢使用温度小于593℃。T/P92是在T/P91耐热钢基础上发展起来的新型耐热钢，其中T/P92是在T/P91的基础上通过加入1.5%～2.0%W代替部分Mo元素，Mo元素含量下降到0.3%～0.6%而形成的。这些9%Cr钢具有良好的力学性能。马氏体钢的下一步发展是在这些钢的基础上加入Co、B等合金元素来进一步提高抗蠕变性能和抗氧化性能。1.1.2SA-213T91钢焊接工艺试验1.1.2.1试验条件（1）钢材T91钢，￠42×5mm（2）焊接方法采用手工钨极氩弧焊，氩气流量8－10L/min(背面充氩6－8L/min)（3）环境温度20－30℃，湿度60％。（4）焊接位置水平固定（5G），垂直固定（2G）。（5）热处理设备LWK－12×（0－220）－B。（6）焊接设备ZX7-400STG。（7）焊接材料焊丝：MTS-3,￠2.4mm。1.1.2.2焊接工艺规范（1）焊前坡口制备（机械加工出V型30°坡口）（2）焊前清理清除坡口内外母材表面两侧10mm范围内及焊丝表面的油污、铁锈、水分等，直至露出金属光泽。（3）对口点固焊将焊丝熔化金属直接点固在对口的根部，对口错边不超过0.5mm；点固焊前用电阻加热坡口区到150℃；点固焊及正常施焊过程中不得在管子表面试电流，乱引弧。（4）焊前预热焊前采用电阻加热坡口两侧150mm左右，预热温度为150℃。层间温度保持在200－300℃左右。（5）焊前规范参数焊接方法：Ws;焊丝牌号：MTS-3；直径：￠2.4；极性：直流正接；电流：90-100A电压范围：10-12V；焊接速度：45-55mm/min；焊接层数：2层。（6）焊后采用高温回火热处理方法温度：760±10℃；恒温时间：1h；升温速度：150℃/h；降温速度：150℃/h；热处理降温到300℃以下可不控制。1.1.2.3焊接加热规范根据国外有关资料介绍，P91钢除TIG焊外，其他工艺，不论材料厚度多少，预热温度都需要至少200℃，而对TIG焊来说，由于其非常低的扩散氢含量，预热温度可以放宽至100-150℃左右，昀高层间温度一般限制在300℃左右，这样可以保证每道焊缝都转变为马氏体组织，从而在下一道焊缝的热循环下都得到部分回火。焊后热处理温度的选择也有一些限制因素：这一温度须高于各种标准所规定的昀低温度，即高于730℃，在实际操作中，为使焊缝金属获得足够的回火，实际的处理温度明显需要高于这一水平（但不超过780～790℃）。实际焊接施工中，经755℃保温4～5小时的热处理，可得到满意的冲击韧性，而且也保证了热处理后整个焊接接头区的硬度在300HV左右，焊缝金属硬度一般为240～280HV。预热是避免再热裂纹和冷裂纹产生的有效手段。有关标准规定预热和层间温度应在180～250℃，不要超过300℃，焊后热处理之前，必须将材料冷却到150℃以下，应力较大时，冷却温度不要低于125℃。如果在室温下冷却，应严禁潮湿。同时，还可以适当降低焊接电流，避免出现弧坑裂纹，并有利于防止冷裂纹和再热裂纹。为了尽可能降低焊接残余应力，应采用较高的温度，但温度过高，有可能降低钢材的抗拉强度，破坏钢材的原有组织和性能，促使碳化物的聚集和长大。为得到合适的硬度和良好的韧性，我们选择750～770℃的焊后热处理温度，从实际情况看，是可行的。综合分析以上因素，昀终确定的加热规范如图1所示，技术要求如下：（1）升、降温速度≤150℃；（2）温度在300℃以下可不控制；（3）焊后若来不及进行回火热处理，应立即进行消氢处理，处理温度为300～350℃，恒温2h。1.1为双好，（1影响度。后内（2一方.2.4P91大焊接工艺双V形坡口使溶滴准）双层TIG采用双层响根层焊缝应注意，第内部影响打）合理控制P91钢根层方面要合理大口焊接操艺为手工钨极对接焊缝，准确到位并焊G打底焊层TIG焊打底缝质量；二是第一层打底打底质量。制管内保护层焊接存在理控制氩气流操作工艺极氩弧焊打该坡口扩焊透，以保底，这样一是因为TIG焊底时，应边打氩气流量在较大的表面流量，大径管打底，电弧焊大了底层的保证背面成形一是因为TIG焊第二层时打底边揭开面氧化问题管一般控制焊盖面，管的焊接空间形的均匀性G打底一层时能降低对第开充氩保护胶题，因此必须制在20～30内壁充氩保，易于焊丝性。层时焊层较薄第一层背面胶布，以防须采取管内0L/min为宜保护。接头形丝摆动，熔合薄会导致击面焊缝的氧化防止空气进入内充氩保护措宜；另外要使形式合良击穿，化程入焊措施。使管内氩到焊二道（3细化（4察打1.1格。合格氩气有流动焊接根部第道焊缝焊完）多层多道采用多层化晶粒，改4）双人焊接大径厚壁打底焊情况.3焊后焊后进行小径管通过格，常温力学性以提高保二道焊缝时完。道焊层多道焊不仅改善接头性能接操作壁P91管均应况。填充和盖检测行了外观检查过RT无损探学性能试验，保护氩气纯时对第一道仅可以控制能。应采用双人盖面时，两查包括：焊探伤，大口进行了拉纯度，从而再道焊缝的高温制焊接线能量人焊接，打底两人对称同时缝余高、余口通过了UT拉伸和弯曲数再次降低焊接温氧化影响量，而且后层底时一人焊接时焊接（如余高差、焊缝T无损探伤均数据都合格接接头的热响，内保护气层焊道对前接，一人从如图2所示）缝宽窄差、均合格。断格。微观金相热输入量。考气一直持续到前层的热处理从另一侧进行）。根部凸出均断口检查指标相组织观察考虑到第理能行观均合标均察了：母材（500×回火索氏体+铁素体）、焊缝（100×回火索氏体）、热影响区（500×回火索氏体）组织合格。1.1.4焊接工艺评定结果P91钢昀容易产生的缺陷是夹渣，主要分布于坡口边缘，主要是由于清渣不彻底造成。当焊条烘干效果不佳时，出现焊接缺陷的可能性会进一步加大。P91钢的焊态硬度为300～330HB，从热处理后的实际情况看，焊缝硬度主要是在180～270HB，评定合格。1.1.5焊接操作工艺要领施焊过程分为：对口定位焊、根层打底施焊、中间填充层施焊和盖面层施焊。（1）对口定位焊采用高频引弧法引燃电弧，将坡口两侧钝边熔化后加丝焊接。注意观察坡口两侧的熔合情况，必须使熔敷金属与母材充分熔合。（2）根层打底施焊采用内填丝法焊接，焊枪呈锯齿形摆动，在两侧适当停留，填丝动作要稳。（3）中间填充层施焊采用连续送丝法，焊枪做锯齿形摆动，焊丝要始终处在氩气保护区内，焊接速度尽量加快，避免焊缝表面氧化。（4）盖面层施焊采用连续送丝法，焊枪做锯齿形摆动，焊丝要始终在熔池中间并处在氩气保护区内，焊接速度尽量加快，避免焊缝表面氧化。1.2T/P92钢的焊接工艺T/P92钢是在T/P91钢中添加钨（1.8%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，T/P92钢的工作温度比T/P91钢工作温度高，可以达到630℃。但是，钢中过量添加钨会促进δ-铁素体的1.21.2的形成，降.1T/表-2为T表2（T/P.2T/P9T/P92钢属常用的马1.2.2.1意味着焊200～250纹。根据相裂纹）预降低冲击韧性/P92钢的化T/P92钢的化P92钢的化92钢焊接工属于低碳马氏体耐热钢焊接预T/P92马氏焊接预热温度0℃，根据国相关单位斜预热温度见表性和蠕变断化学成分化学成分（化学成分（w工艺特点及分马氏体耐热钢钢的焊接工预热温度明氏体钢是低碳度和层间温国外的研究斜Y形坡口焊表3。（可供断裂温度。（wt%）和wt%）和T分析钢，其焊接工艺具有以下明显降低碳马氏体钢温度可以大大经验，预热焊接裂纹试供我们试验T/P92钢的T/P92钢的力接工艺的特点下特点及改钢，允许在马大降低，一热150℃以上试验法提供验直接参考的力学性能力学性能）点和焊接技改进：马氏体组织一般推荐焊接上可以完全的数据，测）能（昀小值）技术要求较过织区内焊接，接预热温度全防止产生冷测定的止裂）过去，这度为冷裂（无防止易焊温度1.2数比采取低焊1.2件输金钢采用快的由表3可止焊接冷裂焊接的马氏度还低。.2.2为了获得比较小，小取措施，层焊接输入热.2.3多项试验输入热量越钢的焊接热用比较小的的焊接速度表3常可见，P91、T裂纹的预热温氏体耐热钢，对层间温度得满意的冲击口径和大口层间温度可以热量的焊接工对焊接热输验数据证明：越大，焊接接热输入量焊接焊接输入热度，比较低的常用钢材Y/P92、P9、F温度却相差焊接预热温度的控制要击韧性，推口径管道的焊以达到300～工艺施焊。输入的控制焊件输入热接头的冲击韧接马氏体耐热量施焊，的层间温度Y坡口焊接裂F12钢同属差非常大。由温度较低，要求比较高推荐层间温度焊接热量比～350℃，冲制要求比较高热量对焊接韧性越低。耐热钢，焊接如