9-12Cr马氏体耐热钢的焊接技术和质量控制

TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China9-12%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TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China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TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China第一部分新型马氏体耐热钢焊接性分析TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China•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TPRIMarch.28.2006,Xi’an,ChinaSC/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TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China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TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China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：P91E911P92P122TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China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。TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China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℃ASME1078361METI1008565SHC1006846TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China西安会议超超临界主汽管材料会议纪要TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China服役期间冲击功的变化•P122：100－125J•P92：150J•E911：180J•P91：240J运行1万小时后40J运行后70J运行后60J运行后180J含W钢的冲击功在一万小时内下降显著，之后趋于稳定，对母材尚能满足使用要求。对焊接接头需要有一定韧性的储备。TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China新型马氏体耐热钢焊接性分析焊接接头的脆化●粗晶组织引起●导致接头的韧性降低－－在焊接过程中应使用较低的焊接线能量－E=60UI/V(J/cmTPRIMarch.28.2006,Xi’an,China新型马氏体耐热钢焊接性分析热影响区的软化●AC1~AC3之间部分奥氏体化，沉淀强化相不能够完全溶解在奥氏体中，粗化，强度降低。●软化对短时高温拉伸强度影响不大，但降低持久强度，产生Ⅳ型裂纹。TPRIMarch.28.2006,Xi’an,ChinaⅠ型蠕变裂纹：发生在焊缝中的蠕变裂纹Ⅱ型蠕变裂纹：发生在焊缝中的蠕变裂纹向焊接热影响区扩展Ⅲ型蠕变裂纹：发生在粗晶区的蠕变裂纹(再热裂纹)Ⅳ型蠕变裂纹：发生在细晶粒软化区的蠕变裂纹Ⅴ型蠕变裂纹：发生在熔合区的蠕变裂纹Ⅵ型蠕变裂纹：发生在母材应力集中处的疲劳裂纹焊接接头蠕变裂纹的分类ⅥⅤ熔合区裂纹疲劳裂纹TPRIMarch.28.2006,Xi’an,ChinaP91集箱与P91端盖环焊缝焊接热影响区发生Ⅳ型开裂运行：3.65万小时冷启动：72次热启动：469次TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China•P91、P92、E911、P122均有IV开裂敏感性；•IV型开裂的破坏性很大；－设计上考虑余量；－焊接工艺优化－－焊接线能量不宜大，预热温度不能过高等；－管系支吊调整、早期诊断可减小风险。TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China新型马氏体耐热钢焊接性分析焊接冷裂纹（延迟裂纹）●冷却过程中在Ms点以下或更低的温度范围内形成●三要素：淬硬组织、氢元素、应力●冷裂纹敏感性T23→P22→P122→P91→P22－－预热及层间温度低氢型焊条，严格烘培和保温工艺；尽量减少拘束度；消氢或及时热处理。TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China焊接接头的化学成分•保证综合性能•提高可焊性•合金元素的作用和优化控制•焊接材料开发商完成TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China焊接接头的组织•新型马氏体耐热钢的组织包括焊接接头的组织均为马氏体•马氏体板条的位向、大小、原奥氏体晶粒度、碳化物的类型、形状、分布等在BM、HAZ、WM的分布有或大或小的差异TPRIMarch.28.2006,Xi’an,ChinaP92焊接接头PWHT（740℃×4h）后的宏观和微观组织形貌TPRIMarch.28.2006,Xi’an,ChinaP92焊接接头焊缝金属的TEM像ａ）焊态ｂ）PWHTTPRIMarch.28.2006,Xi’an,China焊接接头的蠕变性能•焊缝金属的蠕变断裂强度低于母材•随着持久断裂时间的增加，焊缝金属的蠕变断裂强度与母材的差距越来越大•高温蠕变试验的失效位置多在HAZ的外侧，即靠近母材的HAZ，软化区•焊接接头的失效模式受控于HAZTPRIMarch.28.2006,Xi’an,China第二部分P92钢焊接工艺研究TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China马氏体耐热钢的焊接•F11、F12本身成分设计上有缺陷，导致焊接困难；•后续的9-12％Cr马氏体钢通过合金成分优化焊接性能有较大幅度的改善；•P91国内已经应用10余年，在其焊接方面已经积累了丰富的经验；•《T91/P91钢焊接工艺导则》是国内P91钢的焊接技术的里程碑。TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China•P91基础上开发的P92、P911、P122等新钢种在焊接上没有本质的区别；•国内对这类钢的焊接还存在什么问题？特殊性在哪里？TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China新型马氏体需要什么样的焊接接头？•没有焊接缺陷；•组织以回火马氏体为主，合理的析出相数量、尺寸、分布；异常组织的控制（delta－铁素体、过度回火组织等）；•与母材的合理的强度匹配；•足够的韧性储备，以应对运行中的脆化。TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China关注焦点－焊接接头的性能•随着技术进步，大多数的高温焊接接头中已不存在影响使用安全性的宏观缺陷中间探伤规定是否合理？•关注组织的不均匀性和由此引起的性能不均匀性存在强度或大或小、塑性或高或低的区域，在使用过程中发生早期失效强度或塑性不足不同的蠕变速率，导致接头中应力的错配TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China•P92钢由于W的加入，抗回火能力有所提高，焊缝冲击功更难以提高，而运行中冲击功的降低又更明显，•合理的韧性值和韧性储备是必要的，同时又要考虑蠕变性能，二者兼顾，不能一味追求高冲击功•P92钢焊缝Ak不得低于41为宜TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China影响焊缝金属韧性的因素•焊接方法的影响（氧含量）通常GTAW＞SMAW＞SAW•化学成分的影响•预热、层间温度的影响•焊接线能量的影响•焊后热处理的影响TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China焊接材料的选择•与母材的成分匹配;•质量的稳定（AC1的波动等）；•焊接工艺性能•与母材的物理性能的匹配(如相变点);•杂质(S、P、As、Ab等）的控制；•长期蠕变数据的多寡；•合金元素的过渡方式；TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China焊接材料的选择伯乐蒂森ThemanitMTS616钢芯过渡英国曼彻特Chromet92药皮过渡法国液化空气ALCromocord92药皮过渡日铁－住金NiffefsuN616TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China焊接材料的选择进行了如下试验焊接工艺性能比较回火参数与冲击功的关系力学性能试验AC1相变温度的测试宏观和微观金相组织分析－－各有千秋－－对P92等的焊接材料如果合金元素过渡方式不同，建议分别进行工艺评定TPRIMarch.28.2006,Xi’an,ChinaWTPRIMarch.28.2006,Xi’an,Chinaδ-FerriteTPRIMarch.28.2006,Xi’an,China焊缝：回火马氏体TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China焊接工艺的探讨•工艺1：焊道宽、焊接电流偏上限、焊接速度高；•工艺2：焊道偏窄、薄、焊接电流偏下限，但焊接速度低。（相对1而言）TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China焊接过程中的自回火TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China•国内倾向于采用第二种工艺，实践证明能明显提高焊缝韧性，但熔敷金属试验表明，容易导致3.2、2.4mm焊条的焊缝金属强度达不到要求，说明反复“回火”降低了强度；国外多采用第一种工艺，由于焊接速度高，线能量也不高，冲击韧性也较高；•建议国内对两种工艺进行系统的对比研究。TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China1234567Holdingtime[h]010203040506070CVN[J]Ø4,0mm;Pos.3GupØ4,0mm;Pos.3GupInfluenceofbeadformationonimpactpropertiesatpwht760°CweavedbeadsstringerbeadsTPRIMarch.28.2006,Xi’an,China焊后热处理焊后热处理温度的确定•母材AC1•焊材AC1•母材最终热处理温度•试验结果•在接头性能满足要求的前提下，宜低TPRIMarch.28.2006,Xi’an,ChinaPWHT温度厂家推荐的760+0-10℃不符合中国国情提出现实的、安全的P92焊后热处理工艺参数TPRIMarch.28.2006,Xi’an,China焊后热处理建议•P92钢PWHT温度600±10℃•对每批焊接材料的AC1温度进行测定，适当调整热处理温度，至少根据Mn+Ni含量进行适当调整；TPRIMarch.28.2006,Xi’an,ChinaH_011123HeatcontrolduringweldingandPWHT-conditionforP911andP92Time02004006008001000Temperature[°C]250-300°C760°CHeatingrate80-120°C/hCoolingrate100-150°C/h400°Ccoolingin