超（超）临界机组P92钢材的焊接工艺评定.ppt

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1、超（超）临界机组P92钢材的焊接工艺评定,主要内容,概述 P92钢焊接工艺评定的要点,超（超）临界机组P92钢材的焊接工艺评定,1.1 P92钢的化学成份、性能特点 为了提高机组的运行效率，火电机组运行参数（蒸汽、压力）和机组容量在不断增加，从而对耐热钢提出了更为苛刻的要求，所以世界主要发达国家都在致力于更高强度材料的开发。从10CrMo910耐热钢到具有更高蠕变强度的钢材EM12、X20CrMoV121（F12）、T/P91等都在全球许多大容量电厂得到较好应用。然而，这些钢材的使用温度都不能超过600。 由于更高的蒸汽参数温度超过600的超超临界机组的需要，在T/P91合金成份的基础上，新日

2、本制铁用（1.52）W代替了部分的Mo，添加适量的B，得到一种改进型的T/P92钢，并被列入ASME规范。T/P92钢一般供货状态为（10401080）温度正火，（750780）回火，组织为回火马氏体。由于P92钢中W、Mo固溶强化和V、Nb、B碳氮化物沉淀强化的作用，该钢较包括T/P91、F12在内的（912）%Cr钢，表现出更高的抗蠕变断裂强度性能，其在600的蠕变强度提高了近30。 T/P92钢在1995年和1996年分别被纳入ASTM和ASME标准，随后相继纳入各个国家标准。 T/P92钢在ASME标准中所列有：热轧管SA335P92、SA213T92和锻件SA182F921。ASTM

3、规定了T/P92钢材的化学成份、力学性能及物理性能分别见表1、表2和表3。,超（超）临界机组P92钢材的焊接工艺评定,表2 P92钢室温主要力学性能（ASTM SA335）,表1 T/P92钢的化学成份（质量分数）,超（超）临界机组P92钢材的焊接工艺评定,表3 T/P92钢的主要物理性能,超（超）临界机组P92钢材的焊接工艺评定,P92钢的连续冷却转变曲线如图1所示，其AC1、AC3的温度随着升温速度的不同而变化，分别为(800835)和(900920)2。,图1 P92耐热钢的连续冷却转变曲线（CCT）2,超（超）临界机组P92钢材的焊接工艺评定,1.2 焊接性分析 P92钢在合金成份上进

4、一步降低了C、S、P的含量，采用IIW推荐的焊接性估算公式已经不适用。P92钢的强化方式除了通过固溶强化和沉淀强化外，还通过微合金化、控轧及控冷，获得高密度位错和高度细化的晶粒来提高材料的强度和韧性。由于含碳量低、洁净度高，较F12钢其焊接性不算太差。焊前预热温度明显降低，对于壁厚50mm的焊件，甚至可以焊后冷却到室温3。但是由于焊接熔池小冶金的特点，使得焊缝成份存在有不均匀问题；同时，焊缝没有经历轧制过程，其组织完全为铸造组织，较之母材其性能的保证问题更加突出。这使得该钢材的焊接性问题更为复杂，需要通过控制焊接材料、焊接方法、焊接热输入、焊后热处理来实现焊缝的强韧化。目前P92钢焊接接头还存

5、在以下的问题。 1）P92钢的淬硬倾向 P92钢导热性较碳钢差，焊接残余应力较大，焊接过程的热循环作用下会出现硬脆的马氏体组织，如果焊接接头刚度过大或焊接过程中含氢量又较高，有可能产生冷裂纹。因此，必须采取措施减小构件刚性并严格限制氢的来源。,超（超）临界机组P92钢材的焊接工艺评定,2）P92钢焊接热影响区的软化 P92钢焊接时其热影响区（鉴于焊缝的多层多道焊接，热影响区似乎应该被广义地理解）中承受的温度在AC1AC3之间的不完全正火区的金属会发生部分奥氏体化。处于这些温度区间的金属的沉淀强化相不能完全溶解，在随后的热处理过程中未溶解的沉淀相发生粗化，从而造成这一区域材料的强度降低，形成软化

6、区。情况恶劣时会在软化区会出现裂纹，降低蠕变强度。 焊接热影响区的软化程度与所用的焊接规范有关，还包括预热、焊后热处理等。焊接热输入大，软化区宽。因此焊接时应严格限制焊接热输入。 3）P92钢焊接接头的脆化,超（超）临界机组P92钢材的焊接工艺评定,焊缝温度过低或焊缝熔池金属流动性较差时，焊缝金属将出现成份不均匀问题，即引起的偏析；以及焊缝熔池温度过高造成焊接接头过热区晶粒粗大，都会引起脆化。焊接接头在经受焊接热循环的高温时，尤其是过热区温度超过1100，晶粒长大较快。焊接热输入量大，这类细晶粒钢焊接接头脆化倾向的更为严重，因此焊接时应严格控制焊接热输入，同时还必须保证焊缝熔池的合金尽可能均匀

7、。 此外，P92钢合金成份含量较高，在空气中冷却可形成粗大马氏体，这是导致脆化的另一个原因。控制适当的焊缝冷却时间：800到500（t8/5），还可以减少接头的扩散氢含量。,超（超）临界机组P92钢材的焊接工艺评定,1.3 与相关标准的衔接 钢管的性能指标应该由供货商提供，并与ASME标准对照。焊接工艺评定应该根据国内电力行业标准，同时兼顾其他相关标准的要求。,P92钢焊接工艺评定的要点,2.1 焊接工艺评定的目标及适用范围 必须根据电厂主蒸汽管道的钢材配置情况，按照管道工厂化制作和现场焊接工程施工的工艺需要，来设定所需进行的焊接工艺评定方案。以现场（含管道工厂化制作所需进行的非自动焊）施工过

8、程中得到性能优良的焊接接头为目标。 为符合相关标准的要求，工艺评定方案在实施过程中应有管道配置单位、现场安装施工单位分别参加在各自单位进行的相应工作，并根据评定结果及时转化为本单位焊接作业指导书和焊接工艺卡，用于指导施工。 2.2 焊接工艺评定依据 焊接工艺评定工作的依据主要为DL/T868焊接工艺评定规程、DL/T869火力发电厂焊接技术规程、DL/T819火力发电厂焊接热处理技术规程、DL/T821-2002钢制承压管道对接焊焊接接头射线检验技术规程等规程规范。 还应该参照JB4708钢制压力容器焊接工艺评定、JB4730-1994压力容器无损检测、ASME II 材料 C篇焊条、焊丝及填

9、充金属、GB5118-1995低合金钢焊条等国家有关规范、标准和企业技术要求以及钢管生产企业提供的钢管手册。,2.3 焊接接头性能指标的确定 按照DL/T869的规定，要求焊缝金属的化学成份和力学性能应与母材相当或不低于母材相应规定值的下限。按照相关资料介绍，材料的各项性能指标如下表1所示：,注* ：V&M资料图表显示，在室温下管材冲击韧性指标为180J/cm2，折合吸收功为144J。 *：V&M资料显示，在氩弧焊+手工电弧焊的条件下，焊缝金属最低冲击吸收功折合数据为28.5J，焊缝热影响区最低冲击吸收功折合数据为49.3J。所列3种焊接材料是为了进行材料选择。,P92钢焊接工艺评定的要点,鉴

10、于目前国内还没有相应的国产焊接材料，焊接工艺评定只能考虑使用进口的焊接材料。以上资料中显示的母材与焊接材料的各项性能指标，全部由相应的厂家或供应商提供，所列数据均为保证值。据此，焊接接头的各项性能指标，在焊接材料选定之前，只能按照最低保证值确定。方案中只安排了焊缝中心的冲击性能试验。 2.4 焊接接头形式、材料规格的确定 按照DL/T868的规定，管状对接焊缝试件评定合格的焊接工艺适用于板状对接焊缝和角焊缝。评定主要针对某厂主蒸汽管道的焊接，采用接头形式为对接，可适用于相应的板状对接和角焊缝。,P92钢焊接工艺评定的要点,根据某厂管道招标技术文件，某厂的P92管道规格，如下表2所示：,表列数据

11、显示，某厂P92主蒸汽管道所涉及的管道壁厚规格为5372毫米，是否还有更小规格的管材尚未见到资料。根据以上规格，按照DL/T868的规定，本次工艺评定建议选用评定试件厚度为40mm的P92钢管，管径规格由商务确定。建议外径为355毫米（如果更大，则填充焊接层数作相应调整）。本方案按照DO 355mm40mm的规格确定工艺实施方案。,P92钢焊接工艺评定的要点,选用母材=40mm的试件，适用焊件厚度的范围为下限值为30mm，上限值不限。 对于焊缝金属来讲，=40mm试件，依照不同的焊接方法，各方法评定焊缝金属厚度的适用范围是：（0.752）倍，选用40mm的试件，可适用的焊件焊缝金属厚度范围为下

12、限值为30mm，上限覆盖40mm以上所有厚度。管径的评定适用于焊接管子外径的范围为：下限0.5DO，上限不规定。某厂管道用P92钢的管径和厚度尺寸均分别大于177mm和30mm，因此评定试件的材料规格选用DO355mm40mm的管道可以满足某厂主蒸汽管道焊接的需要。如出现超范围的更小规格的管道的焊接工艺评定应该另行安排。 2.5 焊接方法、位置 依据DL/T869，高温高压管道及其旁路焊接施工的根部焊接采用钨极氩弧焊（GTAW）焊接方法，其它焊道选用焊条电弧焊（SMAW）焊接方法。 鉴于某厂主蒸汽管道存在国内工厂化配管的环节，故在焊接方法选择上存在选择埋弧焊（SAW）的可能性，本方案同时编制了

13、进行GTAW+SMAW+SAW三种焊接方法组合评定的实施内容。 按照DL/T868的规定，对管状45固定焊（6G）进行焊接工艺评定可适用于管状焊件的所有焊接位置，因此为有利于现场焊接施工，评定焊接位置选择6G；对于工厂化配管采用埋弧焊方法的情况，评定焊接位置选择为5G（水平固定）+1G（水平转动）。,P92钢焊接工艺评定的要点,2.6 焊接材料的选用 为了开展P92钢的焊接工艺评定工作，必须解决采用什么焊接材料的问题。目的是基于对三种不同厂家P92钢焊接材料熔敷金属的化学成份、金相组织、力学性能、转变温度和焊接材料施焊工艺性能试验分析结果，最终在三者间选取相对理想的焊接材料，选取焊接材料的依据

14、是DL/T869 2.6.1 试验项目 焊接材料的力学性能试验满足ASME/AWS SAF5.5-901X-GII 材料 C篇 焊条、焊丝及填充金属有关标准要求。 1）熔敷金属金相组织 2）熔敷金属化学成份 3）力学性能 （1）焊条熔敷金属常温和600的拉伸试验 （2）焊条熔敷金属夏比V型缺口冲击试验 （3）焊条熔敷金属短时高温拉伸试验,P92钢焊接工艺评定的要点,4）熔敷金属扩散氢含量测试； 利用水银法测氢仪对扩散氢含量进行测定，要求扩散氢平均值不大于5.0ml/100g熔敷金属。 5）熔敷金属相变点测定； 6）不同牌号焊条施焊工艺性能比较。 2.6.2 综合评定要求 通过试验分析，以及焊接

15、规程中焊条选用原则，综合比较所选用的焊条应具备以下几个要求 1）光学显微镜下观察的焊接熔敷金属组织均匀，没有偏析； 2）焊缝金属的化学成份和力学性能应与母材相当； 3）焊接材料熔敷金属的下转变点AC1应与被焊母材相当； 4）扩散氢含量符合标准要求值； 5）焊接工艺性能良好。,P92钢焊接工艺评定的要点,2.6.3 做好电焊条保管，烘干、使用管理工作 2.6.4 对于埋弧焊所用的焊接材料，根据现有资料介绍，一般采用现有的氩弧焊丝配合碱性焊剂组成。对这种组合的考核，除以上考核内容中的适用内容以外，重点应考核熔敷金属的成份变化，和由于焊接规范不同而产生变化的相关力学性能指标。 2.7 焊接工艺评定工

16、作的实施 2.7.1 人员资格 从事焊接工艺评定施焊的焊工应该具有比较熟练的焊 接水平，并且取得P91的6G位置焊接合格证。所有认可的记 录要保存在其有效时间。 主持工作的工程技术人员应该取得中级及以上职称并 取得焊接工程师资格。有关试验由（或委托）具有资质的检 验检测机构承担 。,P92钢焊接工艺评定的要点,2.7.2 设备要求 1）焊接设备 应选用焊接特性良好，稳定可靠的逆变式或整流式直流弧焊电源。其容量和调节功能应能满足焊接规范参数的要求，在使用前应得到维护使之处于良好的工作状态。各种测试工具及仪器仪表应保证按照质量体系规定处于有效检验状态。 2）氩弧焊工、焊条电弧焊、埋弧焊等所需工器具

17、应该满足工作的要求。 3）热处理设备及其测温机构应该满足DL/T819的相关要求。 2.7.3工艺参数的选择 1）坡口制备 焊接接头的形式多种多样，根据所焊接的材料，板厚等选择不同的接头形式。所选择的坡口易于焊条摆动，熔合良好，使电弧、熔滴准确到位并焊透，以保证背面成形的均匀性。,P92钢焊接工艺评定的要点,（1）按照DL/T869的规定，对于焊件厚度小于60mm的对接接头试 件，应选择U型坡口形式。本方案选用U型坡口。 （2）采用车床加工坡口，局部修整采用机械方式。 （3）坡口及其内外壁两侧（1520）mm范围内应将油、漆、垢和氧 化皮等杂物采用机械方式清理干净，直至露出金属光泽。 （4）应

18、保持管子对口内壁齐平，遇有管子内壁错口值超过1mm或两 侧壁厚不同时，应重新加工。 （5）焊条的烘干参数为300+2h（小时），保持：温度80，保 温筒内。埋弧焊剂要按照焊剂包装规定的烘干温度和时间进行烘干，且在 空气中的暴露时间不得超过24h。 2）焊接工艺 （1）焊前预热 本方案暂不考虑在焊接工艺评定前进行用以测定P92钢不出现冷裂纹所需要的最低预热温度的斜Y坡口焊接裂纹敏感性试验。参考V&MT92/P92手册提供的相关技术数据，依据DL/T819的规定采用焊前（150250）预热、层间温度以（200300）比较合适。 实施中按照预热升温速度150/ h，预热温度为200的参数操作。同时，

19、为了保证每道焊道都有合适的冷却速度，层间温度控制在（200300）之间。,P92钢焊接工艺评定的要点,预热宽度从对口中心开始，每侧不少于焊件厚度的3倍即大于120mm。确定加热宽度不小于240mm。保温宽度确定为不小于410mm。 鉴于斜Y坡口焊接裂纹敏感性试验对确定焊缝在施工中不出现冷裂纹的最低预热温度有决定性的作用，且根据DL/T869规范关于中间探伤的要求，建议创造条件开展斜Y坡口焊接裂纹敏感性试验（具体试验方案另行提供），以便取得第一手资料。 （2）焊接热输入 调整焊接热输入主要是调整焊接接头高温停留时间t800和焊接接头冷却时间t8/5。 焊接过程中热输入量过大，冷却时间长，淬硬倾向

20、小，且有利于氢的析出，降低裂纹倾向，然而焊缝在800以上的停留时间过长，将导致晶粒粗大，容易导致产生铁素体析出从而引起接头的脆化，且有可能将焊接时构件的温度提升到超过材料的马氏体转变温度，出现在奥氏体温度区焊接的严重问题；焊接过程中热输入量过小，焊接过程中的冷却速度较高，焊接接头冷却后容易产生淬硬组织、焊接接头组织的不均匀性和由此引起的蠕变性能的不均匀性，且容易出现夹渣、层间未熔合等焊接缺陷。因此，在允许的范围内应该选择较大的电流，采取较快的焊接速度和较薄的焊层厚度。根据相关资料，本方案考虑P92钢焊接时在200预热前提下，控制焊接线能量不得超过25kJ/cm。,P92钢焊接工艺评定的要点,只

21、能采取多层多道焊。这样可以有效地减少热输入量还可以使熔池体积较小，调节焊缝结晶的方向，削弱低熔点杂质密集的不良影响，从而提高焊缝的韧性。 （3）根层焊道 为了防止焊接时烧穿现象的发生，考虑GTAW打底时焊接2层焊道，选用直径为（2.42.5）mm的焊丝，焊接电流为（70130）A，总厚度不小于5mm。 P92钢属于高合金钢，为避免合金元素烧损和氧化，焊接时必须充氩进行背面保护。本方案采取内部充氩气保护根部焊缝，氩气流量：（812）l/min。2层氩弧焊焊接完成后可以取消根部背保护气体。 （4）填充和盖面 本方案考虑采用直径3.2mm的焊条进行SMAW填充和盖面。焊接电流为（90130）A。根据

22、DL/T869规程的规定，焊接过程中所有焊道的厚度不得超过焊条直径：3.2mm。焊接时允许小幅度摆动，但是单道焊缝宽度不得超过焊条直径的4倍：12.8mm。对于埋弧焊原则上按照单道焊厚度不超过5mm，宽度不超过20mm的规范要求进行安排，在保证线能量小于25kJ/cm的前提下，结合实际试焊做出进一步的规定（倘若层间温度超限，热处理按照曲线（2）进行）。,P92钢焊接工艺评定的要点,根据现场施工对工作效率和进度的要求，施工单位有可能希望在实际施工中采用4mm直径的焊条。基于P92钢是在我国首次采用，相关的技术资料和施工经验不足，故暂不推荐采用，考虑到改变焊条直径在DL/T869未做规定，而在AS

23、ME 篇中规定为非重要参数，故在应用本次评定结果的基础上向施工工艺文件转化时，现场作业指导文件应做出特别注明，以确保焊接时的热输入量可控。 （5）焊后热处理参数即回火温度和时间的确定、温度控制 焊后热处理对焊缝韧性影响很大，主要取决于“回火参数”P，其表达式为：式中： T-回火温度；t-回火时间 试验证明，韧性随着P增加而提高。参考DL/T 869的规定和P91钢的焊接经验，本方案选定回火时间为4小时。根据板厚和拘束状态计算的焊接接头的冲击值，回火参数取P20.5，最低回火温度为T=725。因此为了保证焊缝金属的韧度，回火温度应选用较高的温度7555，但不能超过熔敷金属和母材的AC1。为了获得

24、完全的马氏体，焊件焊后必须冷却到马氏体终止转变温度以下并在100左右保温，这样可以保证焊缝金属不存在过饱和的奥氏体组织，通过热处理，焊接接头全部得到回火马氏体。,P92钢焊接工艺评定的要点,为了保证温度得到有效的控制，焊接预热和现场的焊接热处理均采用陶瓷电加热器。要求温度控制有效，热电偶经过校验。实施评定过程中采用上下部外壁各一个热电偶，下部内壁一个热电偶测量温度，再辅助采用远红外测温仪随时监测温度。全部焊接和焊接热处理过程应该有焊接部位温度的自动记录曲线。 （6）升温速度和冷却速度及控制 为了保证焊接接头壁厚方向上温度的均匀提升和降低，升温速度和冷却速度均为不大于150/h，冷却至300以下

25、不控制。 （7）手工焊的焊接接头应按照拟订的焊接热循环曲线进行焊后热处理。考虑到埋弧焊方法是一个连续焊接的过程，焊缝层间温度控制存在一定难度，故在选择焊接热处理规范可考虑采用1040正火+（750780）回火的备用方案。工厂化配管具备炉内热处理的条件，对于埋弧焊的焊接接头，本方案建议采用炉内处理。这部分焊口是由三种焊接方法组成的焊接接头，且在焊后到入炉之间的具体时间间隔需要符合配管厂的生产节奏。考虑在焊后及时进行后热处理的环节，经过后热处理的焊接接头，可以冷却到室温，但时间间隔应考虑至少24小时。,P92钢焊接工艺评定的要点,鉴于未经回火的马氏体组织存在应力腐蚀开裂的可能性，方案要求在后热与入

26、炉的间隔期间要严格控制焊缝避免暴露在潮湿的环境下。 2.7.4 焊接接头性能试验及评定 焊接接头性能评定项目以及焊接接头试验取样方法和具体的取样数量应符合DL/T868的规定，进行以下评定项目。 1）焊道检查，焊缝外观检查 2）焊接接头的无损检验 3）常温力学试验（包括母材、焊接材料、焊接接头的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、180弯曲、冲击韧性） 4）焊缝硬度检查 5）焊缝外观及金相观察 6）短时高温力学试验（包括焊接材料和焊接接头的抗拉强度）：根据相关资料，本方案建议进行600的高温短时拉伸试验，相应的评价指标为：焊接接头的短时高温拉伸强度不低于母材的相应指标。,P92钢焊接工艺评定的要点

27、,7）焊接接头高温持久强度试验：鉴于首次进行此种钢材的焊接工艺评定，建议进行10000小时的高温持久试验，评价指标为外推R100,000h高温持久强度不低于母材的相应指标。 8）焊缝、热影响区透射电子显微镜观察组织结构：透射电镜分析主要在显微条件下分析焊缝及热影响区的组织结构，对评定试件焊接接头显微组织中是否出现缺陷组织、板条马氏体的回复和再结晶及多边化情况做出评价。 9）时效分析（610，3000h，自由状态）：时效分析主要是针对焊缝金属及热影响区中温度在AC1AC3区域的时效特征进行分析，结合母材进行相应的比较试验，以求对经过一定时间运行的焊接接头及其热影响区的组织及性能变化特征以及产生行裂纹的敏感性进行评价，为今后的管道运行提供参照数据。 2.8评价方式 1）根据DL/T868规程规定，由具备资格的焊接工程师对焊接工艺评定的结果做出评价。 2）通过召开专家会议的方式对焊接工艺评定结果及其评价结论做出确认。,