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新型铁素体耐热钢SA335P92的焊接工艺开发研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-10-18   来源:广东南奥交通设备有限公司   作者:杨贤群 林礼筹
本文通过对SA335P92耐热钢的焊接性分析,制定了一套科学的P92钢焊接工艺,相控阵超声检测检查焊接接头一次性合格;晶相及力学性能试验各项指标均合格。说明本文所选焊材、焊接方法、焊接参数、施焊技术要求都合理。通过三种焊接方法对比,尽管埋弧焊的冲击吸收功较低,但其冲击韧性储备值足以满足常温下的加压、加载要求,由于其效率高、焊接质量稳定,实际产品焊接应优先选用埋弧焊。焊接时要严格控制层间温度在400~600℉之间,多道薄层焊接。选择760±10℃×4.0h的焊后高温回火热处理工艺。既保证了热处理的效果,又符
1前言
       P92钢是在T91/P91钢的基础上改良开发出来的新钢种。在化学成份上适当降低了钼元素的含量(0.5%Mo),同时加入了一定量的钨(1.7%W)以将材料的钼当量(Mo+0.5W)从P91钢的1%提高到约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,P92钢的耐高温腐蚀和氧化性能与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。

表1 P92钢母材化学成份范围(%)
 
C
Mn
Si
S
P
Cr
Ni
Mo
W
Nb
V
N
Al
B
下限
0.07
0.30
-
-
-
8.50
-
0.30
1.50
0.04
0.15
0.030
-
0.001
上限
0.13
0.60
0.50
0.010
0.020
9.50
0.40
0.60
2.00
0.09
0.25
0.070
0.040
0.006



 

 


2 P92钢的焊接性
       从A335P92钢的化学成分可知,C、S和P的含量低、纯净度高,具有晶粒细、韧性高的优点,相比较焊接冷裂纹倾向大为降低。但P92钢作为马氏体耐热钢,通常作为主蒸汽管道,其壁厚较大,焊接接头刚度过大或氢含量控制不够严格,焊接残余应力较大,焊接热循环条件下冷却速度控制不当易导致淬硬的马氏体组织的形成,以上一种或几种因素作用有可能产生冷裂纹,总体来讲,P92钢仍具有一定的冷裂倾向。P92钢为通过热处理强化的铁素体钢,由于低于临界温度的回火作用或在临界温度范围内微观结构的变化,在HAZ外端的细晶区硬度会下降,在对焊接接头进行高温持久强度试验时,往往这个部位断裂,该部位即为软化带或“Ⅳ型区”。

3 P92钢的焊接工艺
3.1焊接材料的选择
所选取的焊材除要求焊缝金属满足室温下的强度外,还必须满足运行温度下的韧性和蠕变强度的要求。与母材通过细晶弥散强化不同,焊缝金属在其熔敷成形及冷却过程中,一些微量元素(Nb、V等)大部分固溶在焊缝金属中,通过固溶强化反而降低焊缝韧性。因此,焊缝金属的冲击韧性总是低于母材的。为了提高焊缝的韧性,必须合理的搭配Nb、W、V、Mn、Ni等微量元素的含量,严格控制P、S、N、O、H等微量有害元素及降低C含量。

对英国曼彻特公司提供的9CrWV氩弧焊焊丝、Chromet92 焊条和德国伯乐-蒂森提供的Thermanit MTS 616 埋弧焊焊丝及Marathon543 焊剂,熔敷金属试验表明,这两个厂家的这些焊材具有良好的焊接工艺性能,便于焊工操作和掌握。焊材熔敷金属的化学成分见表2。
 

      表2 T/P92 焊材熔敷金属化学成分(典型值,wt%)

焊材规格/mm
 C
 Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Mo
V
W
Nb
9CrWV
Φ2.4mm
0.12
0.18
0.73
0.005
0.007
8.66
0.45
0.43
0.20
1.70
0.056
Chromet92
Φ2.5mm
0.10
0.27
0.67
0.010
0.009
9.00
0.54
0.42
0.23
1.69
0.066
Chromet92
Φ3.2mm
0.10
0.27
0.54
0.010
0.009
8.77
0.49
0.43
0.20
1.67
0.051
Thermanit MTS 616
Φ2.5mm
0.101
0.26
0.76
0.004
0.006
8.69
0.46
0.45
0.180
1.74
0.064
Marathon543
CaF2
SiO2+TiO2
CaO+MgO
Al2O3+MgO
K2O+Na2O
31.0
14.026
32.0
18.0
2.6


3.2焊接工艺的确定
       本次焊接试验选用V&M公司生产的SA335P92钢管,规格:457mmOD×75MW,钢管长为400~500mm,端部开如图1所示坡口。镗孔后对接口处的最小壁厚为70mm。根据P92钢管的焊接性及熔敷金属的焊接工艺试验确定了如下焊接工艺:采用GTAW打底焊+SMAW填充焊+SAW填充焊和盖面焊,内充氩气保护(至少保持至前三层结束),焊前预热。采用加热片预热,并接打点仪,联箱内外壁都点焊热电偶确保预热温度的均匀一致性。预热温度:400~600℉(205~315℃),预热加热至200℃后恒温一段时间,使试件的内外壁温差小于15℃。采用较小的焊接热输入,严格控制层间温度在400~600℉(205~315℃)之间,多层多道焊,并避免焊道过厚,使热影响区软化带变窄。焊接过程尽量不中断,若中途因特殊情况需要中断焊接,则需要将接头保持在300~350℃后热至少2~3小时,然后包裹保温棉缓冷至室温。
焊接热循环见图2。

 

图1 坡口示意图

   

图2 焊接热循环


3.3 施焊参数及注意事项
       氩弧焊两道打底弯成后,先用小焊条焊接,小焊条分两道焊,通过工艺性试验表明P92焊条的收弧裂纹倾向较严重,有些收弧点熄弧时有肉眼可见裂纹,如图3所示。这种收弧裂纹危害较大,如果不及时去除会导致最后的PAUT结果不合格。为避免收弧裂纹被下一道焊缝埋进焊缝中,制定了如下手工焊操作手法:将每一根焊条的收弧点都拉到坡口边上再熄弧。下一根焊条起弧后下拉与第一根焊条结束部位重熔。第一道焊接完成后(一圈焊缝)再一起打磨第一道焊缝拉出来的所有收弧点。第二道焊缝收弧点拉到另一侧联箱的坡口边,并且其所有起弧点要避开第一道焊缝拉出来的收弧点。  

 

              图3 SMAW收弧裂纹                            图4 SMAW手法示意图


      埋弧焊必须严格控制焊接电流、电压、滚轮架/回转变位机转速的范围,确保热输入不超标的情况下成形良好。P92钢埋弧焊时注意控制坡口两侧焊道的成形,避免形成凹形,以形成斜面或略凸起为宜,实践表明:焊道两侧下凹易出现细小的裂纹。因埋弧焊单位时间内热输入大,焊道间温度极易升高,焊接过程中用测温笔时刻测量焊道/层间的温度,若超过600℉(315℃)则应立即停止施焊,待道间/层间温度回落至400~600℉后再继续焊接。          

  表3 TIG打底焊工艺参数

钨极型号
及规格
焊层
序号
焊接电流
A)
电弧电压
V)
焊接速度(mm/min)
正面保护氩气流量(L/min)
背面保护充氩气
流量(L/min)
WCe20/   
% 2Th-
2.0~2.5
1
70~110
9~12
60~80
10~15
25~30
2
80~110
9~12
80~100
10~15
25~30

   表4 焊接操作工艺规范

焊条直径(mm)
每层填充金属厚度(mm)
摆动宽度
Φ2.5
2.0~3.0
2.5~3.0倍焊条直径
Φ3.2
3.0~4.0
2.5~3.0倍焊条直径

 

      表5  SMAW参数

焊条直径(mm)
焊接电流(A)
焊接电压(V)
焊接速度(mm/min)
热输入量(kJ/cm)
Φ2.5
70~110
24
60~70(小幅摆动)
10
Φ3.2
90~130
24
60~70(小幅摆动)
13

表6 埋弧焊(SAW)参数

焊接方法
焊材规格(mm)
焊接电流(A)
极性
电弧电压(V)
焊接速度(mm/min)
热输入量(J/cm)
SAW
Φ2.5
350~410
反接
27~31
300~450
15~20


3.4热处理规范
       焊后热处理的目的是降低焊接残余应力、改善组织性能。P92钢焊接接头焊后不应立即进行高温回火处理,必须冷却到一定的温度并保持相当的时间使焊缝组织充分向马氏体转变,保证焊缝金属不存在过饱和的残余奥氏体组织、避免其在焊后热处理后转变为硬而脆的未回火马氏体,才能保证焊接接头在合适的回火工艺条件下形成回火马氏体组织,保证焊缝金属的冲击韧性。 

       马氏体组织充分转变后进行高温回火热处理,回火参数的选择也非常重要。回火参数选择过高时,有可能超过母材和焊缝金属的Ac1点,导致新的奥氏体相生成,生成的奥氏体相在随后的冷却中转变成为未回火的马氏体组织,降低接头的整体力学性能;如果过分延长保温时间则必然造成浪费。回火参数选择偏低,则达不到应有的回火效果,可能造成焊接接头韧性不足。因此本次实验结合所选焊接材料的特点和相关研究资料选择了760±10℃×4.0h的焊后高温回火热处理工艺。既保证了热处理的效果,又符合经济性的要求。实验数据结果也充分证明了工艺的可行性和科学性。

3.5 焊接接头性能试验结果及分析
3.5.1 焊接接头晶相组织
接头晶相组织如图5所示,焊缝为粗大的回火马氏体组织。

   

       (a)母材 回火马氏体                    (b)焊缝 粗大的回火马氏体
图5 焊接接头晶相组织
 

3.5.2 焊接接头硬度检验结果见图6、图7、表7。

 

图6 硬度测量点草图

表7 焊接接头硬度测试结果(单位:HV10)

位置
母材
热影响区
熔合线
焊缝
熔合线
热影响区
母材
测量点
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
SAW
218
216
215
219
238
245
217
223
222
240
220
198
197
200
198
SMAW
220
216
220
206
220
253
237
242
252
256
213
190
190
193
192
GTAW
224
221
218
215
235
247
249
249
252
249
214
182
193
192
199

 

图7 硬度值曲线图


由图7可以看出,GTAW和SMAW 焊缝的硬度明显高于SAW,在HAZ外端的细晶区所有焊接方法的硬度都下降,该部位即为软化带或“Ⅳ型区”。

3.5.3 焊接接头常温拉伸及弯曲试验结果
按照ASTM E8《金属材料拉伸试验方法》中的要求进行焊接接头拉伸试验,由于本次试验材料规格最小壁厚为70mm,按ASME Section IX  QW-151.1、QW-151.2、QW-151.3在厚度方向取2个试样,采用线切割以保证拉伸试验覆盖全焊缝。拉伸试验结果见表8。结果符合ASME Section IX的要求。

侧弯试样切取时,在厚度方向等分成两个厚约为35mm、宽10mm的试样。按照ASTM E190《焊缝导向弯曲试验方法》中的要求进行焊接接头弯曲试验,弯轴直径取4倍试样厚度,弯曲角度180°,8个侧弯试样均未出现任何开裂,试验结果符合ASME Section IX的要求。

表8 焊接接头拉伸试验结果

试样编号
试样宽度(mm)
试样厚度(mm)
横截面积
mm2
断裂载荷(kN)
抗拉强度(MPa)
断裂部位
和特征
LS1-1
18.82
35.85
674.70
460
680
塑性断裂,母材
LS1-2
18.94
35.06
664.04
458
690
塑性断裂,母材
LS2-1
18.79
35.85
673.62
464
690
塑性断裂,母材
LS2-2
18.84
35.09
661.09
442
670
塑性断裂,母材


3.5.4焊接接头常温冲击试验结果

由于三种焊接方法中,埋弧焊焊接热输入最大,冲击功降低,故选取焊接试件的埋弧焊填充区域做V型缺口冲击试验。取样位置如图8所示。

 

图8 V型缺口冲击试验取样位置示意图

     表9冲击吸收功(J)

          冲击吸收功(J)
焊缝(WELD)
试样#1
试样#2
试样#3
40
40
33
热影响区(HAZ)
试样#4
试样#5
试样#6
194
202
198

由表9可知,埋弧焊焊缝的冲击功较低,平均值为37.7J,热影响区的冲击功较高,平均值达198J。对于涉及工作温度区间为500~625℃高温的P92钢结构来说,焊缝金属的韧性可以认为是一项无关紧要的指标。因为这一区间远远高于有可能发生快速脆性断裂的温度。但是,在制造和相关的测试过程中,P92钢结构仍然有可能在室温条件下被加压或承载。例如在水压试验过程中,ASME推荐20℃为试验的最低温度。为防止焊缝在水压试验过程中发生脆性断裂,应要求P92钢焊缝金属在室温下具有一定的最低冲击韧性储备。

4结论
4.1通过焊接工艺试验及严格控制焊接工艺,PAUT(相控阵超声检测)检查P92钢焊接接头,一次性合格,说明尽管P92钢的焊接性较差,但只要严格控制操作手法、合理选择焊接参数,就能焊出合格的焊接接头;

4.2晶相及力学性能试验各项指标均合格,说明本文所选焊材、焊接方法、焊接参数、施焊技术要求都合理。实际产品焊接时应严格遵照此要求执行;

4.3尽管埋弧焊的冲击吸收功较低,但其冲击韧性储备值足以满足常温下的加压、加载要求,由于其效率高、焊接质量稳定,实际产品焊接应优先选用埋弧焊。焊接时要严格控制层间温度在400~600℉之间,多道薄层焊接;

4.4选择760±10℃×4.0h的焊后高温回火热处理工艺。既保证了热处理的效果,又符合经济性的要求。实验数据结果也充分证明了工艺的可行性和科学性。
 

 
 
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