桑清蓮

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 45001650016）

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，火力發(fā)電站向更高參數(shù)和更大容量發(fā)展，大量的超臨界、超超臨界鍋爐投入運(yùn)行，對鍋爐用鋼的要求也隨之提高。目前，超臨界鍋爐的主蒸汽管道、再熱蒸汽管道等高溫、高壓部件廣泛使用P92耐熱鋼管材制造。

P92鋼是在P91鋼的基礎(chǔ)上再加入1.5～2.0%的W，同時(shí)適當(dāng)降低Mo含量，在600℃的許用應(yīng)力比P91高34%以上，且P92的抗熱疲勞性、熱傳導(dǎo)系數(shù)和膨脹系數(shù)遠(yuǎn)優(yōu)于奧氏體不銹鋼，抗腐蝕性和抗氧化性能也優(yōu)于其他9%Cr的鐵素體耐熱鋼[1-3]。目前該鋼種已廣泛應(yīng)用于超超臨界鍋爐的主蒸汽管道、再熱蒸汽管道、高壓旁路等高溫、高壓部位[4-5]。

本文針對超臨界鍋爐用A335-P92鋼管，分析其在焊接及使用過程中易出現(xiàn)的典型缺陷，分析其形成機(jī)制及改善措施。并提出改善A335-P92鋼管焊接質(zhì)量的相應(yīng)焊縫工藝。

1 焊接典型缺陷及解決方法

表1為A335-P92鋼化學(xué)成分含量，該鋼種的含碳量雖然僅為0.08wt.%左右，但由于該鋼中加入了 9wt.%左右的 Cr、1.75wt.%左右 W以及 0.5wt.%左右 Mo等合金元素，使得該鋼種在焊接及使用時(shí)易出現(xiàn)焊接冷裂紋、焊縫金屬韌性低、Ⅳ型蠕變裂紋等問題[6-7]，以下分別對其進(jìn)行分析。

表1 A335P92鋼化學(xué)成分（wt.%）

1.1 焊接冷裂紋

P92鋼中由于加入了大量的Cr、W、Mo等，能夠提高材料淬透性及淬硬性的元素，使得該鋼種當(dāng)完全奧氏體化后空冷既能得到馬氏體組織，材料的焊接冷裂紋敏感性較高。圖1為P92鋼斜Y型坡口拘束試驗(yàn)的結(jié)果[8]，由圖可以看出，P92的裂紋敏感性與P91相近。當(dāng)焊前預(yù)熱溫度提高至200℃時(shí)，基本能夠避免產(chǎn)生焊接冷裂紋。

根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場工況條件，為了避免P92鋼管焊后出現(xiàn)焊接冷裂紋，應(yīng)將焊前預(yù)熱溫度控制在200～250℃之間，保溫30min以上，減少鋼表層與心部的溫度梯度。另外，拉伸殘余應(yīng)力是產(chǎn)生冷裂紋的重要影響因素，在焊接時(shí)，應(yīng)避免強(qiáng)行組焊。

圖1 P92鋼斜Y型坡口拘束試驗(yàn)

1.2 焊縫金屬?zèng)_擊韌性差

對于P92焊接接頭的韌性可分為焊縫金屬和P92母材熱影響區(qū)兩個(gè)不同部分，對于P92焊縫金屬的韌性差主要是由于在焊接過程中焊縫金屬是熔融狀態(tài)下冷卻得到的鑄態(tài)組織，其較大尺寸的奧氏體晶粒內(nèi)部形成的板條馬氏體晶粒也較為粗大，且焊縫金屬中大量的Cr、Nb、V等合金元素來不及析出，大量以置換固溶的形式存在，導(dǎo)致嚴(yán)重的晶格畸變，位錯(cuò)密度較高，使材料的沖擊韌性降低。

通常為了改善焊縫金屬的韌性需要進(jìn)行焊后高溫回火。通過焊后熱處理能夠在一定程度上控制應(yīng)力狀態(tài)，減小晶格畸變，改善焊縫的顯微組織，從而提高焊縫區(qū)韌性[9]。目前，P92鋼管焊接一般采用氬弧焊打底，手工電弧焊填充，其焊縫組織中α相發(fā)生再結(jié)晶的能量壁壘較高，因此需要較高的回火溫度和回火時(shí)間來改善其韌性。但更高的回火溫度和保溫時(shí)間必然會(huì)導(dǎo)致過飽和的α相中的Cr、W等合金元素以碳化物的形式大量析出，且析出物在晶界呈鏈狀分布，對焊縫金屬的韌性帶來不利影響。

因此，根據(jù)P92鋼焊接特性，為了改善焊縫金屬韌性，通常采用氬弧焊打底+手工電弧焊填充的焊接方法，焊條采用P92專用焊條，其鉻當(dāng)量要求Creq＜10，焊縫組織中一般不會(huì)形成δ鐵素體，其他化學(xué)成分與P92母材相似?？刂坪附泳€能量，避免由于線能量過大造成的焊縫金屬晶粒粗大，從而對金屬韌性產(chǎn)生不利影響。焊后熱處理溫度在760～780℃之間，保溫時(shí)間根據(jù)母材厚度決定。

1.3 Ⅳ型蠕變裂紋

對于A335-P92這種典型的9%Cr型鐵素體耐熱鋼，經(jīng)焊接實(shí)踐及在役運(yùn)行統(tǒng)計(jì)表明，焊接熱影響區(qū)開裂是導(dǎo)致其焊接接頭過早失效的重要原因之一[10]，與母材和粗晶區(qū)相比，P92鋼熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)蠕變抗力較低，在高溫使用時(shí)，由于受到周圍蠕變抗力較大組織的拘束效應(yīng)，P92焊縫熱影響區(qū)中的細(xì)晶區(qū)易發(fā)生IV型蠕變損傷。

通過焊接坡口的設(shè)計(jì)、焊接材料的選擇及焊接工藝參數(shù)的調(diào)控，使得焊縫、熱影響區(qū)粗晶區(qū)及細(xì)晶區(qū)的尺寸和蠕變性能達(dá)到最優(yōu)配合，使不同位置裂紋裂尖前的正應(yīng)力、三軸應(yīng)力和等效蠕變應(yīng)變達(dá)到最小，能夠提高焊接接頭蠕變壽命。

2 焊接工藝

本文針對A335-P92鋼的性能特性及焊接時(shí)易出現(xiàn)的各種缺陷。對常用的P92焊管的焊接工藝進(jìn)行調(diào)整。

為減小焊接應(yīng)力，提高焊接接頭抗焊接冷裂紋能力，P92鋼厚壁管采用如圖2的窄間隙焊接坡口設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的V型寬坡口相比，通過采用該類型坡口能夠顯著縮短焊接時(shí)間，降低焊接熱輸入量，其沖擊韌性、強(qiáng)度均有顯著提高。

圖2 P92鋼焊接坡口設(shè)計(jì)示意圖

P92焊接采用氬弧焊打底，手工電弧焊填充相結(jié)合的焊接工藝。在點(diǎn)焊完畢進(jìn)行打底焊前，升溫至150～200℃，保溫至少30min的焊前預(yù)熱；氬弧焊打底完畢后，預(yù)熱200～250℃，恒溫30min以上，經(jīng)測溫儀測量驗(yàn)證，保證坡口處溫度基本均勻后，再進(jìn)行手工電弧焊填充，層間溫度控制在200～250℃之間。

焊接完畢后，焊縫及熱影響區(qū)先緩冷至90℃，恒溫2h以上，保證馬氏體轉(zhuǎn)變完全。然后進(jìn)行溫度為350±50℃，恒溫2～4h的后熱處理。焊后熱處理采用高溫回火，熱處理采用整體裝爐熱處理。回火加熱溫度：770±10℃，恒溫時(shí)間：4～6h。升降溫速度根據(jù)壁厚確定，一般可按250×25/壁厚℃/h計(jì)算，且不大于150℃/h。降溫至300℃以下時(shí)，可拆除保溫棉，在靜止的空氣中冷卻至室溫。

通過采用上述焊接工藝，在對A335-P92的焊接過程中，能夠有效地避免焊接冷裂紋，提高焊縫金屬的韌性，確保焊接質(zhì)量。

3 結(jié)論

1）焊接冷裂紋、焊縫金屬韌性差以及Ⅳ型蠕變裂紋是A355-P92鋼常見的三種焊接缺陷。

2）為減少焊接冷裂紋的發(fā)生，P92鋼焊管氬弧焊打底完畢后，應(yīng)預(yù)熱200～250℃，恒溫30min以上，保證坡口處溫度基本均勻后，再進(jìn)行手工電弧焊填充，層間溫度控制在200～250℃之間。

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