季 豐

（上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機廠，上海200090）

馬氏體耐熱鋼的材料特性及焊接技術(shù)

季 豐

（上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機廠，上海200090）

在大機組設(shè)備制造中，馬氏體耐熱鋼的應(yīng)用范圍在不斷擴大。馬氏體耐熱鋼屬于難于焊接的耐熱鋼種，焊接時，常產(chǎn)生各種焊接缺陷和焊接質(zhì)量問題。針對馬氏體耐熱鋼的焊接特性，以某型機組的主蒸汽管道焊接工藝為例，通過焊接試驗，制定了適當?shù)暮附庸に囈?guī)范，防止了焊后冷裂紋的產(chǎn)生，并提高了焊接接頭的沖擊韌性。

電站；設(shè)備；耐熱鋼；焊接；工藝；參數(shù)；措施

0　概述

目前，在核電設(shè)備及高參數(shù)機組的設(shè)備制造中，采用馬氏體耐熱鋼材料較多。SA335—P92牌號材料屬于馬氏體耐熱鋼，焊接性能較差，焊接中易產(chǎn)生各種焊接缺陷。通過焊接試驗，獲得了適當?shù)暮附庸に噮?shù)和操作要點，提高了焊接接頭的質(zhì)量。

1　馬氏體耐熱鋼的化學成分和性能

1.1 P92鋼的化學成分

SA335—P92鋼是馬氏體耐熱鋼，該材料是在P91鋼的基礎(chǔ)上，添加了W元素，適當減少了Mo元素的含量，是一種新開發(fā)的鋼種。SA335—P92 及SA335—P91鋼的化學成分，如表1所示。P92鋼的密度是7 850 kg/m3，該鋼鐘的物理性能，如表2所示。

1.2 P92鋼的主要性能

（1）良好的物理性能

P92鋼與P91鋼的線膨脹系數(shù)相同，但比奧氏體鋼的線膨脹系數(shù)低，甚至比P22鋼的線膨脹系數(shù)還低。所以，在機組啟動或停止時，P92鋼承載抗疲勞損傷的能力不僅優(yōu)于奧氏體鋼，還比P22鋼強。P92鋼的導(dǎo)熱率與與P91鋼相同，但高于奧氏體鋼的導(dǎo)熱率。

（2）更高的高溫蠕變斷裂強度

表1　A335-P91鋼及A335-P92鋼的化學成分

表2　P92鋼的物理性能。

P92鋼的常溫強度和高溫強度均高于P91鋼。根據(jù)各國的測試結(jié)果，如果按ASME標準進行估算，在550℃、600℃、625℃等不同工況溫度下，在10萬小時內(nèi)，P92鋼的蠕變斷裂強度分別為199 MPa、131 MPa和101 MPa，而P91鋼在相應(yīng)溫度下的蠕變斷裂強度，分別為141 MPa、98 MPa和68 MPa。從數(shù)據(jù)可知，P92鋼與P91鋼相比，其高溫蠕變強度要高出許多。

（3）常溫沖擊韌性和抗氧化性能

P92鋼不僅具有較好的高溫性能，還具有優(yōu)異的常溫沖擊韌性。同時，P92鋼也有較好的抗煙灰氧化和抗水蒸氣氧化等性能。這些性能參數(shù)與P91鋼的特性大致相同。

2　P92鋼的焊接問題

雖然SA335—P92鋼具有良好的物理性能、高溫蠕變性能和抗氧化性能，但由于合金元素的增加和強度的提高，且為馬氏體組織，因此，P92鋼在焊接過程中易產(chǎn)生冷裂紋。

（1）SA335—P92鋼屬空冷馬氏體鋼，在金相結(jié)構(gòu)上的敏感性較強，淬硬的傾向較大。

（2）氫以過飽和狀態(tài)聚集并殘留于馬氏體中，隨后結(jié)合成氫分子，促使該區(qū)域內(nèi)的組織進一步地脆化。

（3）電廠主蒸汽管道的直徑較大，且管壁較厚，管道結(jié)構(gòu)的剛性大，所以，焊后的拘束應(yīng)力較大。

3　施焊措施與操作方案

在焊接過程中，采取適當?shù)拇胧?，是防止SA335—P92管道產(chǎn)生焊后冷裂紋的重要環(huán)節(jié)，控制焊接時線能量的輸入，才能使焊接接頭獲得較高的沖擊韌性。因此，在SA335—P92鋼管焊接時，需采取一系列的工藝措施。

3.1 焊前準備

（1）坡口

在一般情況下，SA335—P92鋼焊接坡口采用機械加工，當有要求時，可對坡口進行無損檢測。由于主蒸汽管道的直徑較大，壁厚較厚，所以采用了U+V形坡口形式，如圖1所示。

圖1　大口徑厚壁管坡口

（2）焊接材料

SA335—P92鋼管道焊接的主要焊材為氬弧焊絲和焊條。焊絲和焊條的成分與母材相當。焊條使用前，必須按說明書要求進行烘焙處理。現(xiàn)場焊接時，應(yīng)將焊條放入焊條保溫筒中，并接通電源，隨用隨取。

（3）裝配

管道裝配時，將定位塊固定在坡口內(nèi)，圓周方向均勻分布三處，定位塊也用SA335—P92材料制成。點焊前，需將待焊點區(qū)域加熱至200℃，以避免焊縫坡口內(nèi)出現(xiàn)裂縫。焊縫間隙一般取1～2 mm。

3.2 焊接過程控制

（1）預(yù)熱

焊前應(yīng)采用履帶式紅外線均勻預(yù)熱，氬弧焊預(yù)熱溫度可控制在100～150℃，焊條電弧焊的預(yù)熱溫度應(yīng)大于等于200℃，焊接過程中，應(yīng)始終保持在預(yù)熱溫度以上，以防止焊后冷裂紋的產(chǎn)生。

（2）背面氬氣保護

SA335—P92鋼的合金元素含量較高。所以在封底及打底焊時，應(yīng)對焊縫背面進行充氬保護，以防止根部背面金屬的氧化。一般情況下，氬弧焊及焊條電弧焊焊至三層后可停止充氬。由于焊縫背面的管道空間較大，焊接前先要對管道進行預(yù)充氣，此時流量可以選擇在16～20 L/min，正常焊接時流量可以選擇在8～10 L/min。利用射線檢測孔插入氣管進行充氬，兩端采用耐熱材料阻擋，使管道內(nèi)形成較小的空間，有利于背面保護。焊縫背面充氬的示意圖，如圖2所示。

圖2　背面充氬示意圖

（3）焊層及道間溫度控制

氬弧焊一般焊接二層，厚度控制在3 mm左右，稍厚的氬弧焊焊層，可防止手工電弧焊時焊縫被擊穿而產(chǎn)生缺陷。

手工電弧焊應(yīng)嚴格采用小規(guī)范、窄焊道、多層多道焊，如圖3所示。在施焊時，每層的厚度不大于焊條的直徑，焊條擺動幅度不大于焊條直徑的4倍。焊條選用?3.2 mm，不主張使用?4.0 mm的焊條。

圖3　多層多道焊示意圖

因為管壁較厚，當焊接的焊層厚度達20 mm后，應(yīng)采用“回火焊道”進行焊接，以利于改善焊縫金屬組織和性能。SA335—P92鋼屬于馬氏體耐熱鋼，焊接時，如采用大規(guī)范焊接參數(shù)，就可能造成焊層間的金相組織過熱，使焊縫晶粒粗大，降低了焊縫的沖擊韌性。反之，采用較小的焊接線能量，利用薄焊層的擺動焊接，可充分發(fā)揮焊接時層間的回火效應(yīng)。采用多層多道的薄焊層焊道，可使焊縫金屬在相變溫度tH停留時間適中，讓焊縫的金屬組織奧氏體被充分均質(zhì)化。同時將道間溫度控制在200～300℃，并控制了熱輸入量。

（4）焊后處理

當焊接完成后，應(yīng)讓焊縫自然冷卻至80～120℃保溫1～2 h的后熱處理。后熱處理應(yīng)采用履帶式紅外線均勻保溫和加熱。

3.3 焊后熱處理

當完成后熱處理后，應(yīng)立即進行焊后熱處理，如不能立即進行焊后熱處理，應(yīng)立即進行后熱去氫處理。焊后熱處理或去氫處理，應(yīng)采用履帶式紅外線均勻加熱和保溫。預(yù)熱、焊接、后熱處理及焊后熱處理的溫度控制曲線，如圖4所示。

圖4　溫度控制曲線示意圖

4　焊接工藝要點

4.1 焊接P92鋼時，需嚴格執(zhí)行小規(guī)范、窄道焊、多層多道等工藝要求，并控制層間溫度，以保證焊縫的沖擊韌性值達到規(guī)定中的要求，將焊接線能量控制在25 kJ/cm以下，焊接工藝參數(shù)，如表3所示。采用恰當?shù)暮附庸に噮?shù)，不僅可以減小熱輸入量，還有利于焊縫中氫氣的溢出，減少氣孔的產(chǎn)生，同時也使每一層焊道都具有回火效應(yīng)。經(jīng)測試，焊縫金相組織內(nèi)的晶粒較細，提高了焊縫的沖擊韌性值。

4.2 當焊接完成后，應(yīng)讓焊縫經(jīng)80～120℃保溫1 ～2 h的后熱處理，使焊縫中的奧氏體組織完全轉(zhuǎn)變成馬氏體組織。焊后熱處理（回火）目的是消除焊接接頭的殘余應(yīng)力，同時獲得回火馬氏體組織，使焊接接頭的綜合力學性能良好。在主蒸汽管道焊接過程中，如果有過大的焊接殘余應(yīng)力存在，再加上焊縫在金相轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生很大的相變應(yīng)力，如不及時消除應(yīng)力，極有可能使焊縫產(chǎn)生裂紋。

表3　焊接工藝參數(shù)

5　結(jié)語

5.1 對SA335—P92鋼進行焊接時，在適當?shù)暮附庸に嚄l件下，可獲得優(yōu)異的焊縫質(zhì)量和良好的回火馬氏體組織，保證其力學性能。

5.2 盡管P92鋼的開發(fā)應(yīng)用已有20多年，但在國外，大規(guī)模的應(yīng)用并不太多，在國內(nèi)也是剛開始應(yīng)用。由于P92鋼的合金元素含量高，在焊接上有較大的難度，如不掌握焊接工藝要點和焊接規(guī)范方面的要求，焊接接頭的性能將大大降低。設(shè)備在長期運行中，容易發(fā)生焊接接頭的開裂及早期失效。

5.3 經(jīng)過試驗及實際操作證明，加強焊接預(yù)熱、層間溫度、焊接熱輸入、多層多道施焊、以及焊后熱處理等焊接工藝的控制，是確保P92鋼的焊接質(zhì)量和性能的關(guān)鍵。

［1］中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1992.

［2］田錫唐.焊接結(jié)構(gòu)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1992.

［3］周振豐.焊接冶金學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

The Characteristics and Welding Technology of Martensite Heat-Resistant Steel

JI Feng
（Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.，Ltd.Shanghai Power Station Auxiliary Equipment Plant，Shanghai 200090，China）

In the manufacture of large-capacity unit equipment，the application scope of martensite heat-resistant steel continues to expand.The martensite heat-resistant steel is difficult to welding in the heat resistant steels，various welding defects and quality problems often happened during the welding.Taking the welding technology of one unit main steam pipeline as an example，according to the welding characteristics of Martensite heat-resistant steel，the proper technology specification has been made through welding test，which avoids the cold cracks after welding and increases the impact roughness of welding joints.

power station；equipment；heat-resistant steel；welding；technology；parameter；measure

TL374+.5

B

1672-0210（2016）01-0033-04

2015-03-01

季豐（1982-），男，本科，高級技師，畢業(yè)于東華大學，現(xiàn)從事壓力容器焊接工藝編制及焊接試驗方面的工作。