黃瓊+曾小川+楊勇

摘 要：當今世界火電機組朝高效率節(jié)能方向發(fā)展，超超臨界火電機組被大量推廣。P92鋼材因為其良好的高溫抗蠕變性能而被應用在超超臨界大容量機組中，但是其較差的可焊性又給現(xiàn)場安裝帶來一些難題。本文針對P92鋼在現(xiàn)場焊接和熱處理中出現(xiàn)的不同類型的問題分析了其產生的原因并提出了相應處理措施。

關鍵詞：P92鋼材；焊接工藝；金相組織；熱處理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.041

現(xiàn)代火電廠機組趨勢朝著大容量方向發(fā)展，由此帶來大容量機組對耐熱鋼的要求越來越高，華潤蒲圻電廠二期2×1000MW的4#機組及茌平信源鋁業(yè)有限公司700MW級機組工程5#機組為我方安裝，為了滿足超超臨界機組高溫高壓情況下運行壽命的要求，過熱器和再熱器中大量采用了P92鋼材，雖然國家電力公司能源建設部專門做出過P91/P92的工藝導則，但是在實際焊接中發(fā)現(xiàn)兩者間還是存在不少差別的，為此我們就現(xiàn)場P92鋼材焊接中出現(xiàn)的問題和解決方法進行了總結。

1 P92鋼簡介

P91鋼材的出現(xiàn)就已經極大提高了大容量機組的使用壽命和加工難度[1]，為了進一步提高鋼材的耐熱性與使用壽命，日本新日鐵公司在P91鋼的基礎上開發(fā)出了等級更高的NF616（T/P92）耐熱鋼，現(xiàn)在被廣泛的用于超超臨界機組中。P92鋼與P91不同之處在于降低了0.5%的Mo元素含量，同時加入了1.7%的W元素和0.0035%的B元素，這兩種元素都增加了P92鋼材的強化效果，且P92鋼材的回火顯微組織為雙相馬氏體結構，強度在P91基礎上進一步提升。P92鋼的高溫強度在590℃～650℃范圍與TP347H等鋼材相當，高溫蠕變性能比P91高出30%[2]。P92鋼的具體成分及其力學性能如表1、表2所示。

2 P92鋼材的焊接工藝

SA335P92鋼材含有的合金元素種類繁多，Cr、Mo元素含量高，且W元素的加入使得P92鋼的焊接難度進一步加大，P92鋼焊接工藝的執(zhí)行情況一向是焊接工作的重中之重。

現(xiàn)場P92大徑管的坡口嚴格按照DL/T869-2012規(guī)范制備，焊工上崗前經過嚴格培訓與考核，焊材選用的是經過公司工藝評定準許的英國曼徹特公司CHROMET 92焊條和9CrWV焊絲，焊接方法采用GTAW+SMAW，氬弧焊打底前管道的預熱溫度為160℃，手工電弧焊蓋面時的預熱溫度為220℃，打底前做好封閉氣室充氬保護，氬弧焊打底時是嚴格按照工藝評定來做的。電弧焊蓋面時選擇相應電流遵循多層多道原則[3]，焊前預熱至焊后熱處理嚴格按照DL/T819-2002規(guī)程執(zhí)行并有溫控儀全程監(jiān)控。

3 P92鋼焊接中常見問題的分析與解決

3.1 問題的出現(xiàn)

經檢查充氬氣室封閉良好，熱處理過程符合工藝要求，曲線圖中顯示層間溫度控制正常，工藝符合評定要求。而在實際現(xiàn)場中對焊縫檢測發(fā)現(xiàn)有三類問題：（1）有10%概率發(fā)現(xiàn)微小裂紋；（2）焊縫一周不同深處發(fā)現(xiàn)大小不一點狀缺陷多處，經切口發(fā)現(xiàn)均屬于夾渣；（3）大口徑壁厚卻相對薄的管道（如高溫再熱器管道）焊縫的硬度偏高大約在280HBW以上。

3.2 問題的分析

a.眾所周知，P92鋼的合金（尤其是Cr元素含量）含量很高，有極易發(fā)生冷裂紋傾向，氬弧焊打底時采用150℃以上預熱溫度，根部裂紋的概率幾乎為零，但是在手工電弧焊蓋面時，由于要求一次焊完，焊接工人可能會為了趕時趕工，習慣性的加大焊接電流導致層間溫度局部偏高，高于350℃，焊縫冷卻速度過慢，在焊接接頭中引起晶界碳化物析出和過早形成鐵素體（見圖1），從而形成延遲裂紋，熱處理后會很明顯表露出來?，F(xiàn)場實際焊接時溫度監(jiān)控不是很全面，會有局部溫度偏高發(fā)生，有較小的概率會產生延時裂紋。

b. 焊條選用方面，主要對比一下藥皮過渡焊條和焊芯過渡焊條的使用區(qū)別。根據(jù)現(xiàn)場焊工經驗，發(fā)現(xiàn)使用不同類型的P92鋼焊條時，缺陷與夾渣發(fā)生的概率都不一樣，焊芯過渡焊條的合格率要高于藥皮過渡焊條。藥皮過渡和焊芯過渡的焊條主要區(qū)別是合金元素的進入鐵水中方式不一樣，焊芯是直接等離子化區(qū)域，而藥皮先被高溫等離子熔化，然后摻進等離子鐵水中。藥皮過渡的焊條，藥皮中的合金元素在融入鐵水中稍微滯后，高熔點金屬可能產生熔化不完全的現(xiàn)象。

我們在P92鋼的焊接中主要采用的是英國曼徹特公司的CHROMET 92型焊條，該焊條屬于藥皮過渡型焊條，合金元素存在藥皮中，其合金元素融入焊縫中的速度小于焊芯過渡型焊條，而且焊接時線能量輸入會影響到合金元素的融入均勻性。P92鋼中合金種類多、含量高，尤其是W元素熔點高會首先凝固，形成晶核，帶動Cr、Mo等高熔點金屬吸附在其上形成成分偏析，可能還來不及固溶到奧氏體晶胞中就偏析在晶界處，形成枝晶偏析或夾雜。因此藥皮過渡型的P92焊條在焊接必須嚴格控制焊速和層間溫度，保證合金元素充分融入到鐵水中，否則W元素未熔化或偏析到晶界處，容易逸出晶界產生第二相，使得焊縫極易發(fā)生夾渣，焊接時必須仔細清理。

c. P92鋼材的焊接工藝指導與P91相同，但是兩者在焊接時的金屬流動性和凝固沉積時產生的成分偏析都存在很大差別，P92鋼材與P91鋼比較在合金中添加了W元素，因此其在抗高溫蠕變性能方面也更理想，但是P92鋼材的時效性也很明顯，尤其是焊接部分，W元素的熔點達到3410℃左右，遠高于其他合金元素，使用直徑4.0mm的焊條焊接時電流過大，溫度集中，影響到合金元素融入的均勻性使得合金組織容易產生偏析現(xiàn)象，焊接時如果凝固速度緩慢甚至會在晶界處聚集形成黑色夾渣。直徑4.0mm焊條焊接線能量輸入較大，層間溫度偏高，焊縫熔池溫度過高，晶粒會充分長大，形成金相組織也會比較粗大，焊后熱處理很難將硬度降下來；且晶粒長大后晶界面積將會變小，焊接輸入的線能量將會以缺陷的形式保存在晶粒中，進一步降低焊縫的塑韌性，這對整個焊縫性能的影響都是不利的。

d. 高溫回火能細化金屬組織形態(tài)，釋放內應力，增強焊縫抗高溫蠕變性能，提升其使用壽命，是保證焊縫質量的重要步驟，對于P92鋼這種高合金含量的鋼尤其如此。通常按照正常熱處理工藝對P92鋼材高溫回火能起到細化組織，降低硬度的作用，但是現(xiàn)場實際應用中發(fā)現(xiàn)對于一些薄壁大口徑管道（如再熱熱段管道）安照正常工藝進行熱處理后，硬度高于規(guī)范要求。

將現(xiàn)場有代表性的主蒸汽管道和再熱熱段管道（均為P92材質）焊縫做金相分析（見圖2和圖3），再對比母材金相組織（見圖4），可以明顯發(fā)現(xiàn)P92鋼材金相組織主要為板條狀馬氏體形態(tài)，而且焊縫處的組織尺寸要大于母材，這是因為焊接時能量輸入集中，溫度過高而冷卻速度較慢導致過冷度較小，形成晶粒粗大。高溫回火能一定程度上消除其影響，但是并不能完全消除，因此，焊縫處的晶粒組織比母材要粗大。對比主蒸汽和熱段焊縫處的金相組織，發(fā)現(xiàn)主蒸汽焊縫的馬氏體組織大小又小于熱段焊縫的，結合焊縫硬度值（現(xiàn)場主蒸汽焊縫的硬度值一般小于熱段焊縫），得出金相組織大小與硬度成正相關關系。這就表明相同熱處理工藝下，熱段焊縫的組織形態(tài)劣于主蒸汽焊縫，這可能是導致熱段焊縫硬度偏高的原因。

熱處理時通常都是加熱片包裹在管壁外側，再覆蓋數(shù)層保溫棉，焊縫兩側加熱寬度不少于4倍壁厚。在達到恒溫溫度后用測溫槍測量管壁外表面溫度T1和內表面溫度T2（見圖5），發(fā)現(xiàn)主蒸汽焊縫內外壁溫差T1-T2≈5℃，而熱段焊縫內外壁溫差T1-T2≈10℃，可見熱段焊縫回火時的熱量損失很大。管道熱傳導屬于金屬和空氣混合傳導，空氣的導熱率明顯高于金屬材料，管道內徑越大，空氣中的導熱距離越長，管壁越薄，金屬內導熱距離也越短。

可知在垂直于軸線方向上熱段管道（Ф779×40）的熱傳導速率明顯高于主蒸汽管道（Ф550×94）。加上現(xiàn)場實際安裝中管道中可能有穿堂風帶走大量熱量，這也就是造成熱段管道焊縫回火溫度不足，金相組織比主蒸汽焊縫粗大，內應力釋放不夠完全，硬度偏高的原因。

3.3 問題的解決

針對以上問題，經分析后提出以下改進措施：

a. 在P92鋼焊接時由于焊接電流過大容易引起晶界碳化，形成過早鐵素體，需要增強焊工責任心，加強現(xiàn)場監(jiān)督，嚴格按照焊接工藝執(zhí)行，采用小電流，薄層多道焊接；

b. 藥皮過渡焊條，合金元素溶入稍慢，W元素來不及溶入晶格中，晶界堆積形成類似晶間腐蝕的微小裂紋，焊芯過渡焊條此種問題不易出現(xiàn)，若用藥皮過渡焊條必須更應控制好焊接電流和層間溫度，并仔細清理層間的藥皮、夾渣；

c. 為嚴格控制層間溫度，降低成分偏析，阻止晶粒長大，P92鋼焊接電流不宜過大，因此選用的焊條直徑不能超過3.2mm；

d. 板條狀馬氏體的穩(wěn)定形成與回火的恒溫時間有很大關系，一般來講，焊接完成后的馬氏體轉變區(qū)間足以完成80%以上組織轉變，回火將會消除焊接時殘余應力，調整焊縫硬度和強韌性，保留組織。大口徑薄壁管回火時保溫措施容易出現(xiàn)大量熱損失，焊縫根部溫度達不到要求[4]，形成索氏體組織粗大。決定在熱處理時采用一定的熱補償措施，焊縫兩邊加熱寬度加寬至5倍壁厚，保溫寬度加寬至6～7倍壁厚，保溫棉加厚至4層以上，加強溫度監(jiān)控，在有穿堂風的地方用紙板或保溫棉封住管口，但不宜延長恒溫時間，這樣會降低材料的使用壽命。

采取改進措施后，焊縫的質量和硬度值均有明顯的改善，合格率達到了比較理想的狀態(tài)。

4 小結

對現(xiàn)場P92焊接中出現(xiàn)的問題經針對性分析，采取對應的措施使其可達到可控制的狀態(tài)。（1）P92鋼焊接應當采用直徑不大于3.2mm焊條，小電流，薄層多道焊接；（2）不同種類焊條的焊接處理方式不一樣，焊芯過渡焊條焊接合格率大于藥皮過渡焊條，當選用藥皮過渡焊條時，應特別注意電流和層間溫度控制，并仔細清理每層焊縫的藥皮、焊渣；（3）為避免大口徑薄壁管熱處理時的熱損失，對這類焊縫應加寬加熱和保溫范圍，加厚保溫厚度，并封堵好管口。

參考文獻：

[1]王則靈.T91/P91鋼的焊接工藝[J].焊接，2005（12）：29-33.

[2]傅育文，王炯祥，盧征然等.SA-335P92鋼的焊接[J].動力工程，2008，28（05）：807-811.

[3]邵小劍.超超臨界機組主蒸汽P92鋼的焊接[J].電焊機2008，38（01）：58-62.

[4]歐陽杰，馮硯廳，王慶.P91鋼焊接及焊后熱處理中的問題分析[J]. 河北電力技術，2008，27（03）：13-14.