閆侯霞

(內(nèi)蒙古能源發(fā)電金山熱電有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010106)

SA335-P92鋼是在已有的P91鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，通過加入Mo、W、N、V、Nb等元素并控制其加入量，采用復(fù)合的、多元的強(qiáng)化手段[1～2]。控制Mo的含量為0.30%～0.60%，控制W的含量為1.50%～2.00%，從而在組織中達(dá)到W-Mo復(fù)合固溶強(qiáng)化效果。加入N元素達(dá)到間隙固溶強(qiáng)化效果，同時，N元素與加入的V、Nb形成碳氮化物達(dá)到彌散沉淀強(qiáng)化效果。控制B的含量為0.001%～0.006%達(dá)到晶界強(qiáng)化效果[3～5]。通過W-Mo復(fù)合固溶強(qiáng)化、間隙固溶強(qiáng)化、彌散沉淀強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化等復(fù)合-多元強(qiáng)化手段，P92鋼成為新型耐熱合金鋼被廣泛應(yīng)用到電力工程建設(shè)中[6]。

與P91鋼相比，P92鋼具有比較明顯的性能優(yōu)勢，特別是在高溫性能方面。當(dāng)溫度低于400℃時，P92鋼的延伸率和斷面收縮率與P91大致相當(dāng)。在溫度400℃時，兩者的力學(xué)性能也大致相同；當(dāng)溫度高于600℃時，P92鋼的持久強(qiáng)度開始高于P91鋼；當(dāng)溫度達(dá)到650℃時，P92鋼的持久強(qiáng)度是P91鋼的1.6倍。此外，P92鋼還具有優(yōu)良的韌性及加工性能、較好的抗蒸汽氧化性能，略高于P91鋼的抗高溫腐蝕性能[7～9]。

P92鋼作為替代P91鋼的新材料，其化學(xué)成分、物理性能以及力學(xué)性能均進(jìn)行過全面測試。不僅如此，為了使P92鋼在工程實際中達(dá)到廣泛的應(yīng)用，焊接材料研發(fā)生產(chǎn)廠家也針對P92的化學(xué)成分、力學(xué)性能開發(fā)了相應(yīng)的焊接材料[10]。同時對這些焊接材料的焊縫熔敷金屬進(jìn)行了包括化學(xué)成分和常規(guī)力學(xué)性能實驗分析。不同的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的焊接材料往往焊接性和焊接接頭使用性能不盡相同。隨著我國超超臨界機(jī)組大規(guī)模投運(yùn)，作為主蒸汽管道用鋼的P92應(yīng)用越加廣泛。在工程實際中，需要針對現(xiàn)場的工程實際制定有針對性、恰當(dāng)?shù)暮附庸に嘯11～15]。因此，開展P92鋼焊接工藝評定并對其焊接性進(jìn)行研究是十分必要的。

1 試驗材料及方法

選用P92鋼母材的規(guī)格為Φ273×40mm。焊接材料包括焊絲、焊條兩種。其中，焊絲型號：ER90S-G，規(guī)格：Φ2.4mm；焊條型號：E9018-G，規(guī)格：Φ2.5mm、Φ3.2mm、Φ4.0mm。焊接設(shè)備采用唐山松下焊機(jī)，型號YC-400TX。

焊接方法選用手工鎢極氬弧焊(GTAW)打底，手工電弧焊(SMAW)蓋面。焊縫總厚度：GTAW5.5mm、SMAW34.5mm。焊前預(yù)熱、后熱及氣體保護(hù)。焊后在760℃±10℃保溫?zé)崽幚?小時，爐冷到300℃后空冷到室溫。鎢極類型和尺寸為WCeФ2.5mm，電流衰減時間為3s～5s。

焊接過程中，無論焊接位置2G還是5G，均需要兩名焊工實施對稱焊接完成(見圖1、圖2)，層間溫度通過手持遠(yuǎn)紅外測溫儀以及控溫儀聯(lián)合監(jiān)測，嚴(yán)格控制焊接熱輸入。

圖2 P92鋼對稱焊接(5G)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 P92鋼焊接工藝評定結(jié)果及分析

根據(jù)DL/T868-2014《焊接工藝評定規(guī)程》的規(guī)定，P92鋼管的規(guī)格選用Φ273×40mm，加工成長度為300mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。加工后的試樣嚴(yán)格按照規(guī)程相關(guān)規(guī)定進(jìn)行焊接組裝。在進(jìn)行試樣點(diǎn)固焊時，要把“定位塊”點(diǎn)固在焊件坡口內(nèi)，而且點(diǎn)固焊的數(shù)量不得少于3塊(見圖3)?！岸ㄎ粔K”的材質(zhì)要采用P92鋼或表面堆焊P92熔敷金屬的低碳鋼，表面堆焊的熔敷金屬不得少于兩層，厚度不得小于5mm。焊接過時，施焊至“定位塊”處時，去掉“定位塊”，再將焊點(diǎn)用角磨機(jī)磨掉，不得留有焊接疤痕。組裝結(jié)束后，根據(jù)制定的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。焊接完成后，對焊件進(jìn)行檢測及評價。

圖3 “定位塊”點(diǎn)固焊位置

焊接工藝評定的準(zhǔn)則是制定評定合理的焊接工藝，避免焊接接頭產(chǎn)生焊接缺陷。在工程實際應(yīng)用過程中，為了高質(zhì)量、高效率地保證焊接質(zhì)量和整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，有必要對新型耐熱鋼P(yáng)92的焊接性進(jìn)行分析。P92這種新型耐熱鋼焊接性的主要問題是焊接冷裂紋。因此，對P92的焊接性主要通過冷裂紋試驗進(jìn)行。

經(jīng)過多次焊接試驗，擬選用表1中的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。

表1 P92鋼的焊接工藝參數(shù)

依據(jù)表3對試樣進(jìn)行了焊接，焊接后的試件見圖4。焊接結(jié)束后，對焊件進(jìn)行外觀檢驗及無損檢驗。檢驗結(jié)束后，對焊件進(jìn)行試樣加工，為拉伸檢驗、彎曲試驗以及微觀金相檢驗制備試樣。

圖4 經(jīng)過焊接后的試件

2.2 P92鋼規(guī)范參數(shù)條件下焊接工藝評定檢驗

依據(jù)規(guī)程DL/T868-2014《焊接工藝評定規(guī)程》的規(guī)定，Φ273mm×40mm焊接后需要進(jìn)行的檢測項目包括外觀檢驗、射線檢驗、拉伸檢驗、彎曲試驗以及微觀金相檢驗5項，本項目為了對工藝評定內(nèi)部缺陷的掌握，增加了焊件的斷口檢驗。

2.2.1 外觀檢驗。外觀檢驗也叫“VT”檢驗，英文名稱“Visual Test”，即為看見的、視覺上的檢驗，是一種焊縫的宏觀檢驗方法。這種檢驗是以視覺觀察為主，有時候也借助低倍放大鏡和焊縫檢驗尺。

經(jīng)過外觀檢驗發(fā)現(xiàn)，焊件表面焊道均勻，成型美觀，不存在氣孔、裂紋、燒穿、焊瘤、弧坑等缺陷。

2.2.2 無損檢驗。無損檢測是在不破壞構(gòu)件性能和完整性的前提下，對金屬構(gòu)件的某些物理性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，識別金屬構(gòu)件表面和內(nèi)部各種缺陷的技術(shù)。本項目主要采用射線照相法進(jìn)行無損檢測。射線照相是一種利用X射線穿透試樣，膠片記錄信息的無損檢測方法。該方法是最基本、應(yīng)用最廣泛的無損檢測方法 通過檢驗結(jié)果表明P92鋼在規(guī)范的工藝參數(shù)條件下焊縫中未見缺陷，焊接結(jié)果合格。

2.2.3 斷口檢驗。斷口檢驗是用來判斷焊縫內(nèi)部是否存在缺陷的一種檢驗方法?？梢栽诤附咏宇^力學(xué)試驗后的斷口上觀察，也可以在焊接接頭擬檢驗的截面表面開一溝槽，用壓力機(jī)壓斷后觀察斷口?？梢耘袛嘟饘偈撬苄云茐幕蚴谴嘈云茐?，檢驗斷口處是否有焊接缺陷。本項目采用的是第二種檢測方法。首先，在焊縫表面開一溝槽；然后，在斷口機(jī)進(jìn)行試驗。從斷口表面可以看出，斷口呈塑性斷裂，焊縫斷口處未見缺陷，斷口試驗結(jié)果合格。

2.2.4 拉伸檢驗。拉伸檢驗是用來評定焊縫或焊接接頭強(qiáng)度和塑性性能的試驗方法。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，在鋼管的對稱位置取下相應(yīng)尺寸的試樣，加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣后在萬能試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸檢驗，拉伸結(jié)束后，根據(jù)測量的力值計算試樣的抗拉強(qiáng)度是否符合工藝評定的相關(guān)要求。經(jīng)檢驗，焊件的抗拉強(qiáng)度性能(1-1：684MPa和685MPa，1-2：688MPa和689MPa)均大于母材的下限值(620MPa)，符合規(guī)程規(guī)定“同種材料焊接接頭每個試樣的抗拉強(qiáng)度不應(yīng)低于母材抗拉強(qiáng)度規(guī)定值的下限”的要求，因此，拉伸試驗結(jié)果合格。

2.2.5 彎曲檢驗。彎曲試驗用于評定焊接接頭的塑性，能反映焊接接頭各區(qū)域的塑性差異，揭示焊接缺陷，評定熔合區(qū)的焊接質(zhì)量。試驗過程嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)定進(jìn)行。根據(jù)彎曲試驗后試樣的表面狀況，將面彎和根彎試樣彎曲到規(guī)定的180℃角度后，各試樣的拉伸表面焊縫和熱影響區(qū)的任何方向均不存在長度大于3mm的裂紋缺陷。試樣邊角未發(fā)現(xiàn)夾渣等內(nèi)部缺陷引起的裂紋。因此，彎曲試驗結(jié)果合格。

2.2.6 金相檢驗。金相檢驗是焊縫的一種顯微檢驗。顯微檢驗是在50倍以上(一般為100倍～1 500倍)的顯微鏡下進(jìn)行的，用于分析焊接接頭各區(qū)域的金相組織和顯微缺陷。微觀檢驗的樣品應(yīng)具有代表性，對觀察表面進(jìn)行粗磨、拋光、腐蝕后進(jìn)行顯微鏡觀察。顯微檢驗可以確定焊接接頭各部位的顯微組織特征和晶粒尺寸，從而推斷焊縫和熱影響區(qū)的冷卻速度和力學(xué)性能，確定所選用的焊接材料和焊接方法是否合適，焊接工藝和焊接規(guī)范是否正確，并在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)方案。也可用于檢測微觀缺陷(氣孔、夾渣、裂紋等)和結(jié)構(gòu)缺陷(如合金鋼、白口鑄鐵的淬火組織、鋼中的氧化物和氮化物夾雜物、過燒現(xiàn)象等)。從圖5和圖6焊縫及熱影響區(qū)組織可以看出，焊縫金相組織由馬氏體、殘余奧氏體和析出相組成，焊縫及熱影響區(qū)無裂紋、過燒及過熱引起的組織異常，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫組織合格。

圖5 焊縫及熱影響區(qū)處的組織(2G)

圖6 焊縫及熱影響區(qū)處的組織(5G)

結(jié)合上述工藝評定結(jié)果，P92鋼規(guī)范的焊接工藝參數(shù)推薦如下：焊接位置2G時，GTAW時，電流110A～115A，電壓11V～12V，氬氣流量15L/min，背面氬氣流量25L/min，焊接速度80mm/min～85mm/min；SMAW時，電流80A～155A，電壓21V～23V，氬氣流量15L/min，背面氬氣流量6L/min，焊接速度140mm/min～145mm/min。

焊接位置5G時，GTAW時，電流100A～115A，電壓12V～14V，氬氣流量15L/min，背面氬氣流量20L/min，焊接速度35mm/min～40mm/min；SMAW時，電流80A～90A，電壓23V～25V，氬氣流量15L/min，背面氬氣流量6L/min，焊接速度90mm/min～120mm/min。

2.3 P92鋼焊接性分析

斜Y型坡口試板的約束焊縫對試驗焊縫根部和近縫區(qū)有較大的約束，常用于評價鋼板近縫區(qū)和匹配焊接材料在一定預(yù)熱溫度下形成的焊縫的冷裂傾向。

試驗符合《GB/T 4364-2013斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》的要求。試驗中的試樣是采用Ф273×40mm的管子加工而成的。試件的形狀和尺寸按照規(guī)程要求進(jìn)行。室溫下準(zhǔn)備進(jìn)行焊接的斜 Y 坡口試驗的試樣照片(見圖7)，焊接結(jié)束經(jīng)過48h焊縫開裂的照片(見圖8)。觀察預(yù)熱120℃和150℃截面，預(yù)熱在120℃時接頭有明顯的裂紋，裂紋貫穿整個焊縫。150℃預(yù)熱以及200℃預(yù)熱的條件下的焊縫未出現(xiàn)裂紋。Y型坡口拘束試驗結(jié)果表明：SA-335P92鋼含碳量低，硫、磷等雜質(zhì)元素控制嚴(yán)格。具有一定的焊接冷裂紋傾向的，焊接時必須相應(yīng)地采取一些預(yù)防措施，如需要一定的預(yù)熱及層間溫度等。

上述試驗結(jié)果表明，在150℃的預(yù)熱溫度條件下即可防止冷裂紋的發(fā)生。考慮到實際生產(chǎn)條件和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，推薦產(chǎn)品焊接時，鎢極氬弧焊的預(yù)熱溫度≥150℃，焊條電弧焊的預(yù)熱溫度≥200℃。

3 結(jié)束語

獲得SA335-P92鋼規(guī)范的焊接工藝參數(shù)。焊接位置2G時，GTAW時，電流110A～115A，電壓11V～12V，氬氣流量15L/min，背面氬氣流量25L/min，焊接速度80mm/min～85mm/min；SMAW時，電流80A～85A，電壓21V～23V，氬氣流量15L/min，背面氬氣流量6L/min，焊接速度140mm/min～145mm/min。

焊接位置5G時，GTAW時，電流100A～115A，電壓12V～14V，氬氣流量15L/min，背面氬氣流量20L/min，焊接速度35mm/min～40mm/min；SMAW時，電流80A～90A，電壓23V～25V，氬氣流量15L/min，背面氬氣流量6L/min，焊接速度90mm/min～120mm/min。

SA335-P92鋼的焊接性能表明，該材料具有一定的焊接冷裂紋傾向。當(dāng)預(yù)熱溫度≥150℃時，可避免冷裂紋的產(chǎn)生?？紤]到實際生產(chǎn)條件和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，建議手工鎢極氬弧焊預(yù)熱溫度≥150℃，手工焊條電弧焊的預(yù)熱溫度≥200℃。