王登第，毛春生，李平，苗慧霞，柴茂海，劉磊，王能淼，黃振濤，楊志鵬，王偉

中國電建集團山東電力建設(shè)第一工程有限公司 山東濟南 250100

1 序言

從2006年起，國家鋼鐵研究院依托國際合作項目“650℃蒸汽參數(shù)超超臨界火電機組鍋爐鋼品種研發(fā)和性能研究”，開展了Cr含量（質(zhì)量分數(shù)，下同）為9%、12%、15%的650℃耐熱鋼成分優(yōu)化和品種篩選的探索研究，并確定了發(fā)展wCr=9%的650℃馬氏耐熱鋼的方向和基本化學(xué)成分體系。從2009年起，依托國家“973計劃”中的“耐高溫馬氏體鋼的組織穩(wěn)定性基礎(chǔ)研究”課題，開展了wCr=9%的650℃馬氏體耐熱鋼的高溫組織穩(wěn)定性的基礎(chǔ)研究，提出了650℃馬氏體耐熱鋼的“選擇性強化設(shè)計理論”，成功開發(fā)出10Cr9W3Co3VNbCuBN原型鋼。從2012年起，依托“863計劃”中的“先進超超臨界火電機組關(guān)鍵鍋爐管開發(fā)”項目，開展了G115（08Cr9W3Co3VNbCuBN）鋼厚壁大口徑管的研發(fā)。

2016年，電力規(guī)劃設(shè)計總院受國家能源局委托，召開了“650℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)可行性研討會”，經(jīng)過多方專家討論認為，目前建設(shè)630℃參數(shù)超超臨界機組已基本成熟，而G115鋼成為當前我國（也是世界）首臺630℃超超臨界機組主蒸汽管道的唯一候選材料。G115鋼密度為7.897g/cm3，抗拉強度≥660MPa，屈服強度≥580MPa，伸長率≥20%，母材硬度為190～250HBW，室溫沖擊吸收能量≥27J，相變點溫度為：Ac1＝800℃，Ac3＝890℃，Ms＝375℃，Mf＝255℃。試驗數(shù)據(jù)顯示，G115 鋼與T/P91、T/P92、SAVE12AD鋼相比，具有優(yōu)異的組織穩(wěn)定性和持久強度[1]，其許用應(yīng)力更高，同時具有更為良好的抗蒸汽氧化腐蝕性能。G115 鋼可以用于超（超）臨界鍋爐的集箱、蒸汽管道、受熱面管子等部件，以及類似工況的受壓元件。同時，在電站檢修機組中也可以采用G115鋼替代目前的P92鋼管，管道的壁厚可大幅度減薄，極大地降低焊接難度。在同參數(shù)同管徑的情況下，管道設(shè)計壁厚可減少25%、重量減少約50%，推廣應(yīng)用前景非常廣闊[2]。

2 研究內(nèi)容

2.1 G115鋼焊接性研究

G115鋼是在9C r-3W-3C o系基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，合理優(yōu)化B、N微量元素配比，同時添加Cu元素，其化學(xué)成分見表1，嚴格控制其他有害元素上限水平，5個有害元素含量控制要求見表2。

表1 G115鋼管化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 有害元素含量控制要求（質(zhì)量分數(shù)）（%）

由于G115鋼合金化程度高，其B、S含量低，Mn含量高，這些因素共同決定了其在施焊冷卻過程中，隨著溫度的降低導(dǎo)致產(chǎn)生的低熔點共晶物減少。又由于其自身線膨脹系數(shù)小，G115鋼的熱裂紋敏感性不大，斜Y形坡口試驗結(jié)果驗證了該鋼材沒有再熱裂紋傾向。焊接冷裂紋敏感性主要是由淬硬傾向決定的，影響淬硬傾向的主要因素是化學(xué)成分。根據(jù)G115鋼材的斜Y形坡口試驗情況可看出，該鋼材有較大的冷裂傾向，因此需要嚴格執(zhí)行預(yù)熱工藝。

焊接熱循環(huán)對焊接接頭熱影響區(qū)的晶粒長大有重大的影響，特別是緊鄰焊縫的熱影響區(qū)。當冷卻速度較慢時，在焊接熱影響區(qū)會出現(xiàn)粗大的塊狀鐵素體和碳化物組織，使焊接接頭出現(xiàn)鐵素體，造成接頭強度不足、塑性下降；當冷卻速度較快時，由于產(chǎn)生了粗大的馬氏體組織，所以會使焊接接頭硬度過高，塑性下降。因此，需要嚴格控制焊接及焊后熱處理過程中的熱循環(huán)。焊接過程中，焊接層間溫度不超過250℃，防止熱輸入過大；焊后需要保證馬氏體充分轉(zhuǎn)變；焊后熱處理需要控制適當?shù)慕禍厮俣?，以保證組織轉(zhuǎn)變符合要求。

G115鋼ww=2.4%～3.1%，由于W的熔點較高，因此在焊接過程中要充分考慮其均勻過渡，避免出現(xiàn)夾渣情況，并考慮焊接接頭綜合質(zhì)量，建議優(yōu)先使用鐵芯過渡的焊條。

G115鋼的合金含量較高，特別是wCr=8.5%～9.5%，根部氬弧焊打底時，極易產(chǎn)生背面氧化現(xiàn)象，降低焊接接頭的性能。因此，在制定焊接工藝時，需要充分考慮合適的焊接工藝和有效的保護措施，防止根部產(chǎn)生氧化。同時，在填充第一層時容易發(fā)生燒穿，也需要嚴格控制焊接參數(shù)。

2.2 G115鋼焊接材料選擇

根據(jù)G115鋼的合金成分和力學(xué)性能（見表3），結(jié)合目前G115鋼潛在可用的焊接材料情況，優(yōu)先選擇Chromet933、G115專用焊接材料進行焊接工藝研究。本試驗選擇了國內(nèi)焊接材料廠家研發(fā)的G115鋼專用焊接材料。

表3 G115鋼專用焊接材料化學(xué)成分與力學(xué)性能

2.3 G115鋼焊接工藝研究

根據(jù)G115鋼專用焊接材料試焊情況，其焊絲、焊條工藝性能較好。焊絲焊縫成形情況良好，焊縫表面干凈無雜物；焊條起弧容易，藥皮燃燒穩(wěn)定，熔池保護效果好，脫渣性較好，且無黏條現(xiàn)象。結(jié)合以往公司研發(fā)的“高合金鋼大徑厚壁管道焊接關(guān)鍵技術(shù)”，以及G115鋼各金相相變點、G155鋼專用焊接材料推薦工藝工況[3]，制定的G115鋼焊接參數(shù)見表4。

2.4 G115鋼焊接接頭熱處理工藝研究

根據(jù)圖5所示的G115鋼連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖（CCT曲線）可得出其相變點溫度為：A c1＝800℃，Ac3＝890℃，Ms＝375℃，Mf＝255℃。

圖1 G115鋼CCT曲線

結(jié)合公司“高合金大徑厚壁管道焊接關(guān)鍵技術(shù)”，最終制定G115鋼焊接接頭熱處理工藝。G115鋼焊接接頭焊接完畢后，使用保溫棉包覆焊縫區(qū)域，并利用預(yù)熱時的熱電偶和加熱器控制降溫，待焊接接頭溫度降至80～120℃，保溫2h后自然冷卻，拆除預(yù)熱時的加熱器和熱電偶，重新安裝加熱器和熱電偶。

焊后熱處理采用中頻感應(yīng)加熱方式進行，加熱器寬度以焊縫為中心每側(cè)不小于5倍壁厚，升降溫速度為（6250/壁厚）℃/h，恒溫溫度為760℃±10℃，恒溫時間按照壁厚計算為5mm/min，保溫厚度為40mm，保溫寬度每側(cè)7倍壁厚，感應(yīng)線圈與管道間隙為10～80mm，管子兩頭用鐵皮封堵以減少散熱，感應(yīng)線圈和保溫棉布置如圖2所示。

圖2 G115鋼焊接接頭中頻感應(yīng)熱處理感應(yīng)線圈和保溫棉布置

3 G115鋼焊接接頭焊接性能試驗

G115鋼焊接接頭在焊后熱處理合格后，進行無損檢測試驗，檢測合格后按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》等相關(guān)要求進行拉伸、彎曲、沖擊、硬度等性能試驗及檢測。

3.1 拉伸試驗

G115鋼焊接接頭拉伸試驗結(jié)果見表5。由表5可看出，各拉伸試樣抗拉強度均≥640MPa，說明選用CHG-G115＋CHH767焊接材料焊接，其接頭強度能夠滿足要求。

表5 G115鋼焊接接頭拉伸試驗結(jié)果

3.2 彎曲試驗

根據(jù)管道規(guī)格，該焊接接頭彎曲試驗全部采用側(cè)彎，經(jīng)過試驗表面無裂紋，結(jié)果如圖3所示。

圖3 G115鋼焊接接頭側(cè)彎試驗結(jié)果

3.3 沖擊試驗

為了充分驗證G115鋼焊接接頭韌性，考慮在焊接接頭截面的內(nèi)層、中層、外層分層取焊縫及熱影響區(qū)、母材沖擊試樣進行試驗。根據(jù)沖擊試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊縫及熱影響區(qū)沖擊吸收能量基本一致，其數(shù)值基本≥41J，但有個別數(shù)值在27～41J之間，但均符合材料的設(shè)計值，表明材料沖擊韌度良好。

同時，為了進一步加強焊接材料驗證，進行焊接材料堆焊焊接沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)焊絲堆焊焊接試樣的沖擊韌度較高，而焊條堆焊的焊接試樣沖擊吸收能量與上述焊接接頭沖擊試驗中焊縫及熱影響區(qū)數(shù)值基本一致。

3.4 硬度檢測

根據(jù)T/CISA 003—2017、T/CSTA 00017—2021、BTJG-008—2015相關(guān)G115鋼制作標準，其母材硬度值為190～250HBW，參考DL/T 869－2021、DL/T 438－2023有關(guān)規(guī)定，其正常焊縫熱處理后硬度值應(yīng)為185～270HBW，為了更好地反映焊接接頭的硬度情況，選擇截取焊接接頭斷面分層進行硬度檢測。

通過硬度檢測，母材從外層到內(nèi)層的硬度數(shù)據(jù)在195～250HBW之間；熱影響區(qū)從外層到內(nèi)層的硬度數(shù)據(jù)在195～240HB之間；熱影響區(qū)從外層到內(nèi)層的硬度數(shù)據(jù)在210～255HBW之間。以上數(shù)據(jù)可間接說明，G115鋼焊接接頭熱處理工藝制定合理。

3.5 金相試驗

G115鋼為馬氏體耐熱鋼，其金相組織如圖4所示。

圖4 G115 鋼金相組織

G115鋼焊接接頭的金相組織應(yīng)為回火馬氏體[4]，為了更好地研究焊接接頭各部位的金相組織情況，對G115鋼焊接接頭分外層、中層、內(nèi)層進行分層試驗。焊縫外層、中層、內(nèi)層及近縫區(qū)母材的金相組織如圖5所示。

圖5 焊縫外層、中層、內(nèi)層及近縫區(qū)母材的金相組織

從圖5可知，焊接接頭、近縫區(qū)母材金相組織均為回火馬氏體，與原始母材的金相組織一致，表明焊接工藝及熱處理工藝制定合理。

4 結(jié)束語

通過研究，采用G115鋼專用焊接材料，并結(jié)合已有的“高合金大徑厚壁管道焊接關(guān)鍵技術(shù)”，形成一套完整的G115鋼焊接及熱處理技術(shù)，為G115鋼的推廣應(yīng)用做好技術(shù)儲備，也可為國內(nèi)外630℃及以上超超臨界機組的新型材料施工提供借鑒，并為后續(xù)高效節(jié)能機組安裝提供了施工經(jīng)驗。