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T/P92钢的焊接性分析及试验方案

发布时间: 2020-02-11         点击:14752次        



T/P92钢的焊接性分析及试验方案
关键词:T/P92焊接性试验方案
1.0 摘要
提高温度和压力来增加发电效率和减少燃煤机组对大气的污染,是当今电站建设的方向,同时要求开发高温蠕变断裂强度比较高的新型马氏体耐热钢,来适应超临界的温度和压力参数。美国开发了T/P91新型马氏体耐热钢,日本开发了600℃~630℃长期运行的T/P92新型马氏体耐热钢(NF6169%cr-2W)。新型马氏体耐热钢的加工性能好,高温蠕变断裂强度非常高,抗腐蚀性好,可以提高耐热钢的工作温度,减少钢材厚度,降低钢材消耗量,降低管道热应力。T/P92新型马氏体耐热钢迅速在电站设备制造业中得以推广应用。
德国蒂森、日本神钢和英国METRODE等公司开发了多种焊接T/P92 钢的新型焊接材料,并进行了大量的焊接试验。新型焊接材料具有合理的化学成分,具有非常好的室温机械性能和高温机械性能。新型焊材还具有优异的焊接性和加工性。新的钢材和焊材已用于国外新的电站的建造和老电站的改造。
开发新焊材的重点是满足T/P92钢的化学成分、常温机械性能和高温蠕变断裂强度的要求。要求进行熔敷金属2万小时蠕变断裂强度试验,以及进行焊接接头3万小时蠕变断裂强度试验。
通过试验研究,获得评估焊接材料和焊接接头高温长期运行寿命的可靠方法,不仅对发电厂的安全运行有帮助,而且对电站施工建造公司、以及对有关制造、检验、验收人员也有帮助。同时也是焊接性试验的基础,利于工艺评定顺利进行。
2.0 T/P92钢的冶金特点及制造工艺
上个世纪七十年代末,美国与CE公司合作在橡树岭国家实验室花了约9年的时间,开发了T/P91钢,广泛使用于本国及欧洲电力、化工、核能(制作蒸发器壳体)等领域。
80年代初日本花了约三年的时间研制成功了NF6169Cr-2WP/T
92钢使之使用性能进一步提高,而焊接性仅略有下降,与其同类的还有HCM12A,(P122)和NF12使用温度高达650℃,克服了X20CrMoV121F12)和X20CrMoWV121F11)钢的所有薄弱点。
冶金:精选钢料—高炉粗炼—碱性炉脱SP—电炉精炼—真空炉渗部分合金,把各种合金元素控制在预先设计的范围内,同时严格控制碳的含量(不致于引起高硬度使焊接性下降),控制有害元素硫的含量(硫几乎不溶解于钢,与铁生成低熔点的FeS硫化铁,焊接时低熔点化合物导致产生热裂缝和在热影响区产生液化裂缝。同时,硫以薄膜形式存在于晶界使钢的韧塑性下降)。磷:使钢的韧塑性下降同时提高钢的脆性转变温度:高温时强烈促使奥氏体晶粒的快速长大使之造成冷裂缝。为提高抗蠕变能力降低δ铁素体的敏感性,在冶金中加入了铜及钴等合金元素使T/P92钢具有更优越的抗蠕变性能,并进行沉淀强化。
精轧工艺:为提高抗腐蚀能力,提高塑性、韧性及高温强度。他们采用连续铸造,对钢锭分块进行不断的来回压延,然后对T92钢采用倾斜穿孔法,采用心轴轧制工艺使之钢管光滑,晶粒度细;而对P92钢管则选用大钢锭用压力穿孔法即平台推压法工艺进行制管,然后进行细晶化调质热处理,用机械加工法对管子进行内外壁加工,到达规定尺寸,成为目前USC(超超临界)锅炉的新型主蒸汽,再热器过热器管的主要材料之一。
提高工作温度和压力可以改善电站锅炉和汽轮机的热效率,增加电站设备的发电量,对电站锅炉用耐热钢的钢材和焊材提出了更高的要求。高温、高压条件下工作的钢材必须具有足够高的高温蠕变断裂强度、抗氧化性能和抗烟气腐蚀性能。此外还应有较好的焊接性,以及具有良好的冷、热加工成形性能。一般采用高温蠕变断裂强度、蠕变极限、抗蒸汽腐蚀和抗燃气腐蚀等技术性能指标来评价耐热钢材的性能,这些数据可以在有关钢材标准中找到。
通过资料介绍制造电站设备用新型耐热钢(工作温度为 600630℃)T/P92钢的焊接特点,介绍T/P92焊材的熔敷金属性能,以及焊接接头的常温机械性能和高温机械性能为焊接试验提供数据。
通常要求开发的新焊材必须具有与母材相同的化学成分、常温机械性能、高温机械性能、高温蠕变断裂强度和抗腐蚀性。
德国蒂森、日本神钢、英国曼彻特等公司对新焊材进行了大量的常温机械性能和高温蠕变断裂强度试验。
新焊材的常温机械性能完全满足标准要求,经过焊材化学成分优化之后,焊缝的冲击韧性也非常满意。
当钢材的工作温度高于450℃时,低合金耐热钢容易发生蠕变,十万小时高温蠕变断裂强度取决于温度和钢材性能。钢材中强化合金元素越多蠕变断裂强度越高。工作温度越高,蠕变断裂强度越低。
焊接材料的高温蠕变断裂强度取决于焊材中的强化合金元素含量,以及焊缝的组织状态。在焊材中增加CrMoVNbW等合金元素,可以提高低合金元素耐热钢和马氏体耐热钢105或者2×105小时的高温蠕变断裂强度。
试验结果证明,蒂森公司新焊材具有以下特点:
焊材的化学成分基本上与母材相同,合金元素用焊芯直接过渡,提高焊缝的冲击韧性,对焊缝的化学成分作了调整,元素与母材等同。
焊缝具有非常好的室温机械性能、高温机械性能,还具有良好加工性能和冲击韧性,熔敷金属和焊接接头具有比较好的高温蠕变断裂强度。
对于一般低合金铁素体耐热钢的厚壁焊件,最高工作温度仅限于550℃。如工作温度高于550℃,除了蠕变断裂强度之外,还必须考虑抗蒸汽腐蚀和抗烟气腐蚀问题。试验结果和焊接生产实践证明,蒂森公司新开发的T/P92焊材具有非常好的室温冲击韧性、高温蠕变断裂强度抗蒸汽腐蚀性能。可以将T/P92钢材的工作温度提高600630℃。
3.0 T/P92新型马氏体耐热钢的性能
T/P92钢的标准化学成分和机械性能列入表1和表2。欧洲开发的新型马氏体耐热钢—E911钢属于T/P92钢。日本开发的新型马氏体耐热钢—NF616钢属于T/P92钢,已列入ASTM/ASME A 213 T91ASTM/ASME A335 P92标准。
1 电站锅炉用新型耐热钢的化学成分
C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
V
W
Nb
N
B
T/P92下限
0.07
-
0.30
8.5
-
0.30
0.15
1.5
0.04
0.03
0.001
T/P92上限
0.13
0.5
0.30
9.5
0.4
0.30
0.25
2.0
0.09
0.07
0.006
2 电站锅炉用新型耐热钢的机械性能
钢 材
屈服强度
抗拉强度
延伸率
ASME标准
EN标准
Mpa
Mpa
%
Akv(J)
Akv(J)
T/P92
450
620
20
27
41
T/P92钢是在T/P91钢中添加钨(1.7W)和降低钼(0.5%Mo)而开发的新钢种,因为W可以显著提高钢材的高温蠕变断裂强度,T/P92钢的工作温度T/P91钢温度高,可以达到630℃。但是,钢中过量添加钨会促进δ—铁素体的形成,降低冲击韧性和蠕变断裂温度。
4.0 T/P92焊材的特点
采用新钢种之前,必须证明焊接材料具有足够高的常温机械性能和高温蠕变断裂强度。制造电站设备的耐热钢应该具有足够高的常冲击韧性,在起压水压试验时,较高的冲击韧性可以降低水压试验的温度,降低热能消耗,并确保电站设备足够安全。
电站锅炉制造中常用的焊接方法有:GTAW、SMAW等焊接方法,为此必须开发与之适应的氩弧焊用实心焊丝,手工电弧焊用焊条,不少焊材生产公司为了提高焊接材料的蠕变断裂强度和冲击韧性,进行了大量焊材性能和蠕变断裂强度试验研究工作。
焊材具有以下特点:
4.1 蒂森公司T/P92焊材主要销往欧洲和美国,因此焊材必须满足欧洲的EN标准和美国的ASME标准。
所以T/P92焊材的化学成分符合ASME SFA 5.5 E9015-B9(SMAW),SFA5,23-EG(SAW)标准,同时还符合EN 1599 EZ CrMoWV 9 0.5 2 B 42 H5(SMAW),EN 12070 WZ CrMoWVNb9 0.5 1.5(GTAW)的标准。
4.2许多公司对焊材进行了大量的蠕变断裂强度试验和常温冲击韧性试验,以便优化焊材的化学成分,提高焊材的综合性能。
通过大量试验优选出焊材的最佳化学成分。试验结果表明,与母材同成分的氩弧焊焊丝可获得满意的蠕变断裂强度和冲击韧性。但是,对于SMAW焊接方法,马氏体焊接材料的室温冲击韧性比较低,这是因为其中Nb(或者W)元素含量比较多,Ni和Mn元素含量比较少的缘故。这些元素对于钢材和焊材的蠕变断裂强度也有比较大的影响,必须认真对待。可以通过增加Ni,同时控制Mn、Nb含量的方法,降低这些元素对冲击韧性的不利影响。
经试验发现碳和铌元素对焊材性能的影响非常大。增加碳元素能提高焊材的强度和硬度,但是会降低焊接性,降低碳会降低蠕变断裂强度,希望含碳量尽可能控制在0.08—0.13%范围之内。铌元素是提高蠕变断裂强度的重要元素,但是增加铌会显著降低焊材的冲击韧性,因此必须适当降低铌元素的含量。焊材中的最佳含铌量为0.04—0.06%。
4.3 严格控制焊材熔敷金属中的S、P、As、Sb、Zn等微量有害元素,以降低焊材的回火脆化和蠕变脆化倾向。采用特殊精炼的焊丝,以及采用精选矿物材料和铁合金材料来制造焊条,以便提高强度和常温冲击韧性。
4.4 对常温冲击韧性提出了比较高的要求:如对于T/P92焊材,应满足δ—铁素体含量<1%,室温Akv≥41J的技术要求。
4.5 要求焊材熔敷金属的硬度比较低,焊材的焊接性比较好:
T/P92焊材熔敷金属的焊态硬度约为400HV10,比近30年电站锅炉中常用X20CrMoV121钢的熔敷金属硬度约低100HV10,可以大大改善焊接性,可以允许薄壁焊件焊后冷却到室温。720℃/2h热处理后熔敷金属硬度约为250HV10,这样低的硬度有利于防止焊接冷裂纹,降低焊接预热温度,有利于T/P92钢焊接接头的冷、热弯曲加工,有利于防止应力腐蚀裂纹。
4.6 要求焊材的蠕变断裂强度比较高:
焊材具有最佳的蠕变断裂强度,可以基本达到与母材等强度,高温长期运行比较安全可靠。
4.7蒂森公司T/P92焊材的典型化学成分和机械性能见表3和表4。
3 T/P92焊材的典型化学成分
C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
V
W
Nb
N
T/P92焊材
0.09
0.23
0.66
9.23
0.66
0.53
0.20
1.62
0.037
0.060
4 T/P92焊材的典型机械性能
钢 材
焊后热处理
屈服强度
抗拉强度
延伸率
Akv
℃/h
Mpa
Mpa
%
(J)
T/P92
760/2
600
750
20
45
5.0 T/P92钢焊接工艺的特点
T/P92钢属于低碳马氏体耐热钢,其焊接工艺的特点和焊接技术要求和过去常用的马氏体耐热钢(T9、F12)的焊接工艺相比具有以下特点及改进:
5.1 焊接预热温度明显降低
焊接P9、F12等马氏体耐热钢时,为了防止焊接冷裂纹,一般避免在马氏体组织的温度区内焊接,所以推荐的焊接预热温度比较高,对于P9钢为350℃;对F12钢为400~450℃。为了防止焊接冷裂纹,焊后不能冷却到室温。但是,为了提高焊缝的冲击韧性,焊后必须冷却到80~100℃,保温1小时,使焊缝全部转变成为马氏体组织之后才能进行焊后热处理,否则焊缝的冲击韧性非常低。
T/P92马氏体钢是低碳马氏体钢,允许在马氏体组织区焊接,这意味着焊接预热温度和层间温度可以大大降低,一般推荐焊接预热温度为200~250℃。对于壁厚<80mm的焊件,可以允许焊后冷却到室温。根据相关单位斜Y坡口焊接裂纹试验法提供的数据,测定的止裂(无裂纹)预热温度见表5。(可供我们试验直接参考)
5 常用钢材Y坡口焊接裂纹试验的止裂温度
钢 材
P22
P9
P91
T/P92
F12
斜Y止裂温度(℃)
250-300
300-350
100-150
100-250
400-450
由表5可见,P91、T/P92、P9、F12钢同属于化学成分相近的马氏体耐热钢,防止焊接冷裂纹的预热温度却相差非常大。由表5可见,T/P92钢是其中容易焊接的马氏体耐热钢,焊接预热温度最低,比P22低合金铁素体耐热钢 的焊接预热温度还低。
5.2 对层间温度的控制要求比较高
为了获得满意的冲击韧性,推荐层间温度<250℃。由于T/P92钢的导热系统比较小,小口径和大口径管道的焊接热量比较集中,层间温度比较高。如果不采取措施,层间温度可以达到300~350℃,冲击韧性将会大大降低。必须采用低焊接输入热量的焊接工艺施焊,才能控制层间温度<250℃。对于玉环(USC)壁厚>80mm,的大口径管道焊接,应该引起我们的重视,适当采取冷却措施。
5.3 对焊接输入热量的控制要求比较高
多项试验数据证明:焊件输入热量对焊接接头的冲击韧性有较大的影响,焊件输入热量越大,焊接接头的冲击韧性越低。实践经验证明,如果采用普通低合金钢的焊接热输入量焊接马氏体耐热钢,焊接接头的冲击韧性只有10~30J。必须采用比较小的焊接输入热量施焊,如采用小直径焊条,采用比较小的焊接电流,采用比较快的焊接速度,采用比较低的层间温度,冲击韧性可以达到50~100J。
5.4 焊件焊后必须冷却到马氏体终止转变温度以下
对于T/P92钢管道的焊接,当壁厚<80mm时,焊后空冷就可以得到纯马氏体。如果壁厚>80mm,由于冷速比较慢,会降低冲击韧性,所以必须加速冷却,以得到纯马氏体。
焊接接头在热处理之前冷却到马氏体转变温度以下是非常重要的,这样可以通过随后的热处理使全部马氏体得到回火。T/P92熔敷金属马氏体终止转变温度为120℃,所以要求焊后至少冷却到100℃,保温0.5~1小时,然后才能进行焊后热处理。
5.5焊后去氢处理
如检验规定要分层探伤及设备故障等原因要求分层停焊等情况下,为了避免氢致冷裂纹,建议焊件在焊接结束之后,以及在焊件冷却到室温之前进行去氢处理,即焊后直接加热到250℃~350℃,保温2~3小时,覆盖保温材料缓冷。
5.6 焊后热处理
焊件焊接结束之后,必须冷却到<100℃,才能进行焊后热处理。
热处理温度和保温时间对冲击韧性影响的试验结果见表6。随着焊后热处理温度和保温时间增加,冲击韧性得到改善。如有冲击韧性要求,必须准确控制热处理温度和保温时间。从经济方面分析,要求缩短焊后热处理保温时间,可以节约能源。提高焊后热处理温度,可以大大缩短焊后热处理保温时间,但热处理温度不能超过Ac1b温度。通过实际测量,Ac1b温度为765℃~775℃,推荐焊后热处理温度为760℃+0-10℃,保温时间为2~6小时。应特别仔细测量和控制焊后热处理温度。对于厚壁焊件,特别是进行单面加热热处理的管道焊缝,为了获得比较高的蠕变断裂强度和冲击韧性,建议采用焊后热处理的温度为750℃,保温时间为5~6小时。对于薄壁焊件可以选用比较短的保温时间,薄壁管氩弧焊焊件可以采用比较低的热处理温度,或者采用比较短的热处理保温时间。热处理的升温速度一般为80~120℃/hr,热处理的冷却速度一般为100~120℃/hr。
6 热处理温度和时间对冲击韧性的影响
热处理温度
Akv(J)
保温时间2小时
保温时间4小时
保温时间6小时
740
14
25
43
750
35
53
-
760
45
67
-
6.0 关于焊材的施焊操作方法
T/P92焊材进行了大量的焊接工艺试验,总结出来许多有利于提高焊接质量的焊接操作方法,现总结以下几点:
(1) 氩弧焊打底时必须进行有效背面氩气保护,因为钢中Cr含量高达10%左右,以防止焊缝背面氧化。
(2 )坡口焊的焊道排列对冲击韧性有比较大的影响,采用一层两道焊接操作方法比一层三道的冲击韧性好。
(3)熔敷金属和焊接接头的冲击韧性有比较大的差别,一般大口径管道焊接接头的冲击韧性比熔敷金属的冲击韧性好。
(4) 不同焊接位置对冲击韧性有很大的影响,一般大口径管道横焊的冲击韧性比平焊和立焊的冲击韧性好。
(5) 薄焊道比厚焊道的冲击韧性高,一般希望焊道的厚度<2.5mm。GTAW工艺焊层应尽量厚。
(6) 快速摆焊比慢速直道焊的冲击韧性好。
(7) 管道单面加热热处理和双面加热热处理方法对焊缝的冲击韧性也有很大的影响,单面加热热处理的内、外壁存在较大的温差,影响焊接接头的冲击韧性。有人建议采用比较低的热处理温度和比较长的热处理时间。
7.0  T/P92钢熔敷金属和焊接接头的性能
7.1 手工焊条电弧焊
用于焊接T/P92钢的焊条为Themanit MTS 616(E9015-B9或E9015-G),Themanit MTS 616焊条的焊接工艺参数见表7。熔敷金属的机械性能见表9。P92大口径钢管对接焊焊接接头的机械性能见表10。
表7 焊条手工电弧焊的焊接工艺参数
直径
电流
电压
预热
层温
冷却要求
热处理
升温速度
降温速度
mm
安培
伏特
℃/h
℃/h
℃/h
℃/h
3.2
90-130
21-26
200
250
缓冷至室温
760/2
80-120
100-150
4
120-160
22-27
200
250
缓冷至室温
760/2
80-120
100-150
表8 Themanit MTS 616焊条熔敷金属的化学成分
C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
V
W
Nb
N
0.11
0.27
0.65
8.95
0.7
0.53
0.19
1.72
0.044
0.045
表9 Themanit MTS 616焊条熔敷金属的机械性能
试验温度
焊后热处理
屈服强度
抗拉强度
延伸率
Akv
℃/h
MPa
MPa
%
J
20
760/2
675
800
17.6
50,55,58
600
760/2
435
585
12.0
-
10 Themanit MTS 616焊条熔敷金属的机械性能(规格300*40mm
试验温度
焊后热处理
屈服强度
抗拉强度
断裂部位
Akv
硬度
℃/h
MPa
MPa
J
HV
20
760/2
489
665
母材
60,58,62
236-262
600
760/2
300
349
母材
-
8.0 蠕变断裂强度试验
开发新焊材的重点是提高焊材的常温冲击韧性和高温蠕变断裂强度,两者比较,蠕变断裂强度更为重要。实际上,耐热钢制造的焊接件是在550~620℃的高温、高压条件下工作的,是按照钢材的高温蠕变断裂强度设计的。所以,高温蠕变断裂强度才是电站锅炉受压件安全运行的重要指标。电站锅炉受压件在这样高的温度下运行,冲击韧性比较高,受压焊接件的实际应力又比较低,一般不会发生低应力脆性破坏,所以,在ASME标准中,对于高温耐热钢的焊接件,没有冲击韧性要求。欧洲标准对焊接材料的冲击韧性提出了比较高的要求,提高常温冲击韧性的主要目的是为了防止常温超压水压试验时发生意外脆性破坏,也可以采取提高水压试验温度的方法来提高焊接接头的冲击韧性,确保超压水压试验的安全。
焊材公司为了确保电站锅炉受压件的运行安全,对T/P92的焊接材料进行了大量的高温蠕变断裂强度试验。
8.1 蠕变断裂强度试验方法有很多种,常用的蠕变断裂强度试验方法有管子高温蠕变爆破试验法和高温蠕变拉伸试验法两大类。高温蠕变拉伸试验法又可以分为熔敷金属高温蠕变拉伸强度试验和焊接接头的高温蠕变拉伸强度试验。
高温管子蠕变爆破试验法适用于小口径对接焊接接头的蠕变断裂强度试验,由于受内压,小口径管对接焊焊缝的横向焊接应力比较小,不容易发生对接焊缝的纵向开裂。同时,由于管子对接焊缝有加强高的增强作用,以及管子母材的拘束和增强作用,管子对接焊缝的横向也不容易发生开裂。因此采用管子高温爆破试验法求得的蠕变断裂强度相同。
熔敷金属高温蠕变拉伸试验法常用来研究焊材熔敷金属的蠕变断裂强度。
对接焊焊接接头的高温蠕变拉伸强度试验可以用于研究焊接接头的蠕变断裂强度,同时,还可了解发生蠕变断裂的确切部位,可以确定焊接接头的薄弱环节是母材、焊缝金属或者是焊接热影响区。对接焊焊接接头的高温蠕变拉伸强度试验是应用比较多的蠕变断裂强度试验方法。
对焊接材料进行了熔敷金属高温蠕变拉伸试验和焊接头的高温蠕变拉伸强度试验。
8.2 蠕变断裂强度试验内容
试验用钢材:T/P92
试验用焊接材料:钨极氩弧焊焊丝、手工电弧焊焊条。还进行了不同化学成分焊材的蠕变断裂强度试验。
试样类型:熔敷金属、焊接接头。
试验温度:550℃,600℃,650℃
试验时间:对于熔敷金属>30000小时,对于焊接接头>20000小时。
8.3 熔敷金属蠕变断裂强度试验结果
600℃蠕变断裂试验结果表明,T/P92熔敷金属和焊接接头的蠕变断裂强度试验数据全部在母材蠕变断裂强度试验数据允许分散带之内,说明焊接材料具有比较好的蠕变断裂强度。650℃的蠕变断裂强度试验数据点均在母材蠕变断裂强度试验数据的下分散带附近,焊接材料650℃的蠕变断裂强度比母材低些。由于全部600℃蠕变断裂强度试验数都发生在母材数据分散带之内,可以不必降低熔敷金属的设计许用应力。
同时还进行了不同含Ni量焊条的蠕变断裂强度试验,用于考察Ni含量对蠕变断裂强度的影响,已得到的试验结果表明,Ni对蠕变断裂强度没有明显影响。
8.4 焊接接头的蠕变断裂强度试验结果
600℃焊接接头蠕变断裂强度试验表明,两种钢材焊接接头的蠕变断裂强度试验数据都在母材-20%分散带附近,由于全部蠕变断裂强度试验数都发生在母材数据分散带之内,设计许用应力可以不必降低。但是焊接接头650℃的蠕变断裂强度试验数据低于母材的下分散带,说明焊接接头的蠕变断裂强度偏低。
值得注意的是全部焊接接头的蠕变断裂强度试样的断裂部位都发生在焊接热影响区,这说明焊接热影响区是电站锅炉受压件高温运行的薄弱环节。
根据以上蠕变断裂强度试验结果,他们建议T/P91钢焊接接头用于工作温度低于600℃的电站锅炉过热器管子、管道和集箱。建议T/P92钢焊接接头用于工作温度低于630℃的电站锅炉管子、管道和集箱。
8.5蠕变断裂强度试样的宏观分析
T/P92焊接接头的焊接热影响区中存在软化区,T/P92高温工作焊接接头的薄弱环节是HAZ的软化区,因为全部蠕变断裂强度试验的断裂部位都发生在HAZ的软化区。760℃/2h热处理后,焊接接头断面的典型硬度值列入表11,由表11可见,焊接接头的焊接热影响区出现软化后,软化区的硬度最低。软化区是焊接过程中最高温度达到900℃~1000℃的α/γ转变区,该区的硬度最低。用Cleeble热模拟试验机进行不同温度的热模拟之后,再进行600℃恒应变拉伸,结果表明α/γ转变区的强度也最低。该区也就是被称为第Ⅳ类蠕变裂纹区,是当前国内外电站锅炉焊接界都比较关心的焊接问题。
11 母材、焊缝、焊接热影响区硬度
部位
母材max
母材min
焊缝max
焊缝min
HAZmax
HAZmin
HV10
213
195
228
205
186
182
8.6 蠕变断裂强度试样的微观光镜及电镜分析
国外对蠕变断裂强度试样进行了大量试验研究,通过电镜复膜、扫描、能谱、X-射线结构分析等现代试验分析手段,研究蠕变断裂试样上不同类型的析出物,分析蠕变试样上析出物出现的时间、部位、尺寸、成长速度以及析出物对蠕变性能的影响。试验结果表明,这些析出物的成长速度比较快,析出物容易变粗,除了强化作用之外,还可以弱化不同组织的基体。为了搞清楚蠕变过程中析出物对母材性能的影响,必须进行观察和定量分析析出物的形态和结构。为了研究蠕变强化机理,对焊接热影响区和未受蠕变断裂强度试验影响的焊接接头进行能谱、复膜、扫描等微观研究。
报告指出:在扫描电镜图片上可以清楚地观察到亚晶,以及析出物优先在亚晶界上析出情况。
试验过程中发现下列不同化学成分的析出物:
—含有低W,Mo的富Cr碳化物(M23C6
—含有低Nb、Mo、W、Cr的富V氮化物(MX)
—含有富Mo、W的析出物(Laves相)
—含有富Cr-V-Nb-N的析出物(Z相)
经与参考资料对比,上述析出物是由Cr形成的M23C6析出物,由V的氮化物形成的MX析出物,由Mo、W析出物形成的Laves相,由Cr、V、Nb、N析出物形成的Z相。在全部试验研究的试样中,都出现了M23C6、MX、Laves相的析出物,只有少数试样中发现Z相。析出相的数量一般都很少,很难定量分析。
此外还发现了一些氮化钒夹渣物和Z相,夹渣物成为析出物的核心。在熔敷金属中发现的析出物比焊接热影响区中的析出物小。
9.0 异种钢焊接
为了便于讨论异种钢焊接问题,将制造电站设备及安装中常用钢材和焊材分为3大类:
—铁素体类耐热钢
—不锈钢
—镍基合金
将铁素体类耐热钢分为以下不同组织的耐热钢
—珠光体耐热钢
—贝氏体耐热钢
—马氏体耐热钢
将不锈钢分为以下不同组织的不锈钢
—奥氏体不锈钢
—铁素体不锈钢
—双相不锈钢
根据上述钢材的分类,可以将异种钢焊接分为以下几种类型:
—同类同组织的异种钢焊接
—同类异组织的异种钢焊接
—异类异组织异类钢焊接
—异类异组织镍基焊缝异类钢焊接
9.1 T/P91和T/P92钢的焊接
T/P91和T/P92钢同属于马氏体耐热钢,应属于同类同组织的异种钢焊接。因为化学成分、金相组织、常温机械性能、高温蠕变断裂强度、和焊后热处理规范都比较相近,和同种钢焊接没有区别,是非常容易焊接的异种钢。可以选用T/P91和T/P92焊材,焊后热处理温度为760℃,保温时间为2~6小时。
9.2 T/P92和T/P22钢的焊接
T/P92和T/P22钢分别属于马氏体耐热钢和贝氏体耐热钢,应属于同类异组织的异种钢焊接。由于是同一类耐热钢之间的焊接,一般认为是比较容易焊接的异种钢。但是,由于组织不同,给异种钢焊接选用焊材和焊后热处理规范带来一些麻烦。到目前为止,国内外焊接作家对如何选择焊接材料和焊后热处理规范,对碳迁移,对异种钢焊接接头的早期失效问题还存在不同的看法。
9.2.1 关于T/P92和T/P22异种钢焊接的焊接材料
一些焊接专家认为T/P92和T/P22异种钢焊接的主要问题是碳迁移问题,因为碳迁移,导致T/P22低强度钢材一侧产生脱碳带,脱碳带的高温蠕变断裂强度比较低,易发生异种钢界面蠕变断裂强度弱化和脆化,容易出现异种钢焊接接头高温运行早期失效。
选用高匹配焊接材料会产生明显的脱碳带和增碳带,为了尽可能降低碳迁移的不良影响,一般认为应该选用低匹配焊接材料,或者选用特制的中匹配焊接材料,以便尽可能的阻止碳迁移,尽可能降低脱碳带的不良影响。消除脱碳带的最好方法是选用镍基焊接材料。
一些专家认为,无论采用何种焊接材料,都会产生碳迁移,只是脱碳带出现的部位不同。同时,还认为,碳迁移与异种钢焊接接头的高温运行早期失效问题无关。据蒂森公司介绍,由于采用高匹配焊接材料可以简化加工工艺,提高焊接质量,越来越多的欧洲电站锅炉制造厂采用高匹配焊接材料焊接T/P92和T/P22异种钢。
上海锅炉厂于70年代初,采用低匹配焊接材料焊接F11(X20CrMoWV121)与15CrMo异种钢小口径管对接焊口,检验时发现大量焊接冷裂纹。经过大量的焊接试验研究,发现采用高匹配焊接材料的抗裂性非常好,而且可以在冬季进行不预热焊接,也不会产生焊接冷裂纹。所以,自从70年代开始,上海锅炉厂一直采用高匹配焊接材料焊接F11(X20CrMoWV121)与15CrMo、12Cr1MoV、Ⅱ11、G12等同类异组织异种钢焊接。我国首批6台300MW电站锅炉再热器F11与15CrMo的焊口均采用高匹配焊接材料焊接,已经安全运行了30多年,无一焊口发生高温运行的早期失效。
虽然采用高匹配焊接材料会产生碳迁移,但是采用高匹配焊接材料焊接马氏体与铁素体异种钢的不预热焊接。30多年的实际焊接生产和发电厂运行经验表明,焊接接头在制造和高温长期运行中是非常安全可靠的。
9.2.2 关于T/P92和T/P22异种钢焊接冷裂纹
焊接T/P92钢和T/P22钢的异种钢时,容易产生热影响区焊接冷裂纹,即产生低匹配焊接氢致裂纹和低硫氢致裂纹。此外,采用钨极氩弧焊进行大口径管打底焊时,也容易产生根部焊接裂纹。上述裂纹极为特殊,难以用常规的磁粉探伤、着色探伤、超声波探伤或者射线特殊方法发现裂纹,应该予以特别注意。
采用下列方法可以有效的防止焊接热影响区冷裂纹:
·采用高匹配焊接材料焊接。
·提高焊接预热温度。
·采用超低氢焊接材料焊接。
·采用全氩焊接。
·采用镍基焊接材料焊接。
9.2.3 关于T/P92和T/P22异种钢焊接接头的焊后热处理
和T/P22钢尽管属于同类钢,由于组织状态不同,最佳焊后热处理温度也有比较大的区别。
T/P22钢的最佳焊后热处理温度为710~730℃,而T/P92钢的最佳焊后热处理温度为750~760℃,两种钢材的焊后热处理温度难以统一,给异种钢焊接接头的性能带来极为不利的影响。如果按730℃热处理,T/P92钢焊缝和焊接热影响区回火不足,冲击韧性达不到要求。如果按750℃热处理,使T/P22钢一侧焊接热影响区的蠕变断裂强度降低,这也是非常有害的。一般推荐采用中间温度(740℃)热处理,适当延长保温时间,这样既可以照顾T/P92钢一侧的冲击韧性,也可以照顾到T/P22钢一侧的蠕变断裂强度。显而易见,由于T/P22低强度钢材的焊后热处理温度比较高,对于高温长期安全运行是不利的,T/P92钢一侧的焊后热处理温度比较低,冲击韧性比较低,对于焊件的安全运行也是不利的。
T/P23和T/P24钢的最佳焊后热处理温度为730~750℃正好介于T/P92与T/P22两种钢材之间,蠕变断裂强度也介于两种钢材之间,是最理想的过渡段管材。在两种钢材之间插入T/P23和T/P24钢的过渡段短管,分别与T/P92钢的焊接,可以采用T/P23、T/P24、T/P92钢的焊接材料,采用750℃焊后热处理。对于T/P23、T/P24钢与T/P22钢的焊接,可以采用T/P23、T/P24、T/P22钢的焊接材料,采用730℃焊后热处理。由此可见,T/P23、T/P24钢管是最理想的插入短管,有利于方便的选用焊接材料和焊后热处理温度,焊接接头的性能也比较满意。
T/P23、T/P24钢是新型低碳微合金化高强度钢,在T/P22钢在基础上加入钒、铌、钨、钛、硼等微量元素精炼而成为T/P23、T/P24钢。由于高温蠕变强度高,焊接性好,制造加工性好,冲击韧性好,正在用于取代T/P22钢,T/P23、T/P24钢可以用于制造超超临界电站锅炉膜式水冷壁和过热器,或者用于修复超期服役电站锅炉膜式水冷壁和过热器,或者用作T/P22钢的替换管,可以大大提高工作温度、工作压力和发电机组的效率,预计今后还将不断扩大应用。T/P23、T/P24、T/P22钢还可以用于制造电站锅炉高温工作的集箱和主蒸汽管道。不仅对超临界和超超临界电站锅炉的安全运行有好处,而且对异种钢焊接接头的安全运行,防止异种钢焊接接头的高温运行早期失效,都是非常有利的。
9.2.4 关于T/P92与T/P22异种钢焊接的碳迁移
异种钢焊接接头的碳迁移取决于两种钢材碳化物形成元素的差别、焊接材料的匹配、焊后热处理温度和保温时间。一般认为碳迁移对于异种钢焊接接头的高温长期运行是有害的,容易发生异种钢焊接接头高温长期运行早期失败,想尽各种方法避免碳迁移。防止碳迁移的最好方法是采用镍基焊接材料。
异种钢焊接接头的碳迁移只影响焊接接头室温冲击韧性,与异种钢焊接接头的高温运行早期失效无关。所以,可以选用T/P92、T/P22钢的焊接材料焊接异种钢,可以按T/P22钢的上限热处理温度选取焊后热处理温度,适当延长保温时间,可以使焊缝及T/P92钢焊接热影响区的冲击韧性达到技术要求。
9.2.5 关于T/P92与T/P22异种钢焊接接头高温运行早期失效
于60年代就已经发现高温工作的焊接接头比母材更容易发生高温运行早期失效,大量高温运行焊接件的失效分析表明,失效部位位于焊接接头的焊接热影响区(即第Ⅳ类蠕变裂纹区),或者发生在异种金属界面和碳迁移区,失效的主要原因如下:
—选取的焊后热处理温度过高,导致低强度耐热钢一侧部分母材和焊接热影响区的蠕变断裂强度降低。T/P92与T/P22钢的最佳焊后热处理温度有比较大的差别,一般焊接规程规定按T/P92钢的下限焊后热处理温度进行热处理,该温度比T/P22钢的上限焊后热处理温度高20~30℃,使T/P22钢部分母材和焊接热影响区的室温强度、高温强度和断裂强度降低,易导致焊接接头发生高温运行早期失效。
—T/P92与T/P22异种钢焊接接头焊接热影响区存在软化区,即和Ⅳ类蠕变裂纹区。软化区的高温蠕变断裂强度比母材低20~40%,容易导致焊接热影响区的软化发生高温运行早期失效。
—一般异种钢焊接接头过渡区的化学成分变动比较大,特别是碳化物形成元素差别比较大的异种钢焊接接头,容易发生碳迁移,低强度耐热钢一侧部分母材和焊接热影响区的蠕变断裂强度降低,而高强度耐热钢一侧产生硬而脆的增碳带,造成异种钢焊接接头过渡区蠕变断裂强度弱化和脆化,导致的碳迁移区高温长期运行早期失效。
蒂森公司认为高温长期运行早期失效与碳迁移无关,上海锅炉厂的关于异种接头蠕变断裂强度试验结果和高温长期运行经验也证明,高温运行早期失效与碳迁移无关。
异类异组织的异种钢焊接接头容易发生异种界面区蠕变脆化,特别是采用不锈钢焊材焊接的铁素体耐热钢,或者采用镍基焊材焊接铁素体耐热钢,容易导致高温长期运行早期失效。国内已经有两台进口大容量机组发现部分镍基焊缝的异种钢焊接接头发生高温运行早期失效。累计运行时间只有5~6万小时,远远低于设计寿命~20万小时。
—异类异组织的异类焊接接头容易在异种界面区发生氧化缺口,或者发生异种界面脆性破坏。
特别是采用不锈钢或者镍基焊材焊接的铁素体耐热钢,容易导致高温长期运行早期失效。
关于异种钢焊接接头高温运行早期失效问题,目前还没有理想的解决方法,当前主要采用的解决方法是:
·采用镍基焊接材料焊接异种钢
·提高设计安全系数
·合理选择设计的焊缝减弱系数,即增加焊接接头的设计安全系数
·降低异种钢焊接接头的工作应力
·降低异种钢焊接接头的工作温度
9.3 T/P92钢与T/P122钢的焊接
T/P92钢与T/P122钢同属于马氏体耐热钢,T/P92与T/P122钢的机械性能和焊后热处理温度比较接近,也是比较容易焊接的异种钢。可以按T/P92钢选用焊接材料,两种钢材的焊后热处理温度完全相同。
9.4 T/P92钢与TP304H、TP347H不锈钢的焊接
T/P92钢与TP304H、TP347H不锈钢分别属于马氏体耐热钢及奥氏体耐热钢,是比较难于焊接的异类异种组织的异类钢焊接接头,容易发生异类钢焊接接头高温、高压运行早期失效。一般推荐采用镍基焊接材料焊接,推荐采用Themanit Nicro 82钨极氩弧焊焊丝和采用Themanit Nicro 82焊条进行焊接,按T/P92钢的焊后热处理规范进行焊后热处理。
—对于T91小口径管的异类钢焊接,可以采用镍基焊接材料直接焊接,按T/P92钢进行焊后热处理
—对于P91大口径管的异类钢焊接,尽可能不进行直接焊接,而是在T/P92一侧采用镍基焊材堆焊过渡层的方法进行焊接,堆焊镍基过渡层之后,按T/P92钢进行焊后热处理,然后进行镍基过渡层与不锈钢的焊接,不需要进行焊后热处理。
9.5 有关公司关于异种(类)钢的焊接经验
蒂森等公司对异种(类)钢焊接接头的性能进行了大量试验研究。
认为对于T/P92与T/P122的异类异组织异种(类)钢焊接,可以采用T/P22和T/P91两种(类)钢材之间的任何一种(类)焊接材料焊接,应该按T/P22钢的焊后热处理温度进行焊后热处理。
采用镍基焊接材料或者采用镍基焊接材料堆焊过渡层,可以有效阻止异种(类)钢焊接接头的碳迁移。
异种(类)钢焊接接头高温运行早期失效的根本原因是焊接接头的第Ⅳ类蠕变裂纹,而不是异种(类)钢焊接接头中的碳迁移产生的脱碳带和增碳带。异种(类)钢焊接接头的碳迁移只影响焊接接头的室温冲击韧性,与高温运行早期失效无关。异种(类)钢焊接接头的软化区,即第Ⅳ类蠕变裂纹区,才是产生异种(类)钢焊接接头高温运行早期失效的根本原因。
导致异种(类)钢焊接接头高温运行早期失效的主要因素是焊接接头的软化区,即第Ⅳ类蠕变裂纹区,与选用的焊接材料无关。所以,在欧洲越来越多的锅炉制造厂选用高匹配焊接材料焊接T/P92与T/P22的异种(类)钢。
一些焊接专家认为:目前世界上还没有经济、适用、有效的解决焊接接头高温运行早期失效的好方法。
10.0 目的
   提出焊接试验需解决的或需探讨的有关问题或课题。
10.1 试验的合格要求
对试验需解决或需探讨的问题或课题提出试验合格要求。
10.2 试验先决条件
试验先决条件涉及母材、焊材、焊接设备、热处理设备、焊工资格、试验环境等要求。各试验条件应符合相应标准的规定要求。
10.3 焊接性试验
   焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性,主要指在一定的焊接工艺条件下,获得优质焊接接头的难易程度。目前各行各业的焊接生产中,大量使用市场上传统的或成熟的黑色和有色金属,其一,上述金属一般在材料研制时已进行了焊接性试验。其二,上述材料的大量使用,其焊接性已深为人知。然而对某些新研制的钢种、或我们还未掌握焊接性的钢种,如P91等,那就需选定如下的方法进行焊接性试验。
a)间接评定方法
对中、高合金钢、耐热钢、低温钢等有淬硬倾向的钢种,结合产品结构,选择适宜的裂纹敏感性的评定公式进行评价。
对无淬硬倾向的低碳钢、奥氏体不锈钢一般不进行可焊性的间接评定。
母材可焊性分析的间接评定方法主要有下列几种:­
   ——碳当量法
  CE>0.4%~0.6%时,易产生冷裂纹。
   ——根部裂纹敏感性评定法
   Pcm越低,热影响区冷裂纹敏感性越低。
   为将板厚(代表应力)、氢和淬硬的三因素综合考虑,可取下式评定
   式中δ——板厚(mm);H——焊缝金属中扩散氢含量(ml/100g);
   ——再热裂纹评定(不适用Cr>1%)
   ΔG=Cr+3.3Mo+8.1V-1.39(%)
   ΔG>0时,再热裂纹敏感性较强。
   PSR=Cr+Cu+2Mo+7Nb+5Ti-2(%)
   PSR≤0时,再热裂纹敏感性不强。
b)直接评定方法
   ——斜y形坡口焊接裂纹试验方法
   该试验方法主要适用于板厚大于12mm的碳素钢和低合金钢的焊接接头热影响区的冷裂纹试验,亦可作为母材和焊条组合的裂纹试验。试验条件、步骤、方法等按GB4765.1-84的规定要求进行。
   ——搭接接头(CTS)焊接裂纹试验方法
该试验方法主要适用于低合金钢焊接热影响区,由于马氏体转变而引起的裂纹试验。试验条件、步骤、方法等按GB4765.2-84的规定要求进行。
   ——T型接头焊接裂纹试验方法
该试验方法主要是对低碳钢用焊条的T型接头角焊缝裂纹进行试验,试验按GB4765.3—84的规定进行。若按德国DIN标准规定进行,它亦可对奥氏体焊条进行高温裂纹试验。试验条件、步骤、方法等见引用标准。
   ——压板对接(FISCO)焊接裂纹试验方法
该试验方法主要适用于低碳钢和低合金高强度钢焊条、不锈钢焊条的焊接热裂纹试验。试验条件、步骤、方法等按GB4765.4-84的规定要求进行。
   ——焊接热影响区最高硬度试验方法
该试验方法主要适用于手工电弧焊接,是以热影响区最高硬度来相对地评价冷裂纹倾向。试验条件、步骤、方法等按GB4765.5-84的规定要求进行。
   ——其它焊接性试验方法
插销式试验主要用来评定氢致延迟裂纹中的焊根裂纹;
拉伸拘束裂纹试验(TRC)主要用于研究焊缝根部的冷裂纹;
刚性拘束裂纹试验(RRC)主要用于研究高强度钢的延迟裂纹;
环形镶块裂纹试验、可变拘束试验方法、鱼骨状可变拘束裂纹试验方法可用于评定热裂纹的敏感性;
平板对接刚性板拘束法和反面拘束焊条再热裂纹试验可用于评定再热裂纹的倾向;
   Z向窗口试验和Z向拉伸试验是评定层状撕裂敏感性的试验方法。
10.5 焊接工艺评定前的验证试验和焊接工艺试验
   焊接工艺评定前的验证试验和焊接工艺试验是为获得优质(或符合规定要求)的焊接接头而进行的试验。焊接工艺指制造焊件所有关的加工方法和实施要求,它包括焊接准备、材料选用、焊接方法选定、焊接参数、操作要求等。因此对焊接试验内容应该较全面的包含上述焊接工艺的含义。当然,它亦可以为改善和提高某一焊接质量问题,通过分析,提出焊接工艺中针对性的试验内容,进行焊接试验。焊接工艺试验通用性内容和方法按下列章节进行。
10.6 焊接试验准备
a)接头准备
接头准备主要包括接头型式、坡口角度、钝边、间隙、在接头简图中表达出焊层和焊道布置。另外对坡口的置备主要表达坡口加工方式、坡口要求和坡口清理。
b)焊材准备
焊材准备主要对有烘干要求的焊条、焊剂提出烘干规范,电极主要提出型号、直径以及电极端部形状的要求。
c)焊接试验装置的准备
涉及焊接试验如需附加某些设置者,需对其提出准备和要求。
d)其它准备
提出除上述外的其它准备工作。
10.7 组装和定位焊
a)组装
在试件组装时,如对反变形、加垫板或加焊剂垫、始焊处和焊接终止处的焊缝间隙等有需求时,提出要求。
b)定位焊
主要对定位焊的焊接方法和工艺、定位焊缝的数量、长度、位置以及定位焊缝的修磨、返修进行规定。
10.8 预热
根据有关规范、标准要求,规定预热温度。对局部预热者,规定加热宽度。并对预热的加热方式和测温方式等提出要求。必要时提出测温点和加热器布置。
10.9 施焊
a)焊接参数
主要规定各焊层(焊道)的焊接方法、焊材及规格、焊接电流、电弧电压、焊接速度等焊接参数。并对熔滴过渡方式、最大焊接线能量、最高层间温度(必要时为层间温度区间)加以规定。
b)施焊技术
施焊技术主要对多道焊或单道焊、无摆动或摆动焊、焊道清理方法,背面清根方法、导电嘴与工件距离、导电嘴孔径或喷嘴尺寸、对称焊接等加以规定。
c)施焊操作要点
主要对定位焊工艺、焊道宽度和厚度、焊条或焊枪施焊角度、打底层熔孔的掌握,中间层和盖面层的运弧等提出操作要点。
10.10 焊后热处理
焊后热处理主要规定热处理的温度范围、保温时间、加热和冷却速度、加热方式、加热宽度、测温方式以及热电偶和加热器的布置,如对后热处理有要求者亦应作出规定。
10.11 检验和试验
焊接接头的检验和试验通常有无损检验和理化试验二大类。
无损检验可对VT、RT、UT、PT、MT、ET和泄漏试验等进行选用。
理化试验有拉伸试验、弯曲试验、冲击韧性试验、断口检验、硬度试验、金相宏观和微观检验、晶间腐蚀试验、熔敷金属化学成分分析、铁素体含量测定、落锤试验等,可根据焊接试验的需要进行选用。
10.12 焊接试验工作安排
焊接试验工作安排主要对试验的工作项目、工作内容、完成日期、负责人等进行规定。




QR805B-2000
№:PQR.805B.                
焊接试验方案书
试验项目名称
                         
                   
试验主持人
                         
试验成员
                         
                         
试验时间
      年   月   日起
      年   月   日止
焊 接 试 验 方 案
QR806B—2000(1/8)                                    №:PQR.806B.        
试验项目名称
焊接试验目的、
内容(或者需要
解决的问题)
试验合格要求
试 验 先 决 条 件
焊接方法
焊接位置
母材钢号/规格
焊丝型(牌)号/直径
焊条型(牌)号/直径
保护气体
背面保护气体
焊机型号
热处理机型号
焊工资格
试验环境要求
焊 接 试 验 方 案
QR806B—2000(2/8)                                    №:PQR.806B.        
焊接性试验(可在13.2.4.5焊接性试验的方法中选用)
间接评定方法
直接试验方法
焊 接 试 验 方 案
QR806B—2000(3/8)                                    №:PQR.806B.        
焊 接 试 验 准 备
焊接接头简图(标出焊层和焊道的布置)
接头型式
坡口角度
钝边
间隙
坡口加工方式
坡口要求
表面应平整,不得有裂纹、分层、夹渣等缺陷,尺寸应符合上述要求。
坡口清理
坡口表面和两侧           mm,应将水、铁锈、油污、氧化皮等杂物清理干净。
焊条烘干规范
焊剂烘干规范
电极/直径
测温仪型号
流量计型号
其它试验设置
焊 接 试 验 方 案
QR806B—2000(4/8)                                    №:PQR.806B.        
组    装
垫板或焊剂垫
反变形
焊缝间隙
定 位 焊
焊接方法
定位焊工艺
与正式施焊工艺相同
定位焊缝长度
定位焊缝位置
定位焊缝修磨
焊后清理焊缝,焊缝两端修磨成坡形,便于接弧及焊透。
定位焊缝返修
出现裂纹、清除重焊。有气孔和夹渣亦应清除。
预    热
预热温度
加热宽度
加热方式
测温方式
测温点和
加热器布置
焊 接 试 验 方 案
QR806B—2000(5/8)                                    №:PQR.806B.        
施 焊 焊 接 参 数
焊层
(道)
焊接方法
焊  材
焊 接 电 流
电压范围
(V)
焊接速度
(mm/min)
型(牌)号
直径(mm)
极性
范围(A)
最大焊接线能量
熔滴过渡方式
最高层间温度
施 焊 技 术
多道焊或单道焊
无摆动或摆动焊
焊道清理方法
背面清根方法
导电嘴与工件距离
导电嘴孔径
或喷嘴尺寸
是否对称焊接
其它
焊 接 试 验 方 案
QR806B—2000(6/8)                                    №:PQR.806B.        
施 焊 操 作 要 点
定位焊工艺
焊道宽度和厚度
施焊角度
底层焊接熔孔
运弧
其它
焊 后 热 处 理
温度范围
保温时间
加热和冷却速度
加热宽度
加热方式
测温方式
其它
热电偶和
加热器布置
焊 接 试 验 方 案
QR806B—2000(7/8)                                    №:PQR.806B.        
检 验 和 试 验
项    目
执 行 标 准
合 格 要 求
外观检验
射线检验
超声波检验
渗透检验
磁粉检验
涡流检验
泄漏试验
拉伸试验
弯曲试验
冲击韧性试验
断口检验
硬度试验
金相宏观检验
金相微观检验
晶间腐蚀试验
熔敷金属化
学成分分析
铁素体含量测定
落锤试验
其它
焊 接 试 验 方 案
QR806B—2000(8/8)                                    №:PQR.806B.        
试 验 工 作 安 排
工作项目
工 作 内 容
完成日期
负责人
备注
11.0  T/P92钢焊接性试验方案
11.1 钢材的复验
钢材的复验是焊接性试验的重要环节,试验用钢材T/P92钢必须有生产厂家的材质报告单,且试验用钢材必须在该工程中使用的钢材中取样。钢材的复验内容包括化学成分和力学性能等各项指标。
11.2 焊接材料的复验
焊接材料包括焊条、焊丝、气体(查气体厂Ar的纯度报告)焊材复验熔敷金属的化学成分和力学性试验数据。
11.3 焊接性试验
焊接性试验的目的是确定焊接接头的裂缝倾向性,验证匹配的焊接材料的合理性,同时通过还可以确定是否要进行焊前预热,层间温度的设置和焊后热处理浊等必要的工艺参数,因此焊接性试验将选用常用的一些试验方法,由于碳当量对合金元素含量较高的T/P92耐热马氏钢将不适用,因无法计算其应力及影响冲击性的数据。
11.4 斜Y型坡口焊接裂缝试验法
斜Y型试验法用于合金钢打底焊缝及其热影响区的冷裂缝倾向,所用的试件尺寸见下图。试件用T/P92钢直接在管子切割,加工而成。当钢管圆径太小时,可采用锻打法,将其加工成平板,然后按该钢材的正火加回火调质处理温度进行调质处理,力求保持原始材料相同的化学、力学、金相组织状态。两端各60mm范围内先焊接固定,试板中间预留间隙2~3mm,中间80mm段为试验焊缝的位置。试验焊缝的引弧,熄弧都应离开拘束焊缝2~3mm。

试件的形状和尺寸
裂纹率的计算
试验时,焊接工艺参数一般采用:
焊条直径4mm,焊接电流170A,焊接速度150mm/min,电压24V,线能量为1632J—1700J。焊接三个试件,焊后试件要放置24h后,才能检查裂缝,先用5倍放大镜检查,然后采用PT或MT进行检查,并按下公式计算:
a.表面裂缝率=
b.根部裂缝率=
c.断面裂缝率=
用上述方法来评价是否可能在焊件上出现裂缝的可能性。
11.5 焊接热影响区最高硬度试验法

由于新型钢的断裂以及软化带,脱碳层等均出现在焊缝的热影响区,所以在此用硬度法将具有一定的代表性,试件的尺寸如下图:

板件形状
硬度测定线
试验时的焊接参数与斜Y型试件相同。焊接时,两端要支承架空,试件下面要留有足够的空间。
1号试件在室温下焊接(考虑不预热的条件下进行)。
2号试件在预热情况下进行(预热温度根据钢材情况设定)焊缝的长度为125±10mm。焊接位置为平焊位置。焊后至少在12小时,才能进行下一步的试验工作。
先用机械加工的方法进行切割,将试件一切为二(加工时不能使试件的端面发热,防止热影响区的端面,因此而升高,影响实际值)试样的断面应经打磨,到达金相试件表面光洁度的要求,然后用4%硝酸酒精腐蚀。
划一道平行于熔合线底部的直线,见下图,在此直线上每隔0.5~1mm在室温的条件下进行载荷为100N的维氏硬度计测定,每一个点的硬度进行测定。切点O及其两侧各7个以上的点,作为硬度的测定点,将各点的数据绘制成热影响区硬度分布图,以分析裂缝倾向。
对于异种钢焊接也适应于上述两种试验方法,其结果供焊接人员分析及采取相应的措施。
12.0 焊接工艺评定
新钢种的焊接工艺评定将按DL/T868-2004的有关规定进行
金属的焊接性,俗称可焊性,是指被焊金属材料在采用一定的焊接工艺方法、焊接材料、工艺参数、接头型式、材料厚度等条件下,获得优质焊接接头以及焊件在使用条件下能安全运行的一种评价尺度。
显然,同一种材料采用不同的方法,热输入、后热等焊接条件,其焊接性会有很大的差别。
影响焊接性的因素很多,主要包括下述内容,供我们在评价时关注:
(1)材料因素:新型耐热钢本身有其冶金的独特因素,还包括焊丝、焊条、气体等直接参与熔池和熔合区物理化学反应,其中母材起决定性作用,而焊接材料起到关键性作用。
(2)工艺因素:实践证明,同一种母材在采用不同的焊接方法和工艺措施的条件下,其工艺焊接性会表现出极大的差别,如焊前预热、层间温度的高低,焊后热处理、相变温度区间的冷却速度、焊接线能量的大小等均可直接影响接头的组织和性能。
(3)结构因素和使用条件:电站承压管道主要是在高温高压下的承载能力,必须考虑到耐热合金的某些合金元素的扩散和高温中所产生的系数,软化带、蠕变,同时还需考虑脆性断裂等问题。
焊接性试验的主要内容:
(1)测定焊缝金属抵抗产生冷、热裂缝产生的可能性,在焊接热循环作用下,一些有害元素在焊接热循环作用下组织性能发生变化,在内应力扩散氢作用下,可能产生冷、热裂缝,这是一种最危险的缺陷。
(2)测定焊接接头抗脆性转变的能力。由于焊接时的冶金反应,热循环、焊缝结晶和冷却可能使焊接接头的某一部份或整体发生脆性破坏,接头的抗脆性能力也是焊接性试验的一项重要测试内容。
10.FCAW焊接工艺试验方案
10.1 钢材的复验
钢材的复验是焊接性试验的重要环节,试验用钢材T/P92钢必须有生产厂家的材质报告单,且试验用钢材必须在该工程中使用的钢材中取样。钢材的复验内容包括化学成分和力学性能等各项指标。
10.2 焊接材料的复验
焊接材料包括焊条、焊丝、气体(查气体厂Ar的纯度报告)焊材复验熔敷金属的化学成分和力学性试验数据。
10.3 焊接性试验
焊接性试验的目的是确定焊接接头的裂缝倾向性,验证匹配的焊接材料的合理性,同时通过还可以确定是否要进行焊前预热,层间温度的设置和焊后热处理浊等必要的工艺参数,因此焊接性试验将选用常用的一些试验方法,由于碳当量对合金元素含量较高的T/P92耐热马氏钢将不适用,因无法计算其应力及影响冲击性的数据。
10.4 斜Y型坡口焊接裂缝试验法
斜Y型试验法用于合金钢打底焊缝及其热影响区的冷裂缝倾向,所用的试件尺寸见下图。试件用T/P92钢直接在管子切割,加工而成。当钢管圆径太小时,可采用锻打法,将其加工成平板,然后按该钢材的正火加回火调质处理温度进行调质处理,力求保持原始材料相同的化学、力学、金相组织状态。两端各60mm范围内先焊接固定,试板中间预留间隙2~3mm,中间80mm段为试验焊缝的位置。试验焊缝的引弧,熄弧都应离开拘束焊缝2~3mm。
试验时,焊接工艺参数一般采用:
焊条直径4mm,焊接电流170A,焊接速度150mm/min,电压24V,线能量为1632J—1700J。焊接三个试件,焊后试件要放置24h后,才能检查裂缝,先用5倍放大镜检查,然后采用PT或MT进行检查,并按下公式计算:
a.表面裂缝率=
b.根部裂缝率=
c.断面裂缝率=
用上述方法来评价是否可能在焊件上出现裂缝的可能性。
10.5 焊接热影响区最高硬度试验法
由于新型钢的断裂以及软化带,脱碳层等均出现在焊缝的热影响区,所以在此用硬度法将具有一定的代表性,试件的尺寸如下图:
试验时的焊接参数与斜Y型试件相同。焊接时,两端要支承架空,试件下面要留有足够的空间。
1号试件在室温下焊接(考虑不预热的条件下进行)。
2号试件在预热情况下进行(预热温度根据钢材情况设定)焊缝的长度为125±10mm。焊接位置为平焊位置。焊后至少在12小时,才能进行下一步的试验工作。
先用机械加工的方法进行切割,将试件一切为二(加工时不能使试件的端面发热,防止热影响区的端面,因此而升高,影响实际值)试样的断面应经打磨,到达金相试件表面光洁度的要求,然后用4%硝酸酒精腐蚀。
划一道平行于熔合线底部的直线,见下图,在此直线上每隔0.5~1mm在室温的条件下进行载荷为100N的维氏硬度计测定,每一个点的硬度进行测定。切点O及其两侧各7个以上的点,作为硬度的测定点,将各点的数据绘制成热影响区硬度分布图,以分析裂缝倾向,
对于异种钢焊接也适应于上述两种试验方法,其结果供焊接人员分析及采取相应的措施。
10.2 药芯焊丝的焊接方法称为FCAW工艺,也有称为半自动熔化极MIG焊接方法的,可焊接试验中主要是确认它的产生裂缝的可能性,简单而有效的方法往往是我们推荐的斜Y型和最高硬度试验法,当然碳当量评估在P92钢中肯定不能适用的。
考虑到药芯焊丝本身的氧的含量较高,无论低碳钢和其他中低合金钢焊接,包括实芯焊丝的CO2气体保护焊工艺,最终的冲击韧性均明显低于手工钨极氩弧焊工艺。
由于众所周知的原因:
(1)随着焊缝含氧量的增加,其强度、硬度增加而塑性明显下降,同时还有可能引起焊缝金属的热脆、冷脆和时效硬化。
(2)氧对焊缝金属的物理、化学性能也有一定的影响,如降低焊缝金属的导电性,以及抗腐蚀性能。
(3)溶解在焊接熔池中的氧易生成CO。
(4)氧还会烧损焊缝中有益的合金元素,使焊缝性能变坏。
(5)含氧量过多,易造成飞溅的增加,破坏焊接过程的稳定性。
(6)药芯焊丝无法进行烘干,不能有效地降低氧含量。
热处理时间的冲击韧性作出对比性试验,同时测定硬度值,使焊缝的硬度值随着热处理时间的延长而有所下降。
C.焊接方法及工艺:至于焊接方法这是特定的目标,无法改变以FCAW焊接方法以快捷、适应全位置焊接、高效、低成本这些极为突出的优点,我们只想在工艺措施上有所突破,方案如下:选用电压较高的焊机,解决喷射过渡的问题,操作起来较为困难,但焊机的工作电压达到32伏甚至35伏,情况将会改变,焊丝端部将会快速向熔池实现极细颗粒的射流过渡,这一提高工作电压的方法我们已在天然气管线焊接性试验中得已证实。但天然气管线采用的是自保护半自动MIG工艺,所谓自保护即无任何气体保护,而是靠其药芯焊丝中的渣来产生气体保护熔池。
国外推荐的FCAW气保护采用Ar80%加20%的CO2气体,我们设想,气保护将是关键之所在,提高焊机的电压可能改变其焊接工艺性,使之成形略宽、薄,成形美观等,而改变成气体的类别,将促使焊缝金属真正的韧性指标有所提高。从数据中我们可以发现,手工钨极氩弧焊工艺冲击韧性是最高的,因为它用氩气来保护,焊接熔池,而用纯氩来保护FCAW焊,焊接的速度将会很慢。我们设想,采用氦气、氩气和1~5%二氧化碳气体作为保护气体,可能会获得一定的实效。
为了降低焊缝中的氧含量,F92药芯焊丝中,加入了0.6%Ni,以期望提高焊缝的冲击韧性,同时药芯焊丝中锰的平均含量,也有所提高,其目的是氧与锰结合成MnO浮出熔池,降低其含量,同时把有害元素硫的含量控制在0.006%,这一较低值,但是还是无法保证其常温下的冲击值。
从其他几个数据中比较如高温性能、拉伸、弯曲、硬度等F92药芯焊丝均与SMAW、GTAW工艺接近。
根据国外多次的试验,证明采用MIG工艺冲击值偏低,据相关资料认为,P92钢的工作温度区间为500~625℃,焊缝金属的冲击韧性可以认为是一项无关紧要的指标。他们认为这一区间远远高于有可能发生快速脆化断裂的温度,因为P92钢不可能在室温下承载、加压。
还有资料认为:P92钢在先进行一层氩弧焊打底,然后再用手弧焊填充二~三层,使这二种方法的焊层厚度,先期到达10毫米以上,已确保了概况的冲击性能。
为此,方案想设法提高FCAW的冲击性能,最大程度地满足冲击性能符合41J的要求,本方案的实质是旨在解决冲击性低的问题,试验包含如下几点:
10.3 解决冲击性低的几个工艺措施:
10.3.1 影响冲击韧性的三大因素
a.焊丝中的化学成分:(文章10.2已有说明)
b.焊后热处理规范:经过P91钢的工艺评定,我们已获得了可靠的数据,在采用FCAW工艺时,适当延长热处理时间,并对不同的气体类别、数量,将做如下试验,然后择优而取。
(a)氩气90~95%加5~10%的二氧化碳气体
(b)氦气95%加5%的二氧化碳气体
(c)氦气98%加2%的氧气
(d)氩气98%加1~2%的氧气
先做短焊道的最高硬度法试验,如有明显的效果再做焊缝的冲击韧性试验,冲击韧性试验按相关标准执行。
c.焊缝组织的细化:P91钢本身是极细的回火马氏体钢,在冶金轧制的工艺过程中,基本实现了组织细化,同时在最后的调质热处理工作中稳定了这一设计意图,而所有的焊接方法都将在加热过程中改变这一均匀的组织状态,再热细化会对其冲击韧性有一定的影响,其中焊接线能量、焊缝的尺寸,特别是焊缝的宽度而一次成形的厚度,这比较大参数的焊接热循环将发生奥氏体转变,人人而发生重结晶。
药芯焊丝气保焊是十分理想的工艺方法,较小的线能量,因为它的焊接速度快,较薄的焊层,一般每一层都可以控制在2mm左右,和较小的焊接坡口,填充金属量少,和较窄的焊道实现了多层多道焊,从这一点上我们不会有任何怀疑,因为这一工艺,不会对冲击韧性有影响。
10.5 成立USC机组新钢种焊接性试验小组。
设组长一人(焊接专业工程师)
组员若干人(包括焊接工程师、金属工程师、焊接技师,以及NDT人员、经验丰富的焊工、热处理工程师和焊接操作工等)
在组长的带领下,负责对超临界机组及超超临界电厂的新钢种进行焊接性试验工作。
焊接性试验的目的是:用最简单的工艺、最经济的方法获得最优质的焊接接头,使之接头各项机械性能指标符合设计要求。
焊接性试验工作严格按以下工作流程进行,对试验过程中出现的问题及时进行研究;对试验中收集的各项数据进行分析,必要时由组长召集相关人员进行讨论分析、研究。
对试验结果的确认和遇到重大技术难点时,将邀请国内外相关的焊接专家、知名焊接、金属、冶金学者进行指导和咨询工作。
焊接性试验是确保焊接工艺评定顺利进行的关键性工作,为减少焊接性试验的重复劳动,少走弯路,力求在较短的时间里完成试验工作。
在焊接性试验工作中,所采集正确、科学、实用、合理优化的各项数据,由组长负责填写焊接性试验报告,同时编写"焊接工艺评定设计书",为验证所拟定的焊接工艺符合接头设计的各项强度要求,而即将进行的焊接工艺评定工作奠定扎实的基础。




附件1 P/T92钢焊接性、工艺性试验的推荐工艺
1.P92/T92钢的化学成分及常温力学性能
牌号
标准号
分(%
C
Mn
Si
Cr
Mo
V
Ni
N
B
W
Nb
Al
S
P
P92
ASMA335
0.07-
0.013
0.30-
0.60
0.50
8.50-
9.50
0.30-
0.60
0.15-
0.25
0.40
0.03-
0.07
0.001-
0.006
1.50-
2.00
0.04-
0.09
0.40
0.40
0.40
T92
ASMA213
0.07-
0.13
0.30-
0.60
0.50
8.50-
9.50
0.30-
0.60
0.15-
0.25
0.40
0.03-
0.07
0.001-
0.006
1.50-
2.00
0.04-
0.09
0.40
0.40
0.40
常 温 力 学 性 能
牌号
标准号
σs(MPa)
σb(MPa)
δs(%)
Ak(J/cm2
HB
P92
ASMA335
≥440
≥620
纵≥20
≤250
T92
ASMA213
≥440
≥620
≥20
2.焊接方法
外径≤76mm、壁厚<6mm的小径薄壁管:进行钨极氩弧焊;
外径>76mm的中、大径管:采用钨极氩弧焊打底,焊条电弧焊填充并盖面。
3.焊接材料应符合以下基本条件,并满足Aws有关标准要求。
(1)焊缝金属的化学成分以及常温和高温力学性能应与母材相当;
(2)焊缝金属的Acl和Mf温度应与母材相当;
(3)焊接工艺性能良好。
做好电焊条保管、烘干、使用和管理工作。
4.为防止根层焊缝金属氧化,小径薄壁管钨极氩弧焊时,以及大径管钨极氩弧焊打底和焊条填充第一层焊接时,应在管子内腔充氩保护。
5.焊前预热温度:钨极氩弧焊打底100~150℃
焊条电弧焊填充并盖面:200~250℃层间温度:200~250℃
6.大径厚壁管采取多层多道焊,盖面层焊退火焊道。钨极氩弧焊打底的焊层厚度控制在2.8~3.2mm范围内。焊条电弧焊时,所焊焊道的厚度不得超过焊条直径,宽度不得超过焊条直径的3倍。任一焊道的焊接线能量均不得超过25KJ/mm。
7.大径管焊口焊毕,待其冷却到80~120℃恒温1小时以上,随即升温进行焊后热处理。小径薄壁管焊口焊后允许冷至室温再进行热处理。
热处理温度是760±10℃,恒温时间:P92钢焊口按壁厚25毫米1小时计算,但最少不得小于4小时,T92钢焊口按壁厚每毫米5分钟计算,且不小于0.5小时。
8.P92/T92钢与异种材料的焊接按DL/T752-2001《火电厂异种钢焊接技术规程》执行。
9.P92/T92钢焊接工艺评定力学性能指标
(1)抗拉强度不低于该钢种规定的下限值;
(2)冷弯角度D=4t,180°;
(3)冲击功41J。
                 
             




T/P92钢焊接性试验材料、焊接设备清单
序号
1
电焊机
ZX7-400ST
2
计量完好
国产
2
氩弧焊枪加长型
QQ-200/75-120
2
温州产
3
P92钢管
φ273×42mm
6
NF616.9%Cr-2W
4
P92钢管
φ165×16mm
6
NF616.9%Cr-2W
5
T92钢管
φ42×51mm厚度45mm
一根12
日产(住友)
沪产(宝钢)
6
T92钢管
φ4×51mm厚度68mm
一根12
日产(住友)
沪产(宝钢)
7
氩弧焊丝
φ2.4×100mm
5Kg
WZ CrMWVNb90.51.5
8
电焊条
φ2.4mm
10Kg
MTS616(E9015-B9)
德国蒂森等
99
电焊条
φ3.2mm
15Kg
MTS616(E9015-B9)
德国蒂森等
10
电焊条
φ4.0mm
15Kg
MTS616(E9015-B9)
德国蒂森等
注:热处理设备、检验、试验仪器设备,小型机具、消耗性材料清单另立。
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