火电厂A335P92钢的焊接工艺

摘要

本发明是一种火电厂A335P92钢的焊接工艺，所使用的焊接材料为蒂森焊材或奥林康焊材，焊接方法采用手工电弧焊或埋弧自动焊，所采用的焊接工艺为：当采用手工电弧焊，使用φ3.2焊条共焊15层76道，平均每层焊肉厚度为2.0mm；当采用埋弧自动焊，使用φ3.0焊条共焊10层16道，平均每层焊肉厚度为3mm；对焊接部位热处理的回火参数取值为21.3～21.6。

说明书

技术领域

本发明涉及火电厂发电机组管件的设计制造技术，尤其是涉及在超临界发电机组中，对使用A335P92钢的管件的焊接和热处理工艺技术，保证配管焊接质量符合超超临界机组管道中的使用要求。

背景技术

我国能源结构的特点决定了我国电力工业的发展主要依赖火电机组，而发展大型超超临界机组是火电机组发展的必然选择。开发和应用热强性、抗氧化性能更好的耐热合金钢是发展高效率超超临界火力发电机组的关键技术之一。新型耐热合金高温高压管道用钢的开发和应用在电站建设中始终发挥着重要作用。50多年来，含2.25％Cr-1％Mo的合金钢(如A335P22、10CrMo910、STBA24-STPA24等)已经在全球许多超高压和亚临界电厂中得到较好的应用。

随着机组容量的增加和参数的提高，促进了更高强度钢的开发。欧洲在上个世纪60年代初期，开发了两种蠕变断裂强度较高的钢材，他们分别是法国和比利时的EM12(含9％Cr-2％Mo，且加入少量的V和Nb)、德国的X20CrMoV12-1(12％Cr-1％Mo，且加入少量的V)。后者在我国江油电厂、达拉特电厂、台州电厂的主蒸汽管道系统中得到应用，但是焊接有一定的难度。美国开发的改良9％Cr钢，后来发展到欧洲和日本。这种等级的钢材叫T/P91，这种材料从上个世纪90年代开始在世界范围内得到成功的应用。如今，EM12和X20CrMoV12-1在很多领域被T/P91所取代。在蒸汽参数更高，如温度超过600℃、压力超过25bar，要求主蒸汽和再热蒸汽管道具有更高的抗拉强度、抗高温蠕变和抗氧化等性能，T/P91材料的使用受到限制，T/P92材料应运而生。

P92钢比其它铁素体合金钢具有更高的高温强度和蠕变性能，抗腐蚀性和抗氧化性能等同于其它含9％Cr的铁素体钢。由于它具有较高的蠕变断裂强度，所以它可以减轻锅炉和管道部件的重量，有利于减少厂房结构的承载，减小管道系统对设备的推力。它的抗热疲劳性能好于奥氏体不锈钢。在580～625℃温度范围具有良好的蠕变性能。因此，P92在超超临界机组中得到了较普遍的应用。

目前对该类材料性能的研究尚处于初始阶段，对采用P92钢的管道弯制、焊接、管件制造、热处理等关键性工程应用技术的研究还处于摸索起步阶段，尚不成熟。因此，要在超超临界机组管道中应用P92钢，就必须尽快掌握P92材料的焊接、弯管、热处理以及管件的设计计算、制造等关键技术，保证超超临界机组建设的顺利进行和长期安全运行。

随着电力工业的快速发展，提高锅炉蒸汽的温度和压力成为提高运行效率、降低发电成本，缓解环境压力的必由之路。超临界、超超临界机组成为火电的发展趋势，而新材料的开发和利用为电站向高参数方向发展提供了有力的保障。改良型9-12Cr钢因高温性能和可加工性能良好在超临界、超超临界机组中得到了广泛应用。与大型超超临界电站建设密切相关的P92钢的焊接和热处理工艺研究成为该材料能否成功运用的关键技术。

P92钢是在P91钢的基础上添加W元素，适当减少MO元素的含量，开发出来的一种新型钢种。其化学成分见表1。

表1：P92钢化学成分(％)

  C  Mn  P  S  Si  Cr  W  Mo  V  Nb  N  B  Al  Ni  0.07  ~  0.13  0.30  ~  0.60  ≤  0.020  ≤  0.010  ≤  0.50  8.50  ~  9.50  1.50  ~  2.00  0.30  ~  0.60  0.15  ~  0.25  0.04  ~  0.09  0.030  ~  0.070  0.001  ~  0.006  ≤  0.040  ≤  0.40

P92钢的主要性能

(1)具有良好的物理性能

P92钢的线膨胀系数与P91钢相同，比奥氏体钢低，甚至还低于P22钢的线膨胀系数，故P92钢在机组启动和停止时，抗疲劳损伤的能力不仅会优于奥氏体钢，也会比P22钢强，导热率与P91钢相同，比奥氏体钢高。

(2)具有比P91钢更高的高温蠕变断裂强度

P92钢的常温强度和高温强度高于P91钢。根据各国测试结果，按照ASME标准估算出来的550℃、600℃和625℃等不同温度下10万小时P92钢的蠕变断裂强度分别为199MPa、131MPa和101Mpa；而P91钢在相应温度下的蠕变断裂强度分别为141MPa、98MPa和68MPa。可以明显地看到P92钢的高温蠕变强度比P91钢高出很多。

(3)具有优异的常温冲击韧性

P92钢不仅具有比传统钢明显优越的高温性能，而且还有优异的常温韧度。从P92(NF616)钢的冲击值一温度曲线图所示，它和P91钢的情况大致相同，比EM12(9Cr2MoVNb)钢的韧性好。

(4)具有优良的抗氧化性能

P92钢的抗烟灰氧化和抗水蒸气氧化的性能与P91钢大致相同。经测试，P92钢与P91钢在600℃、700℃下3000小时的水蒸气氧化皮厚度大致相同。

P92钢的焊接性分析：

(1)P92钢焊接裂纹敏感性比传统的铁素体耐热钢低

从斜Y拘束试验测试图中，可以看出P92钢只需预热到100℃，P91钢需要预热到180℃裂纹率为零，而P22钢需预热到300℃才能达到。

(2)P92钢焊接具有较明显的时效倾向

从P92钢时效倾向图中可以看到，P92钢经3000小时时效后，其韧性下降了许多。P92钢的冲击功从时效前的220J左右降到了70J左右，在3000小时时效以后，冲击功继续下降的倾向不明显，冲击功将稳定在时效3000小时的水平。时效倾向发生在550～650℃的范围内，这个温度范围正是该钢材的工作温度范围。母材具有明显的时效倾向，与母材成分相近的焊缝也会有同样的倾向。

(3)焊缝韧性低于母材的原因

焊缝金属韧性不及母材的原因在于焊缝金属是从温度非常高的熔融状态冷却下来的铸造结构，它没有机会经过TMCP过程(Thermal-Mechanical Control Process)即热控轧加工过程，晶粒得不到细化，Nb等微合金化元素还固熔在基体内，没有机会充分析出的缘故。

(4)焊接接头是影响机组运行安全的最薄弱环节，由于P92钢合金元素含量高，焊接上有较大的技术难度，容易出现接头冲击功低和长期运行中的IV型开裂早期失效，如果焊接质量得不到保证，P92的优势将不复存在，并对机组运行安全性带来威胁。而对P92钢的焊接工艺研究还处于起步阶段，为了确保超超临界机组电厂P92钢部件的工厂化加工制造质量，有必要开展P92钢工厂化配管焊接工艺试验研究。

(5)P92钢大口径厚壁管道焊接的主要问题

我国电力行业标准《火力发电厂金属材料选用导则》(DL/T715-2000)规定：钢材在250℃、10000h时效以后，其冲击韧性下降率应不大于50％，室温最低冲击值不得低于30～35J/cm²。英国“非直接受火压力容器规范”中指出：对于σb≤450MPa和σb＞450MPa的钢而言，V形缺口冲击吸收功应分别达到27J和40J，才是防止脆性破坏的最低要求。美国EPRI的报告建议，对于燃煤电站用钢来说，V形缺口冲击吸收功以41J作为目标，才是可以接受的。按照这些要求，P92钢焊后焊缝的V形缺口冲击吸收功应达到41J以上。

由于P92钢具有明显的时效倾向，与母材成分相近的焊缝也会有同样的倾向。为了避免焊缝金属时效后韧性过低，提高焊缝金属时效前的原始韧度，为时效留出一定的余量，是P92钢大口径厚壁管道焊接的主要问题。

发明内容

本发明的目的在于围绕提高P92钢管件焊缝韧性这个关键问题，从焊材的选择、焊接中的预热、层间温度、焊接热输入量(表现为每层焊道的焊缝增高厚度)、热处理温度和时间等方面展开了研究，从大量的试验数据中寻找影响焊缝韧性的因素，编制提高焊缝韧性的最佳工艺，从而为保证P92钢工厂化配管焊接质量符合超超临界机组管道中的使用要求。

本发明的目的通过如下技术方案实现，本发明提出一种火电厂A335P92钢的焊接工艺，所使用的焊接材料为蒂森焊材或奥林康焊材，焊接方法采用手工电弧焊或埋弧自动焊，所采用的焊接工艺为：

采用手工电弧焊，使用φ3.2焊条共焊15层76道，平均每层焊肉厚度为2.0mm；采用埋弧自动焊，使用φ3.0焊条共焊10层16道，平均每层焊肉厚度为3mm；回火参数取值为21.3～21.6。

采用手工电弧焊，还可以使用φ4.0焊条共焊12层54道，平均每层焊肉厚度为2.5mm。

上述工艺中，最佳回火参数取值为21.5，热处理温度770℃。

在所述的A335P92钢的焊接工艺中，采用的预热温度：200℃，层间温度：200℃～280℃，焊后消氢处理：300℃×2h。

所述预热方法采用火焰加热；所述层间温度的测温方式采用点温仪在中部测温，其加热方法为电阻加热片加热。

所述手工电弧焊的堆焊焊接参数为：I＝150A，U＝23～25V，V＝130～150rnm/min；所述埋弧自动焊的堆焊焊接参数：I＝450～460A，U＝30～31V，V＝400～410mm/min。

上述焊接工艺的焊后热处理采用整体热处理工艺。

本发明的A335P92钢的焊接工艺的使用，为超超临界机组管道系统的设计采用弯管创造了条件，有利于降低管道系统阻力，提高机组运行的热效率和经济性。

具体实施方式

本发明采用的焊接方法包括手工电弧焊(SMAW)、钨极氩弧焊(GTAW)和埋弧自动焊(SAW)。通过试验比较和焊接工艺评定，选择焊接材料，制定焊接工艺，以保证焊接接头机械性能满足要求，重点要保证焊接接头具有较高的冲击韧性和持久强度。其工艺方法包括如下工艺步骤：

(1)选择确定工程中适用的焊接材料

(2)选择焊接方法

(3)确定焊接工艺参数

(4)确定焊后热处理温度和方法

(5)焊缝及热影响区性能检测与分析

(6)焊接工艺评定

P92钢焊接材料的选择与试验：

使用伯乐-蒂森MTS616/MARASON543焊丝/焊剂组合埋弧焊熔敷金属堆焊的实施工艺：

预热温度：200℃，预热方法：火焰加热，层间温度：200℃～280℃，测温方式：采用点温仪在中部测温，焊后消氢处理：300℃×2h，加热方法：电阻加热片，焊接顺序：首先采用MTS-616焊条(φ4)手工电焊堆焊三层隔离层，隔离层厚度；5～6mm，埋弧自动焊SAW(埋弧自动焊)-堆焊层：焊丝规格φ3mm，堆焊厚度约32mm，共焊10层16道。

堆焊焊接参数为：I＝450～460A，U＝30~31V，V＝400~410mm/min

表1 SAW熔敷金属常温、高温拉伸性能试验结果(PWHT：750℃×5h)

表2 四种回火条件下的P92自动焊熔敷金属冲击功

SAW熔敷堆焊金属化学成份分析结果表明：各化学元素含量均在标准规定的范围内。

使用伯乐-蒂森MTS616φ3.2和φ4焊条熔敷金属堆焊实施工艺：

预热温度：200℃，预热方法：火焰加热，层间温度：200·C~300℃，测温方式：采用点温仪在中部测温，焊后消氢处理：300℃×2h，加热方法：电阻加热片。

焊条规格：φ3.2mm，堆焊厚度：32rnm，共焊15层76道。堆焊焊接参数为：I＝120A，U＝23~25V，V＝130~150rnm/min。

焊条规格：φ4.0mm，堆焊厚度：32mm，共焊12层54道。堆焊焊接参数为：I＝150A U＝23~25V V＝130~150rnm/min

表3 P92钢手工焊熔敷金属拉伸试验结果(PWHT：760℃×4h)

表4 P92钢不同回火条件下手工焊熔敷金属冲击功

SMAW(手工电弧焊)熔敷堆焊金属化学成份分析结果表明：各化学元素含量均在标准规定的范围内。

奥林康公司生产的P92钢焊接材料性能

焊条牌号：AL CROMOCORD 92，规格：φ3.2

焊条类别：碱性焊条，焊后焊缝具有很高的抗高温蠕变性能，工作温度可达到600℃。

表5 焊缝金属的化学成分(典型标准值)：

  C  Si  M  n  C  r  Mo  C  o  V  Nb  N  W  B  Al  Cu  0  .1  0.  3  1  .0  9  0.  5  1  .0  0.  2  0.  05  0.  04  1.  7  0.  003  ＜0  .01  ＜0.  05

表6 焊缝金属的机械性能(热处理工艺为760℃保温4小时，然后炉冷)：

  抗拉强度(MPa)  屈服强度(MPa)  延伸率(％)  V型冲击功(20℃，  J)  780  640  19  65

焊接电流：85-130A，烘干工艺：300-350’C烘干2小时。

P92钢管工厂化配管焊后热处理工艺

焊后热处理工艺方法的选择

工厂化配管焊后热处理可采用整体热处理和局部热处理两种工艺方法，而局部热处理通常是采取包扎电阻加热带的方法完成。以前完成的P91钢管焊接工艺评定经验告诉我们：对P91等高合金钢来说，施工现场通常采用的远红外电阻加热法进行局部焊后热处理的工艺，由于内外壁温差大，难以满足焊接质量要求，必须采取整体热处理的措施。

焊后热处理工艺参数的选择

通过分析不同的焊接材料供应商提供的焊后热处理工艺参数，采用了四种温度进行焊后热处理试验，以便寻找最优的P92工厂化配管加工热处理制度：

表7 不同的焊后回火参数下得到的P92焊缝冲击功如下表：

回火参数按Larson-Miller公式计算：p＝(273+T)*(20+Lgt)*0.001

上式中T：温度℃，t：时间小时

从上表可以看出：

a)对手工焊来说，φ3.2焊条共焊15层76道，平均每层焊肉厚度为2.0mm；φ4.0焊条共焊12层54道，平均每层焊肉厚度为2.5mm。当回火参数取为21.3～21.6时，熔敷金属冲击功均可满足最低41J的要求。φ3.2与φ4.0焊条相比，φ3.2焊条所得焊缝的冲击功更好(平均高15J)。

b)对自动焊来说，φ3.0焊丝共焊10层16道，平均每层焊肉厚度为3mm。当回火参数在21.3～21.6之间变化时，焊缝冲击韧性均可满足最低41J的要求，随回火参数的增加，冲击功相应增加，最高可达70J，比φ3.2焊条低，但比φ4焊条高。

c)一般认为，焊接输入线能量的高低对焊缝冲击功影响很大，但经过合适的PWHT处理以后，较高的线能量和较低的线能量相比，所得结果基本相当，说明埋弧自动焊的工艺方法完全适用P92钢的焊接。

综上所述，对工厂化配管的P92焊缝来说，手工焊应尽量选用φ3.2的焊条；焊后热处理的回火参数取21.3～21.5较为妥当，但最佳回火参数为21.5，考虑到焊后热处理的最高温度不能超过P92焊接材料的Acl温度，决定实际生产中取用的热处理温度770℃。

P92钢管工厂化配管焊接工艺评定

采用ID248*53的P92钢管共焊接三只评定接头，经了化学成分分析、力学性能试验和金相检验，各项结果满足DL/T868《焊接工艺评定规程》的有关要求，详细结果如下。

1、编号为“GP-12”的P92手工电弧焊工艺评定结果：

种类：蒂森焊材手工焊

氢弧焊丝：Thermanit MTS616、φ2.4、批号95944焊条：ThermanitMTS616、φ3.2、批号1115638

拉伸：GP12-7(665MPa)、GP12-8(655MPa)试验温度26℃

弯曲：GPI2-3～GPI2-6 d＝4.0a，弯曲角180°，试验温度26℃，结论是拉伸和弯曲均为合格。

冲击：

热影响区：12-H2(172J，未折断)、12-H3(170J，未折断)、12-H1(169J，未折断)试验温度25℃。

焊缝：GP12-0(58J)、GP12-1(75J)、GP12-2(67J)、GP12-3(79J)、GP12-4(91J)、GP12-5(131J)、GP12-6(84J)、GP12-7(80J)、GP12-8(35J)，试验温度26℃

化学分析：GP12(％)、C(0.10)、Si(0.25)、Mn(0.69)、P(＜0.005)、S(0.006)、Ni(0.64)、Cr(8.77)、w(1.44)、Mo(0.50)、N(0.037)、V(0.21)、Nb(0.033)

2、编号为“GP-13”的P92埋弧自动焊工艺评定结果

种类：蒂森焊材埋弧自动焊

氢弧焊丝：Thermanit MTS616、φ2.4、批号95944焊条：ThermanitMTS616、φ3.2、批号1115638

自动焊丝：Thermanit MTS616、φ2.5、96350焊剂：Marathan 543、批号1400818

拉伸：GP13-7(635MPa)、GP13-8(620MPa)，试验温度26℃

弯曲：GP13-3~GP13-6 d＝4.0a，弯曲角180°，试验温度26℃，

结论均为合格

冲击：(试验温度26℃)

热影响区：13H-1(186J，未折断)、13H-2(179J，未折断)、13日-3(185J，未折断)

焊缝：13-0(55J)、13-1(64J)、13-2(74J)、13-3(75J)、13-4(78J)、13-5(80J)、13-6(73J)、13-7(85J)、13-8(72J)试验温度26℃。

化学分析：GP13(％：)C(0.092)、Si(0.27)、Mn(0.54)、P(＜0.005)、S(0.007)、Ni(/)、Cr(8.71)、W(1.56)、Ma(0.44)、N(0.039)、v(0.19)、Nb(0.041)。

3、编号为“GP-14”的P92手工电弧焊工艺评定结果

种类：奥林康焊材手工焊

氢弧焊丝：FLUXOTIG92、φ2.0、5020  焊条：AL CROMOCORD 92、φ3.2、批号5004681

拉伸：GP14-7(635MPa)、GP 14-8(680MPa)试验温度26℃

弯曲：GP14-3~GP14-6  d＝4.0a，弯曲角180°，试验温度26℃。

结论均为合格。

冲击：

热影响区：14H-1(77J)、14H-2(74J)、14H-3(206J，未折断)试验温度26℃

焊缝：14-0(69J)、14-1(79J)、14-2(82J)、14-3(100J)、14-4(86J)、14-5(81J)、14-6(104J)、14-7(103J)、14-8(104J)试验温度26℃

化学分析：GP14(％：)C(0.099)、Si(0.15)、Mn(1.03)、P(＜0.005)、S(0.007)、Ni(/)、Cr(8.91)、W(1.80)、Mo(0.56)、N(/)、V(0.24)、Nb(0.052)。

测试结果证明：伯乐-蒂森公司和奥林康公司生产的P92焊接材料均能满足P92钢的焊接质量要求，两种材料均通过了焊接工艺评定；

研究结果表明，焊接工艺中层间温度、焊道层的厚度以及热处理温度影响P92钢的焊接接头韧性。其中，焊道层的厚度和热处理温度对焊缝韧性影响尤为明显。手工电弧焊操作时采用宽摆快速薄层焊接操作运条法，控制每道焊层的增厚≤2.5mm，有利于确保焊缝冲击功＞41J；埋弧自动焊操作时应适当加快焊接速度，控制每道焊层的增厚≤3.0mm有利于确保焊缝冲击功＞41J。

试验证明，P92钢合理的回火参数范围应为21.3～21.6(拉森一米勒参数)，能保证焊缝的韧性满足最低要求，但最佳焊接回火参数为21.5，这相当于750℃×10小时或760℃×6小时或770℃×4小时的热处理作用效果，从提高效率、降低成本的角度出发，最合适的热处理温度应取770℃。

对工厂化配管加工来说，不适宜采用远红外电阻加热设备对大口径厚壁高合金钢管进行局部热处理，由于内外壁温差较大，内壁焊缝将无法满足最低韧性要求，而采用整体热处理的方法则不存在类似问题。