P92钢焊接及热处理问题分析

摘 要：当今世界火电机组朝高效率节能方向发展，超超临界火电机组被大量推广。P92钢材因为其良好的高温抗蠕变性能而被应用在超超临界大容量机组中，但是其较差的可焊性又给现场安装带来一些难题。本文针对P92钢在现场焊接和热处理中出现的不同类型的问题分析了其产生的原因并提出了相应处理措施。

关键词：P92钢材；焊接工艺；金相组织；热处理

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.03.041

F代火电厂机组趋势朝着大容量方向发展，由此带来大容量机组对耐热钢的要求越来越高，华润蒲圻电厂二期2×1000MW的4#机组及茌平信源铝业有限公司700MW级机组工程5#机组为我方安装，为了满足超超临界机组高温高压情况下运行寿命的要求，过热器和再热器中大量采用了P92钢材，虽然国家电力公司能源建设部专门做出过P91/P92的工艺导则，但是在实际焊接中发现两者间还是存在不少差别的，为此我们就现场P92钢材焊接中出现的问题和解决方法进行了总结。

1 P92钢简介

P91钢材的出现就已经极大提高了大容量机组的使用寿命和加工难度[1]，为了进一步提高钢材的耐热性与使用寿命，日本新日铁公司在P91钢的基础上开发出了等级更高的NF616（T/P92）耐热钢，现在被广泛的用于超超临界机组中。P92钢与P91不同之处在于降低了0.5%的Mo元素含量，同时加入了1.7%的W元素和0.0035%的B元素，这两种元素都增加了P92钢材的强化效果，且P92钢材的回火显微组织为双相马氏体结构，强度在P91基础上进一步提升。P92钢的高温强度在590℃～650℃范围与TP347H等钢材相当，高温蠕变性能比P91高出30%[2]。P92钢的具体成分及其力学性能如表1、表2所示。

2 P92钢材的焊接工艺

SA335P92钢材含有的合金元素种类繁多，Cr、Mo元素含量高，且W元素的加入使得P92钢的焊接难度进一步加大，P92钢焊接工艺的执行情况一向是焊接工作的重中之重。

现场P92大径管的坡口严格按照DL/T869-2012规范制备，焊工上岗前经过严格培训与考核，焊材选用的是经过公司工艺评定准许的英国曼彻特公司CHROMET 92焊条和9CrWV焊丝，焊接方法采用GTAW+SMAW，氩弧焊打底前管道的预热温度为160℃，手工电弧焊盖面时的预热温度为220℃，打底前做好封闭气室充氩保护，氩弧焊打底时是严格按照工艺评定来做的。电弧焊盖面时选择相应电流遵循多层多道原则[3]，焊前预热至焊后热处理严格按照DL/T819-2002规程执行并有温控仪全程监控。

3 P92钢焊接中常见问题的分析与解决

3.1 问题的出现

经检查充氩气室封闭良好，热处理过程符合工艺要求，曲线图中显示层间温度控制正常，工艺符合评定要求。而在实际现场中对焊缝检测发现有三类问题：（1）有10%概率发现微小裂纹；（2）焊缝一周不同深处发现大小不一点状缺陷多处，经切口发现均属于夹渣；（3）大口径壁厚却相对薄的管道（如高温再热器管道）焊缝的硬度偏高大约在280HBW以上。

3.2 问题的分析

a.众所周知，P92钢的合金（尤其是Cr元素含量）含量很高，有极易发生冷裂纹倾向，氩弧焊打底时采用150℃以上预热温度，根部裂纹的概率几乎为零，但是在手工电弧焊盖面时，由于要求一次焊完，焊接工人可能会为了赶时赶工，习惯性的加大焊接电流导致层间温度局部偏高，高于350℃，焊缝冷却速度过慢，在焊接接头中引起晶界碳化物析出和过早形成铁素体（见图1），从而形成延迟裂纹，热处理后会很明显表露出来。现场实际焊接时温度监控不是很全面，会有局部温度偏高发生，有较小的概率会产生延时裂纹。

b. 焊条选用方面，主要对比一下药皮过渡焊条和焊芯过渡焊条的使用区别。根据现场焊工经验，发现使用不同类型的P92钢焊条时，缺陷与夹渣发生的概率都不一样，焊芯过渡焊条的合格率要高于药皮过渡焊条。药皮过渡和焊芯过渡的焊条主要区别是合金元素的进入铁水中方式不一样，焊芯是直接等离子化区域，而药皮先被高温等离子熔化，然后掺进等离子铁水中。药皮过渡的焊条，药皮中的合金元素在融入铁水中稍微滞后，高熔点金属可能产生熔化不完全的现象。

我们在P92钢的焊接中主要采用的是英国曼彻特公司的CHROMET 92型焊条，该焊条属于药皮过渡型焊条，合金元素存在药皮中，其合金元素融入焊缝中的速度小于焊芯过渡型焊条，而且焊接时线能量输入会影响到合金元素的融入均匀性。P92钢中合金种类多、含量高，尤其是W元素熔点高会首先凝固，形成晶核，带动Cr、Mo等高熔点金属吸附在其上形成成分偏析，可能还来不及固溶到奥氏体晶胞中就偏析在晶界处，形成枝晶偏析或夹杂。因此药皮过渡型的P92焊条在焊接必须严格控制焊速和层间温度，保证合金元素充分融入到铁水中，否则W元素未熔化或偏析到晶界处，容易逸出晶界产生第二相，使得焊缝极易发生夹渣，焊接时必须仔细清理。

c. P92钢材的焊接工艺指导与P91相同，但是两者在焊接时的金属流动性和凝固沉积时产生的成分偏析都存在很大差别，P92钢材与P91钢比较在合金中添加了W元素，因此其在抗高温蠕变性能方面也更理想，但是P92钢材的时效性也很明显，尤其是焊接部分，W元素的熔点达到3410℃左右，远高于其他合金元素，使用直径4.0mm的焊条焊接时电流过大，温度集中，影响到合金元素融入的均匀性使得合金组织容易产生偏析现象，焊接时如果凝固速度缓慢甚至会在晶界处聚集形成黑色夹渣。直径4.0mm焊条焊接线能量输入较大，层间温度偏高，焊缝熔池温度过高，晶粒会充分长大，形成金相组织也会比较粗大，焊后热处理很难将硬度降下来；且晶粒长大后晶界面积将会变小，焊接输入的线能量将会以缺陷的形式保存在晶粒中，进一步降低焊缝的塑韧性，这对整个焊缝性能的影响都是不利的。

d. 高温回火能细化金属组织形态，释放内应力，增强焊缝抗高温蠕变性能，提升其使用寿命，是保证焊缝质量的重要步骤，对于P92钢这种高合金含量的钢尤其如此。通常按照正常热处理工艺对P92钢材高温回火能起到细化组织，降低硬度的作用，但是现场实际应用中发现对于一些薄壁大口径管道（如再热热段管道）安照正常工艺进行热处理后，硬度高于规范要求。

将现场有代表性的主蒸汽管道和再热热段管道（均为P92材质）焊缝做金相分析（见图2和图3），再对比母材金相组织（见图4），可以明显发现P92钢材金相组织主要为板条状马氏体形态，而且焊缝处的组织尺寸要大于母材，这是因为焊接时能量输入集中，温度过高而冷却速度较慢导致过冷度较小，形成晶粒粗大。高温回火能一定程度上消除其影响，但是并不能完全消除，因此，焊缝处的晶粒组织比母材要粗大。对比主蒸汽和热段焊缝处的金相组织，发现主蒸汽焊缝的马氏体组织大小又小于热段焊缝的，结合焊缝硬度值（现场主蒸汽焊缝的硬度值一般小于热段焊缝），得出金相组织大小与硬度成正相关关系。这就表明相同热处理工艺下，热段焊缝的组织形态劣于主蒸汽焊缝，这可能是导致热段焊缝硬度偏高的原因。

热处理时通常都是加热片包裹在管壁外侧，再覆盖数层保温棉，焊缝两侧加热宽度不少于4倍壁厚。在达到恒温温度后用测温枪测量管壁外表面温度T1和内表面温度T2（见图5），发现主蒸汽焊缝内外壁温差T1-T2≈5℃，而热段焊缝内外壁温差T1-T2≈10℃，可见热段焊缝回火时的热量损失很大。管道热传导属于金属和空气混合传导，空气的导热率明显高于金属材料，管道内径越大，空气中的导热距离越长，管壁越薄，金属内导热距离也越短。

可知在垂直于轴线方向上热段管道（Ф779×40）的热传导速率明显高于主蒸汽管道（Ф550×94）。加上现场实际安装中管道中可能有穿堂风带走大量热量，这也就是造成热段管道焊缝回火温度不足，金相组织比主蒸汽焊缝粗大，内应力释放不够完全，硬度偏高的原因。

3.3 问题的解决

针对以上问题，经分析后提出以下改进措施：

a. 在P92钢焊接时由于焊接电流过大容易引起晶界碳化，形成过早铁素体，需要增强焊工责任心，加强现场监督，严格按照焊接工艺执行，采用小电流，薄层多道焊接；

b. 药皮过渡焊条，合金元素溶入稍慢，W元素来不及溶入晶格中，晶界堆积形成类似晶间腐蚀的微小裂纹，焊芯过渡焊条此种问题不易出现，若用药皮过渡焊条必须更应控制好焊接电流和层间温度，并仔细清理层间的药皮、夹渣；

c. 为严格控制层间温度，降低成分偏析，阻止晶粒长大，P92钢焊接电流不宜过大，因此选用的焊条直径不能超过3.2mm；

d. 板条状马氏体的稳定形成与回火的恒温时间有很大关系，一般来讲，焊接完成后的马氏体转变区间足以完成80%以上组织转变，回火将会消除焊接时残余应力，调整焊缝硬度和强韧性，保留组织。大口径薄壁管回火时保温措施容易出现大量热损失，焊缝根部温度达不到要求[4]，形成索氏体组织粗大。决定在热处理时采用一定的热补偿措施，焊缝两边加热宽度加宽至5倍壁厚，保温宽度加宽至6～7倍壁厚，保温棉加厚至4层以上，加强温度监控，在有穿堂风的地方用纸板或保温棉封住管口，但不宜延长恒温时间，这样会降低材料的使用寿命。

采取改进措施后，焊缝的质量和硬度值均有明显的改善，合格率达到了比较理想的状态。

4 小结

对现场P92焊接中出现的问题经针对性分析，采取对应的措施使其可达到可控制的状态。（1）P92钢焊接应当采用直径不大于3.2mm焊条，小电流，薄层多道焊接；（2）不同种类焊条的焊接处理方式不一样，焊芯过渡焊条焊接合格率大于药皮过渡焊条，当选用药皮过渡焊条时，应特别注意电流和层间温度控制，并仔细清理每层焊缝的药皮、焊渣；（3）为避免大口径薄壁管热处理时的热损失，对这类焊缝应加宽加热和保温范围，加厚保温厚度，并封堵好管口。

参考文献：

[1]王则灵.T91/P91钢的焊接工艺[J].焊接，2005（12）：29-33.

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

[3]邵小.超超临界机组主蒸汽P92钢的焊接[J].电焊机2008，38（01）：58-62.

[4]欧阳杰，冯砚厅，王庆.P91钢焊接及焊后热处理中的问题分析[J]. 河北电力技术，2008，27（03）：13-14.