P91/P92钢焊接材料与焊接工艺

P91/P92钢焊接材料与焊接工艺
徐德录1   王学2   陈玉成1
1．中国电力科学研究院；    2。武汉大学动力与机械学院
摘要: 简要介绍了P91/P92钢的研究和发展状况、P91/P92钢焊接材料的技术标准、进口和国产P91/P92钢焊接材料在我国电站中的应用情况等，分析了国产KJ92焊条焊缝金属的组织性能。提出了P91/P92钢焊接工艺技术要点。
关键词：9%Cr钢；焊接材料；焊接工艺
1　P91/P92钢的研究和发展概况
二十世纪五十年代，电站用钢大多采用的是低合金铁素体钢（21/4Cr-1Mo）和奥氏体不锈钢(TP304、TP347等)，随着高参数机组的发展，锅炉工作温度和压力进一步提高，对钢管材料的高温蠕变性能和抗应力腐蚀方面提出了更高的要求，世界上开始进行了一些非微量合金9Cr-1Mo钢管的试验：五十年代末，比利时的liege冶金研究中心第一次详细说明了“超级9%Cr”钢，当时确定的化学成份是9Cr-2Mo，并有Nb和V的添加剂，材料牌号为EM12， 1964年法国电力公司（EDF）批准温度高达620℃的过热器和再热器可以使用EM12，替代过去使用的不锈钢管；六十年代末，德国研究开发了12%铬钢X20CrMoV121（X20钢），1979年正式纳入DIN17175标准中， X20钢与21/4Cr-1Mo及12Cr1MoV钢相比，具有更高的蠕变强度，但温度高于520℃时其蠕变断裂强度不及EM12，更重要的是由于碳含量高，焊接性能差；较后同一系列的其他钢种，如瑞典的HT9，日本的HCM9M都先后出现；1974年，美国橡树岭国家实验室（ORNL）开始研究改进的9Cr-1Mo钢种，并进行了性能试验，在593℃，10万小时条件下的持久强度达到100Mpa，韧性也比较好，从技术经济角度看，这种钢比EM12好，化学成份上的主要差别是Mo含量减少一半，低Nb、V，并控制N、Cu、Ni等的含量。1980-1984年美国、英国、加拿大等国家先后在过热器、再热器上用T91代替TP321、TP347和TP304等不锈钢材料。1982年橡树岭国家实验室进行了T91/P91、EM12和X20三种材料的比较研究，1983年，美国ASME和ASTM先后批准将改进的9Cr-1Mo钢分别载于SA213和A213标准。1987年法国瓦鲁海克工业公司针对T91/P91与X20和EM12的比较评估研究报告认为，T91/P91有明显的优点，强调要从EM12转为使用T91/P91钢材。八十年代末，在关系到T91/P91钢的生产与应用的实际问题方面，德国曼内斯曼公司进行了长期的试验，以验证材料的特性，主要是弥散特性及蠕变强度，并进一步发展和测试了焊接材料。
    目前，世界上主要生产锅炉管和大直径厚壁管的钢厂均已完成了T91/P91管件工业化生产的研究，并向世界供应T91/P91钢管和管件；主要的焊接材料供应商也都已经形成了比较完整的T91/P91钢焊接材料系列，T91/P91钢焊接工艺技术日趋完善。
   P92钢是在P91钢的基础上改良开发出来的新钢种。在化学成分上适当降低了钼元素的含量（0.5%Mo），同时加入了一定量的钨（1.7%W），将材料的钼当量（Mo+0.5 W）从P91钢的1%提高到1.5%，该钢还加入了微量的硼。改良后，P92钢的耐高温腐蚀性能和抗氧化性能与9%Cr钢相似，但材料的高温强度和抗蠕变性能得到了进一步的提高。P92钢的最高设计工作温度达625℃，预期高温蠕变断裂强度比P91钢高30%，同时，P92钢还具有优于奥氏体耐热不锈钢的抗低周热疲劳性能，90年代后期，P92钢开始应用于电站项目中。在电站实际服役条件下，P92钢结构经长期高温高压运行后，显微组织蠕变变化的规律、特性以及由此可能带来的对蠕变强度和塑性的影响还有待大量重复试验与实际应用数据的观察、分析与确认。
2　P91/P92钢焊接材料的技术标准
与T91/P91钢的应用同步，发达国家对T91/P91钢焊接材料的研究开发工作开始于80年代初，商业化批量生产供应则是在1986年，目前已形成了比较完整的T91/P91钢焊接材料系列。常用的有手工电弧焊条，TIG焊丝，MIG焊丝，埋弧焊丝和焊剂，药芯焊丝等。
T91/P91钢熔敷金属的化学成分设计原则是：尽可能地接近母材的成分，使焊接金属具有与母材相同或更好的蠕变和持久强度，同时保证最佳的可焊性。早期的研究工作发现，当焊缝金属成分与母材成分完全一致时，其冲击韧性较低，所以，焊缝中的某些合金元素含量要求与母材有所不同，如铌为0.04-0.07%(低于母材的0.06-0.1%),镍为0.4-1.0%(高于母材的≤0.4%)
表1列举了不同技术标准有关T91/P91钢焊接材料的化学成分规定，表2列出了相应熔敷金属力学性能要求。就熔敷金属化学成分而言，欧洲和美国的标准的要求均与母材的成分规范相似，但锰和硅的含量范围被适当地放宽以满足不同的工业制造部门的设计思想。镍含量的规定反映了其对焊缝韧性的有利作用，因此，在所有标准中都规定了其最高含量为0.8%甚至1.0%，而在英国BS EN标准中还界定了其含量不得低于0.4%。对强化性元素如铌、钒及氮的最低含量，则低于母材的最低含量限度。这主要是考虑到较低的铌、钒及氮的含量将有利于提高焊缝的韧性，同时焊缝的强度也不需要设计高于母材的强度。对熔敷金属力学性能的要求，一般来说与对母材的要求一致，例外的情况是允许稍低的拉伸延伸率。对焊缝冲击韧性，英国BS EN标准中有具体的要求，而美国焊接学会（AWS）标准则规定具体的韧性值可由焊接材料的供求双方自行商议决定。事实上，焊缝冲击韧性对运行工况为低温下、受冲击载荷的部件非常重要，对于设计工作温度区间为500-600℃高温且载荷基本为静态的部件结构来说，焊缝金属的韧性似乎可以认为是一项无关紧要的指标，因为这一区间远远高于有可能发生快速脆性断裂的温度。所以在实际施工过程中以延长焊接热处理时间从而牺牲接头的持久强度寿命来刻意追求高的冲击韧性值是得不偿失的。但是，在测试和制造过程中，T91/P91钢结构也有可能在室温下被加压或承载，为了防止焊缝在这种情况下发生脆断，有些机构认为焊缝金属在室温下需具有一定的最底冲击韧性值（一般是经过焊后热处理，在20℃下，30-50J）。
对用于力学性能测定的焊接试板的准备，不同的标准对不同类型的焊接材料的预热和层间温度有不太一样的规定。AWS标准规定TIG焊的预热和层间温度范围为205±55℃，而对于手工电弧焊则规定为260±28℃。这种规定主要是考虑到不同的焊接工艺可能产生不同的扩散氢，但这种规定在欧洲的EN标准中则被反过来了，而且也看不出任何明确的原因。
P92钢虽然应用历史不长，但相应的焊接材料目前已纳入美国ASME/AWS和欧洲BSEN技术标准，P92钢的焊接材料标准以现行P91钢的有关标准为参照，熔敷金属化学成分会与母材的成分范围相似。由于化学成分上的接近，P92钢的焊接工艺性能与P91钢的基本相同。因此，对用于机械性能测定的焊接试板的准备，目前都是参照P91钢焊接材料标准对焊接工艺方法、预热温度、层间温度的规定。
表1 T91/P91钢焊接材料和母材金属化学成分规定


表2 各种标准对T91/P91钢焊接材料熔敷金属力学性能的要求

P92钢匹配焊接材料的设计基础是依据母材的相关成分和性能并参照现行P91钢的有关国际标准，以及过去20多年来P91钢应用的大量实验数据、建设施工和实际运行经验。焊缝熔敷金属的化学成分设计原则是：尽可能地接近P92钢的母材成分，同时保证最佳的使用性能和可焊性。与母材相似，其焊缝金属的一次冷却显微组织也是全马氏体（或加极少量的δ体素体组织。参照P91钢焊接材料的设计经验，并考虑到电弧焊工艺的特点和需要，为充分优化焊缝金属的高温蠕变性能同时兼顾其常温冲击性能，相对于P92钢母材，应对焊缝金属的合金成分作适当调整，例如适量的镍的加入，以及对铌、锰、硅、碳、氮等元素的控制等，化学成分的优化应考虑下述因素。
铌：焊缝金属铌的典型含量一般控制在0.04-0.06%之间，从而保证焊缝金属优良的高温蠕变性能和理想的常温韧性。
镍：镍的加入有利于提高焊缝金属的冲击韧性。这主要是因为镍能够降低材料的Ac1温度，从而提高组织对回火的反应程度；同时，镍还能降低δ体素体形成的敏感性，而δ体素体的存在对焊缝金属的性能是有害的。但是，过高的镍含量（如大于0.8-1%）则会过分降低焊缝金属的Ac1温度，使其可能低于理想的焊后热处理温度，这将会导致冷却后新的未回火马氏体的生成；过高的镍含量还会影响材料的蠕变性能，因此，焊缝的镍含量一般控制在0.5-0.6%。
钴：由于焊缝镍含量受到控制Ac1温度以及保证高温蠕变性能等因素的限制，其含量不能过高。试验结果证实，适量加入钴可有效替代镍的作用而使焊缝金属获得稳定的室温冲击韧性，但是钴元素的实际加入量也应慎重控制在较低的水平，因为其对组织的Ac1温度也有一定程度的影响。
锰：一般认为，适当地比母材高一些的锰可以促进焊缝的脱氧从而确保焊缝金属的质量。但是参照P91钢焊接材料的配方设计，焊缝金属中镍加锰的总含量应控制在不超过1.5%的水平，以避免在最高的焊后热处理温度下组织中重新形成奥氏体。
硅：硅是一种重要的脱氧剂，且在与铬同时存在时还可以提高合金的高温抗氧化性能，但适当低的硅含量则有利于提高焊缝金属的韧性，因此一般控制在0.2-0.3%。
焊缝中钒、碳、氮等元素也对韧性产生影响，一般情况下，其含量都控制在与母材相当的水平，以确保最佳的焊缝金属蠕变性能。要注意综合平衡各元素含量，以避免不正确的化学成分组成而导致δ体素体的形成。
3　P91/P92钢焊接工艺参数的选择与焊缝金属的成分及相变特点
选择正确的焊接工艺参数是确保获得满意的焊缝金属和焊接接头的关键。
3.1预热和层间温度
在P91/P92钢的焊接中，需要采取有效的预热措施以防止氢致裂纹的产生，虽然P91/P92钢的淬硬倾向大于P22钢，并且P92钢的合金化程度比P91钢还高，但Y-型坡口拘束试验的结果显示，P92钢防止氢致裂纹所需要的最低预热温度与P91钢非常相似，都明显低于P22钢的预热温度，这主要是因为P91/P92钢的含碳量降低，也有观点认为P91/P92钢较低的Ms/Mf温度，使得在预热-层间温度下的组织中存在部分未转变的奥氏体组织，它们产生了有益作用。
对于P91钢，除了TIG焊之外，其他工艺方法预热温度一般不低于200℃，而对于TIG焊，预热温度可以放宽至100-150℃，层间温度一般要求不超过300℃，否则对焊缝韧性有明显不利影响。
对于P92钢，推荐的最低预热温度为200℃，最高层间温度为350℃，在实际焊接施工中，预热及层间温度一般应控制在200-300℃之间。
3.2焊接后热、冷却温度与焊缝金属的Mf温度
焊接后热是指在焊接施工完成后，立即将接头部位在250～350℃保持2～4小时，以确保扩散氢的逸出。由于P91/P92钢的冷裂纹敏感性不大，焊接时可以考虑不作后热处理。
由于焊接的层间温度处于焊缝马氏体相变开始和完成温度（Ms和Mf）之间，为确保焊缝马氏体转变充分进行，在进行焊后热处理之前，焊缝需要先冷却到马氏体转变完成温度（即Mf）以下。这不仅是因为未转变的奥氏体内滞留相当数量的扩散氢，同时残留的奥氏体组织将不受回火处理的影响，而在冷却后转变形成新的未经回火的马氏体组织。对P91/P92钢全焊缝金属的实测数据显示：在20℃/s的冷却速度下，P91钢组织的Mf温度在157℃至203℃之间，而P92钢组织的Mf温度在127℃至150℃之间；如果冷却速度提高到50℃/s，P91钢组织的Mf温度降低到107℃至136℃之间，而P92钢组织的Mf温度降低到105℃至117℃的范围。因此建议，P91/P92钢焊后应冷却到100℃以下，这样可确保焊缝金属的马氏体转变全部完成。壁厚小于50mm的结构焊后热处理前可冷却至室温，但应注意在焊后热处理之前，防止结构承受机械或热冲击；而对于厚度大于50mm的结构及锻件或铸件，则不应冷却至低于80℃的温度。
3.3焊后热处理温度的选择与焊缝金属的Ac1温度
    热处理的最高温度必须控制在足够低于组织的下临界转变温度（Ac1）的水平（一般比Ac1低15℃），以避免生成新的奥氏体相，因此确切了解组织的的Ac1温度是至关重要的。P91钢的Ac1温度为810℃，P92钢的Ac1温度一般高于P91钢，其Ac1温度在800-845℃之间，典型值为820℃。由于焊缝金属的锰元素和镍元素含量一般高于母材，它们的Ac1温度分别低于母材的810℃和820℃。
在一些标准中，规定了P91钢的最高热处理温度应在780℃以下，实际工作中，一般采取765℃到775℃的热处理温度。
P92钢的热处理温度的选择目前主要参考P91钢的有关规范并考虑P92焊缝组织的Ac1水平，一般推荐为760℃-770℃。
4　焊缝金属的高温蠕变性能以及对蠕变试验数据的正确分析
    P91/P92钢焊缝金属的高温蠕变性能是至关重要的，经过长期高温运行后，显微组织变化的规律、特性以及由此带来的蠕变强度的影响大量重复试验与实际应用数据的确认。
    2006年，欧洲蠕变委员会已将P92钢的蠕变断裂强度由最初的131MPa调至113MPa，降低16%。同时P92钢的蠕变断裂强度由最初的94MPa调至85MPa，降低12%。
    代价是先期投运的机组必须降低参数运行，处于设计建造阶段的则要修改设计，增加部分结构的设计壁厚才能满足相应的工作参数。但P92钢依然有相对的性能优势。

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