P92鋼是日本新日鐵推出的用于超臨界鍋爐的9％Cr的含鎢的鐵素體鋼管，該鋼含W1．8％左右，在600％下的最長蠕變斷裂試驗(yàn)時(shí)間約為45000h。1994年納入ASME Code Case，1995年和1996年分別被ASTM和ASME批準(zhǔn)。

遼寧營口華能電廠工程l#機(jī)組是國內(nèi)首臺(tái)600MW超超臨界燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組。主機(jī)生產(chǎn)廠家為哈爾濱三大動(dòng)力廠。其主蒸汽管道、熱段管道均為P92鋼。雖為600MW機(jī)組但主汽管道壁厚大大超過玉環(huán)電廠1000MW超超臨界機(jī)組。

下表為營口電廠P92鋼管系規(guī)格情況。

由于管子壁厚大、加工周期短，要滿足業(yè)主要求必須設(shè)法采用高效率焊接方法來實(shí)現(xiàn)P92鋼的焊接，為此我廠采用埋弧焊工藝來實(shí)現(xiàn)P92鋼的自動(dòng)化焊接工作。

1 P92鋼的特性

P92鋼是經(jīng)過正火及回火處理，顯微組織為回火馬氏體組織(主要是Fe／Cr／Mo的碳化物及V／Nb的氮化物)，是國內(nèi)火力發(fā)電廠應(yīng)用的一種新鋼種。與目前國內(nèi)常用的P91鋼材(改進(jìn)型9Cr-lMo)相比，P92主要是用w代替了P91中的部分Mo，另外加入了少量的B。

通過W的固溶強(qiáng)化及Nb,W等碳氮化物的彌散強(qiáng)化來提高鋼材的高的持久強(qiáng)度。在600℃下10萬的持久強(qiáng)度P92要比P91高30％一35％。但P92鋼的沖擊韌性在運(yùn)行3000h后明顯下降(下降幅度達(dá)50％左右)，但在3000小時(shí)以后沖擊功下降的傾向就不明顯了，見圖1。T／P92鋼的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分和機(jī)械性能列入表2、表3，T／P92與T／P91的許用應(yīng)力值見表4

由于采用了特殊精煉技術(shù)及精密鑄造技術(shù)，P92鋼的C、S、P等元素含量低、純凈度高，其焊態(tài)低C馬氏體仍具有一定的塑性，焊接冷裂紋傾向大為降低。

根據(jù)圖2所示，預(yù)熱溫度選擇在150～250°。

 P92鋼的焊接

2．1焊接材料的選擇

所選取的焊材除要求焊縫金屬滿足室溫下的強(qiáng)度外，還必須滿足運(yùn)行溫度下的韌性和強(qiáng)度(蠕變強(qiáng)度)的要求。研究表明，在使用相同的母材成分范圍而要同時(shí)滿足沖擊強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度的最低要求是不可能的。因此要根據(jù)各種元素及相互之間的作用進(jìn)行最佳的匹配。

與母材通過細(xì)晶彌散強(qiáng)化不同，焊縫金屬在其熔敷成型及冷卻過程中，一些微量元素(Nb、V等)大部分固溶在焊縫金屬中，通過固溶強(qiáng)化反而降低焊縫韌性。因此焊縫金屬的沖擊韌性總是低于母材的。為了提高焊縫的韌性，必須合理的搭配Nb、w、V、Mn、Ni等微量元素的含量，嚴(yán)格控制P、S、N、O、H等微量有害元素及降低c含量。

伯樂——蒂森公司的MTS一616焊條、氬弧焊絲、埋弧焊絲、埋弧焊劑，通過對其熔敷金屬試驗(yàn)表明，該系列焊材具有良好的焊接工藝性能，便于焊工操作的掌握。

蒂森公司T／P92焊材的熔敷金屬化學(xué)成分見表5。

2．2焊接工藝的確定

通過P92鋼熔敷金屬試驗(yàn)，確定了以下的焊接工藝：采用GTAW+SMAW+SAW工藝，內(nèi)充氬保護(hù)，焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150～250°，層間溫度控制在300°以內(nèi)。采用較小的焊接線能量，采取多層多道焊并避免過厚的焊道，努力使熱影響區(qū)軟化帶變得窄一些，縮小其影響。焊后冷卻到80～100°時(shí)進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，然后進(jìn)行760℃±10℃恒溫6h的焊后熱處理。

我們進(jìn)行了Di248×57mm的P92試件按制定的工藝進(jìn)行了評定，評定結(jié)果符合設(shè)定的要求。

2．3焊接工藝的實(shí)施要點(diǎn)

2．3．1工藝

采用GTAW+SMAW+SAW內(nèi)充氬保護(hù)工藝。為防止埋弧焊焊擊穿打底層，我們進(jìn)行2層氬弧焊打底，不少于四層手工焊填槽，然后應(yīng)用埋弧焊。焊接工藝參數(shù)見表6。

2．3．2充氬

為防止焊縫根部氧化，在氬弧焊打底(2層)及電焊填充的第一層必須進(jìn)行充氬保護(hù)。常用的充氬方法是采用氣室密封充氬，氣室的封堵材料可以是高溫橡膠、水溶紙等，充氬的好壞直接關(guān)系到焊縫根部的質(zhì)量及施工是否能順利的進(jìn)行。

充氬的主要目的是為了防止高鉻材料焊接時(shí)背面氧化，如果施工遇到難以進(jìn)行充氬的焊口時(shí)，建議可以采用太陽牌免充氬焊劑對口前涂在坡口背面也可起到抗氧化效果，我廠在焊P91鋼時(shí)應(yīng)用過此方法，效果良好。

2．3．3預(yù)熱

預(yù)熱方法采用電加熱方式，氬弧焊打底時(shí)，按理論要求預(yù)熱溫度為150°C即可進(jìn)行打底，但為了考慮生產(chǎn)實(shí)際控制，便于與手工焊預(yù)熱溫度銜接緊密，不停工，有意將打底溫度提到200°時(shí)進(jìn)行焊接。注意測溫要用點(diǎn)溫計(jì)測量坡口內(nèi)實(shí)際溫度為準(zhǔn)。在這里建議P92鋼溫度測量用遠(yuǎn)紅外測溫儀時(shí)要調(diào)整其發(fā)射率，建議按不銹鋼的發(fā)射率選擇。

2．3．4焊接要點(diǎn)

2．3．4．1焊前及過程中的清理對口前，應(yīng)將焊口每側(cè)(15—20)mm范圍、管子內(nèi)外壁的油、垢、銹、漆等清理干凈，直至發(fā)出金屬光澤；

坡口處母材無裂紋、重皮、坡口損傷及毛刺等缺陷；每只焊口施焊前必須進(jìn)行PT檢驗(yàn)(檢驗(yàn)范圍坡口及其邊緣20mm范圍)，檢驗(yàn)合格后方可施焊；焊接過程中應(yīng)注意避免保溫材料等異物落入焊縫中，并注意層間清理。

焊接中應(yīng)將每層焊道接頭錯(cuò)開10～15ram，同時(shí)注意盡量焊得平滑，便于清渣和避免出現(xiàn)“死角”。每層(道)焊縫焊接完畢后，應(yīng)用磨光機(jī)或鋼絲刷等將焊渣、飛濺等雜物清理干凈(尤其應(yīng)注意中間接頭和坡口邊緣)。

2．3．4．2焊接參數(shù)控制

與P91焊接相同，P92鋼焊件輸入熱量對焊接接頭的沖擊韌性有較大的影響，焊件輸入熱量越大，焊接接頭的沖擊韌性越低。必須采用比較小的焊接熱輸人量進(jìn)行施焊，如采用小直徑焊條，采用比較小的焊接電流，采用比較快的焊接速度，采用比較低的層間溫度等。

根據(jù)工藝評定要求，焊接線能量控制在25KJ／cm范圍之內(nèi)。由于焊接線能量是一個(gè)綜合控制的焊接要素，由焊接電流、焊接電壓、焊接速度共同控制，是一個(gè)抽象的數(shù)字。

為了便于現(xiàn)場的控制，根據(jù)焊接線能量與焊層厚度、擺動(dòng)寬度及層間溫度的辯證關(guān)系，我們在施焊過程中對焊層厚度、擺動(dòng)寬度、層間溫度等方面進(jìn)行了控制。

在施工中要求手工焊焊層厚度不大于所用焊條直徑，擺動(dòng)寬度不大于所用焊條直徑的3倍，層間溫度控制在300℃以內(nèi)。同時(shí)多層多道焊接頭應(yīng)錯(cuò)開，嚴(yán)禁同時(shí)在一處收弧，以免局部溫度過高影響施焊質(zhì)量。

埋弧焊必需嚴(yán)格控制電流、電壓、轉(zhuǎn)速的范圍，確保線能量不超標(biāo)的情況下，成型良好。P92鋼埋弧焊時(shí)注意控制焊接坡口兩側(cè)的成型，避免形成凹型，以形成斜面或略凸起為宜，實(shí)踐表明焊道凹型易出現(xiàn)細(xì)小的裂紋，而形成斜面或略凸起為宜。

型狀示意圖如下：

埋弧焊應(yīng)用后，大大加快了焊接效率，一道ID406×98／P92焊口，純手工焊兩對焊工要焊7天14個(gè)班，而應(yīng)用埋弧焊用三天半就能完成，相應(yīng)的生產(chǎn)成本也大幅下降。

P92鋼埋弧焊應(yīng)用注意事項(xiàng)：

1)厚壁管焊接，為保證安全轉(zhuǎn)序，手工焊以焊到1，3壁厚之后再上埋弧焊為宜。

2)因埋弧焊單位時(shí)間內(nèi)熱輸人大，所以一般焊接P92焊口層間溫度極易升高，不利于埋弧焊的連續(xù)進(jìn)行，為此我廠規(guī)定中300以下規(guī)格P92焊口不采用埋弧焊工藝；其它采用埋弧焊的1'92焊口，層間溫度達(dá)到290。C時(shí)即停焊，待降到210℃左右再開始焊接。因?yàn)閷?shí)踐發(fā)現(xiàn)，P92材料對溫度敏感性超過p91材料，層間溫度一旦過300℃，極易出現(xiàn)裂紋，降溫到2lO℃左右再開始焊接是為了保證焊接的連續(xù)時(shí)間，減少自動(dòng)焊焊接接頭數(shù)量，這對提高焊縫質(zhì)量有益。

3)P92埋弧焊操作由兩人配合操作，一人主控焊機(jī)操作，一人控制層間溫度和過程檢查(焊道成形、焊道表面質(zhì)量等)。

3 P92鋼的熱處理

3．1馬氏體轉(zhuǎn)變

焊接結(jié)束后，立即進(jìn)行降溫進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度為80～100℃。恒溫時(shí)間根據(jù)管子壁厚而定，但必須使整個(gè)焊接接頭溫度都能達(dá)到100℃以下同時(shí)。為使內(nèi)外壁溫度能夠均勻，在焊接結(jié)束后及恒溫過程中可以將管道兩端密封板打開，讓管子內(nèi)部的空氣自由流通。同時(shí)在管道壁溫較低的情況下可將預(yù)熱用的加熱器及保溫材料拆除，確保整個(gè)焊縫內(nèi)外均能降溫至80—100℃，完全進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變。

3．2消氫處理

熱處理過程中由于一些不可抗拒的因素，無法立即進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，可以先進(jìn)行消氫處理，消氫處理溫度為350℃，消氫時(shí)間為2—3小時(shí)，然后緩慢冷卻至室溫。

3．3焊后熱處理

3．3．1熱處理升降溫速度

升溫速度

500℃以下時(shí)≤120℃／h

500℃以上時(shí)≤80℃／h

3．3．2熱處理溫度的設(shè)定

焊后熱處理的恒溫溫度為760±10℃。在實(shí)際熱處理過程中應(yīng)根據(jù)所用焊材Ni、Mn含量調(diào)整實(shí)際的熱處理控溫溫度。當(dāng)Ni+Mn<1．0％時(shí)，熱處理溫度應(yīng)往上限設(shè)定，1．O％≤Ni+Mn<1．5％，熱處理溫度應(yīng)設(shè)定為760℃。同時(shí)在設(shè)定控溫溫度時(shí)應(yīng)考慮熱電偶及溫控柜的誤差。 ．

3．3．3熱處理恒溫時(shí)間的設(shè)定

按ASME標(biāo)準(zhǔn)p92鋼焊縫最少熱處理恒溫時(shí)間為lh／25mm，57mm厚約最少為2．25h。但時(shí)際通過試驗(yàn)，不論是遠(yuǎn)紅外帶式熱處理或整體爐式熱處理方法，這個(gè)時(shí)間是不夠的，玉環(huán)電廠經(jīng)驗(yàn)40mm厚的P92焊縫遠(yuǎn)紅外帶式熱處理一般為6—6．5h，76mm厚的一般為9—11h。我廠評定用爐式熱處理57mm實(shí)際恒溫時(shí)間為6h，斷面硬度見表7。

根據(jù)表中值可以推斷爐式熱處理時(shí)5h應(yīng)也能滿足HB<250HB。營口電廠ID292×71／P92爐式整體熱處理按6h做合格，而用遠(yuǎn)紅外帶式熱處理方法實(shí)際需9h。由上述經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步可以推算出熱處理恒溫時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式：

T=(2．5—3．5)δ／25h

式中δ=管子實(shí)際壁厚括號中值，爐式熱處理取偏下限，遠(yuǎn)紅外帶式熱處理取偏上限。

3．3．4熱處理過程示意圖

4過程監(jiān)督

為規(guī)范施工，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，建議在施工前對各種規(guī)格焊口進(jìn)行了焊道設(shè)計(jì)，并派專門人員對焊接過程進(jìn)行旁站監(jiān)控及記錄。監(jiān)控及記錄內(nèi)容包括：沖氬裝置及充氬效果、預(yù)熱溫度(氬弧焊層、電焊層)、層問溫度、焊道厚度、焊道寬度、熱電偶布置、加熱器布置，溫度設(shè)定等。使焊接施工過程符合工藝要求。

5檢驗(yàn)

根據(jù)P92鋼的成分、組織和性能特點(diǎn)．保證P92部件的使用壽命及安全，除按現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)收指標(biāo)外，業(yè)主對P92焊縫的硬度及金相提小r更嚴(yán)格的要求：對P92焊n進(jìn)行了100％硬度檢驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行10％的金相微觀檢驗(yàn)。焊縫硬度標(biāo)準(zhǔn)為180HB一250HB；焊縫微觀組織為以馬氏體板條清晰的回火馬氏體組織。

6結(jié)論

根據(jù)上述工藝平定結(jié)果及工藝控制要點(diǎn)，合理制定實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的焊接工藝規(guī)程(WPS)在營口1#機(jī)丁廠預(yù)制過程中大量應(yīng)用P92鋼埋弧焊工藝，不僅質(zhì)量穩(wěn)定而且大大縮短了加工周期，為保證營口I#機(jī)按期水壓及發(fā)電奠定了基礎(chǔ)。