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P92 钢焊缝冲击韧性研究 浙江省火电建设公司 P92 钢焊缝冲击韧性研究 QC 小组 杨丹霞 包镇回摘要: P92 钢是新型铁素体耐热钢,在我国首次应用于浙江华能玉环 1000MW 超超临界电厂机组中,浙江火电将承担国内首次进行的 P92 钢现场安装焊接工作为率先突破 P92 钢的焊接工艺,及解决焊缝冲击韧性低等问题作了深入的分析研究,成立了浙江省火电建设公司P92 钢焊缝冲击韧性研究 QC 小组,通过调查研究、分析原因、制定对策、经过多次试验最终掌握了提高 P92 钢焊缝冲击韧性低的有效方法。
1. 概述 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。
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。
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,浙江玉环 1000MW 超超临界燃煤机组,最大蒸发量 2950t/h,过热器出口蒸汽压力 26.5MPa,额定蒸汽温度 605℃,选用美国威曼高登钢厂的 T/P92钢作为主蒸汽管道及主蒸汽疏水管道用钢。
但是,P92 钢有明显的投产后焊缝冲击韧性下降现象,如果没有足够的焊缝冲击韧性储备,室温时将可能出现裂缝,严重影响发电设备的安全运行,如何提高焊缝冲击韧性的储备是我们研究重要课题之一。
.2.P92 钢的冶金特点及制造工艺2.1 特殊精炼技术保证冲击韧性 精选钢料—高炉粗炼—碱性炉脱 S、P—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。
2.2 保证冲击韧的精密铸造技术 为提高冲击韧性及高温强度。
他们采用连续铸造,对加热后的钢锭进行不断的来回压延,然后用压力穿孔法即平台推压法工艺进行制管,进行细晶化调质热处理,确保 USC(超超临界)锅炉的主蒸汽,再热器过热器管 P92 钢管有足够的冲击韧性的储备。
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。
焊缝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 Cr、Mo、V、Nb、W 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。
新开发的 P92 焊材具有一定的高温蠕变断裂强度抗蒸汽腐蚀性能。
可以将P92 钢材的工作温度提高到 600~630℃。
3.P92 的耐热性 P92 钢的标准化学成分和机械性能列入表 1 和表 2。
表1 T/P92 钢的化学成分 C Si Mn Cr Ni Mo V W Nb N BT/P92 下限 0.07 - 0.30 8.5 - 0.30 0.15 1.5 0.04 0.03 0.001T/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 表2 T/P92 钢的机械性能 屈服强度 抗拉强度 延伸率 ASME 标准 EN 标准 钢 材 MPa MPa Akv(J) Akv(J) T/P92 450 620 20 27 413.1 P92 钢是在钢中添加钨(1.7W)和降低钼(0.5Mo)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,使用温度可以达到 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。
3.2 制造电站设备的耐热钢应该具有足够高的常冲击韧性,在水压试验时,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。
3.3 电站锅炉制造中常用的焊接方法有:GTAW、SMAW 等焊接方法,为此必须开发与之相适应的氩弧焊用实心焊丝,手工电弧焊用焊条, (SMAW) SFA5, P92 焊材的化学成分符合 ASME SFA 5.5 E9015-B9 , 23-EG(SAW)标准,同时还符合 EN 1599 EZ CrMoWV 9 0.5 2 B 42 H5(SMAW),EN12070 WZ CrMoWVNb9 0.5 1.5(GTAW)的标准。
3.4 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。
3.5 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。
3.6 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。
对常温冲击韧性提出了比较高的要求:如对于 P92 焊材,应满足δ—铁素体含量<1,室温 Akv≥41J 的技术要求。
3.7 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P92 钢焊接接头的冷、热弯曲加工,有利于防止应力腐蚀裂纹。
3.8 焊后不能直接冷却到室温。
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就会非常低。
3.9 P92 马氏体钢是低碳马氏体钢,允许在马氏体组织区内焊接,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℃, 4 对层间温度的控制要求比较高 4.1 为了获得满意的冲击韧性,我们必须把层间温度控制在<300℃。
由于P92 钢的导热系统比较小,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 350~400℃,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<300℃。
对于玉环(USC)壁厚>70mm,的大口径管道焊接,应该引起我们足够的重视,适当采取冷却措施。
4.2 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
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