Cr馬氏體耐熱鋼的焊接技術(shù)和質(zhì)量控制講課文檔

Cr馬氏體耐熱鋼的焊接技術(shù)和質(zhì)量控制第1頁，共66頁。目錄第一部分新型馬氏體耐熱鋼焊接性分析第二部分P92鋼焊接工藝研究第三部分焊接質(zhì)量控制第2頁，共66頁。第一部分新型馬氏體耐熱鋼焊接性分析第3頁，共66頁。管道鋼F12、F11、P91、P92、P122、P911、NF12、SAVE12日本轉(zhuǎn)子鋼TR1100、TR1500、TR1200、HR1200日本轉(zhuǎn)子鋼TOS101、TOS107、TOS110歐洲轉(zhuǎn)子鋼COSTF、COSTE、COSTB歐洲汽缸材料G-X12CrMoVNb91、G-X12CrMoVNbN1011

日本汽缸材料TOS301、TOS302、TOS3039-12％Cr馬氏體耐熱鋼家族第4頁，共66頁。SC/USC用新型耐熱鋼依靠進口國內(nèi)無法生產(chǎn)SC/USC機組所需關(guān)鍵材料從國外引進先進成熟材料是發(fā)展我國超超臨界發(fā)電技術(shù)的最快捷和現(xiàn)實的途徑第5頁，共66頁。需要解決的問題新型耐熱鋼的焊接、熱處理等加工工藝；新型電站用鋼的使用性能，如高溫長時力學(xué)性能、疲勞性能、抗蒸汽氧化、煙氣腐蝕性能、運行條件下的組織變化規(guī)律進行全面研究；金屬監(jiān)督、狀態(tài)與壽命評估技術(shù)研究。------如何獲得質(zhì)量合格的焊接接頭，保證工程建設(shè)進度，滿足機組長期安全運行，成為最為關(guān)鍵的技術(shù)難題之一

第6頁，共66頁。運行組織穩(wěn)定性位錯密度的降低；E911、P92、P122由于含W，容易析出Fe2（W、Mo）Laves相；P122中的Cu促進Laves相的析出；蠕變中后期Z相Cr(Nb,V)N析出；

穩(wěn)定性：P91>E911>P92>P122第7頁，共66頁。馬氏體耐熱鋼的性能特點以P91為代表的9-12％Cr馬氏體鋼具有良好的綜合性能（高溫強度、韌性等）；馬氏體鋼與常規(guī)的低合金耐熱鋼的顯著差別是性能對組織異常敏感，制造、安裝和運行中導(dǎo)致的組織波動都會導(dǎo)致性能的較大變化。第8頁，共66頁。高溫持久強度（許用應(yīng)力）P92－600℃10萬小時持久強度

1999年ASME鍋爐和壓力容器委員會批準(zhǔn)將A335P92鋼作為規(guī)范案例列入ASMEA335材料標(biāo)準(zhǔn)（2000版案例2179-3），持久強度為132MPa。但高溫管道（主汽、熱段）設(shè)計依據(jù)的規(guī)范ASMEB31.1至今還未將其納入2002年德國V&M公司已進行到7萬h蠕變試驗，外推的持久強度比ASME案例中的值低約10%ECCC2005年持久強度評價值為113MPa，較ASME案例中的值低約14%P122－許用應(yīng)力(MPa)575℃600℃625℃ASME1078361METI1008565SHC1006846

第9頁，共66頁。西安會議超超臨界主汽管材料會議紀(jì)要

第10頁，共66頁。服役期間沖擊功的變化P122：100－125JP92：150JE911：180JP91：240J運行1萬小時后40J運行后70J運行后60J運行后180J含W鋼的沖擊功在一萬小時內(nèi)下降顯著，之后趨于穩(wěn)定，對母材尚能滿足使用要求。對焊接接頭需要有一定韌性的儲備。第11頁，共66頁。新型馬氏體耐熱鋼焊接性分析焊接接頭的脆化

●粗晶組織引起

●導(dǎo)致接頭的韌性降低－－在焊接過程中應(yīng)使用較低的焊接線能量－E=60UI/V(J/cm第12頁，共66頁。新型馬氏體耐熱鋼焊接性分析熱影響區(qū)的軟化

●AC1~AC3之間部分奧氏體化，沉淀強化相不能夠完全溶解在奧氏體中，粗化，強度降低。

●軟化對短時高溫拉伸強度影響不大，但降低持久強度，產(chǎn)生Ⅳ型裂紋。

第13頁，共66頁。Ⅰ型蠕變裂紋：發(fā)生在焊縫中的蠕變裂紋Ⅱ型蠕變裂紋：發(fā)生在焊縫中的蠕變裂紋向焊接熱影響區(qū)擴展Ⅲ型蠕變裂紋：發(fā)生在粗晶區(qū)的蠕變裂紋(再熱裂紋)Ⅳ型蠕變裂紋：發(fā)生在細晶粒軟化區(qū)的蠕變裂紋Ⅴ型蠕變裂紋：發(fā)生在熔合區(qū)的蠕變裂紋Ⅵ型蠕變裂紋：發(fā)生在母材應(yīng)力集中處的疲勞裂紋焊接接頭蠕變裂紋的分類ⅥⅤ熔合區(qū)裂紋疲勞裂紋第14頁，共66頁。P91集箱與P91端蓋環(huán)焊縫焊接熱影響區(qū)發(fā)生Ⅳ型開裂運行：3.65萬小時冷啟動：72次熱啟動：469次第15頁，共66頁。P91、P92、E911、P122均有IV開裂敏感性；IV型開裂的破壞性很大；－設(shè)計上考慮余量；－焊接工藝優(yōu)化－－焊接線能量不宜大，預(yù)熱溫度不能過高等；－管系支吊調(diào)整、早期診斷可減小風(fēng)險。第16頁，共66頁。新型馬氏體耐熱鋼焊接性分析焊接冷裂紋（延遲裂紋）

●冷卻過程中在Ms點以下或更低的溫度范圍內(nèi)形成

●三要素：淬硬組織、氫元素、應(yīng)力

●冷裂紋敏感性T23→P22→P122→P91→P22－－預(yù)熱及層間溫度低氫型焊條，嚴(yán)格烘培和保溫工藝；盡量減少拘束度；消氫或及時熱處理。第17頁，共66頁。焊接接頭的化學(xué)成分保證綜合性能提高可焊性合金元素的作用和優(yōu)化控制焊接材料開發(fā)商完成第18頁，共66頁。焊接接頭的組織新型馬氏體耐熱鋼的組織包括焊接接頭的組織均為馬氏體馬氏體板條的位向、大小、原奧氏體晶粒度、碳化物的類型、形狀、分布等在BM、HAZ、WM的分布有或大或小的差異第19頁，共66頁。

P92焊接接頭PWHT（740℃×4h）后的宏觀和微觀組織形貌第20頁，共66頁。

P92焊接接頭焊縫金屬的TEM像ａ）焊態(tài)ｂ）PWHT第21頁，共66頁。焊接接頭的蠕變性能焊縫金屬的蠕變斷裂強度低于母材隨著持久斷裂時間的增加，焊縫金屬的蠕變斷裂強度與母材的差距越來越大高溫蠕變試驗的失效位置多在HAZ的外側(cè)，即靠近母材的HAZ，軟化區(qū)焊接接頭的失效模式受控于HAZ第22頁，共66頁。第二部分P92鋼焊接工藝研究第23頁，共66頁。馬氏體耐熱鋼的焊接F11、F12本身成分設(shè)計上有缺陷，導(dǎo)致焊接困難；后續(xù)的9-12％Cr馬氏體鋼通過合金成分優(yōu)化焊接性能有較大幅度的改善；P91國內(nèi)已經(jīng)應(yīng)用10余年，在其焊接方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗；《T91/P91鋼焊接工藝導(dǎo)則》是國內(nèi)P91鋼的焊接技術(shù)的里程碑。第24頁，共66頁。P91基礎(chǔ)上開發(fā)的P92、P911、P122等新鋼種在焊接上沒有本質(zhì)的區(qū)別；國內(nèi)對這類鋼的焊接還存在什么問題？特殊性在哪里？第25頁，共66頁。新型馬氏體需要什么樣的焊接接頭？沒有焊接缺陷；組織以回火馬氏體為主，合理的析出相數(shù)量、尺寸、分布；異常組織的控制（delta－鐵素體、過度回火組織等）；與母材的合理的強度匹配；足夠的韌性儲備，以應(yīng)對運行中的脆化。第26頁，共66頁。關(guān)注焦點－焊接接頭的性能隨著技術(shù)進步，大多數(shù)的高溫焊接接頭中已不存在影響使用安全性的宏觀缺陷

中間探傷規(guī)定是否合理？

關(guān)注組織的不均勻性和由此引起的性能不均勻性

存在強度或大或小、塑性或高或低的區(qū)域，在使用過程中發(fā)生早期失效強度或塑性不足不同的蠕變速率，導(dǎo)致接頭中應(yīng)力的錯配第27頁，共66頁。P92鋼由于W的加入，抗回火能力有所提高，焊縫沖擊功更難以提高，而運行中沖擊功的降低又更明顯，合理的韌性值和韌性儲備是必要的，同時又要考慮蠕變性能，二者兼顧，不能一味追求高沖擊功P92鋼焊縫Ak不得低于41為宜第28頁，共66頁。影響焊縫金屬韌性的因素焊接方法的影響（氧含量）通常GTAW＞SMAW＞SAW化學(xué)成分的影響預(yù)熱、層間溫度的影響焊接線能量的影響焊后熱處理的影響第29頁，共66頁。焊接材料的選擇與母材的成分匹配;質(zhì)量的穩(wěn)定（AC1的波動等）；焊接工藝性能與母材的物理性能的匹配(如相變點);雜質(zhì)(S、P、As、Ab等）的控制；長期蠕變數(shù)據(jù)的多寡；合金元素的過渡方式；第30頁，共66頁。焊接材料的選擇伯樂蒂森ThemanitMTS616鋼芯過渡英國曼徹特Chromet92藥皮過渡法國液化空氣ALCromocord92藥皮過渡日鐵－住金NiffefsuN616第31頁，共66頁。焊接材料的選擇進行了如下試驗焊接工藝性能比較回火參數(shù)與沖擊功的關(guān)系力學(xué)性能試驗AC1相變溫度的測試宏觀和微觀金相組織分析－－各有千秋－－對P92等的焊接材料如果合金元素過渡方式不同，建議分別進行工藝評定第32頁，共66頁。W第33頁，共66頁。δ-Ferrite第34頁，共66頁。焊縫：回火馬氏體第35頁，共66頁。焊接工藝的探討工藝1：焊道寬、焊接電流偏上限、焊接速度高；工藝2：焊道偏窄、薄、焊接電流偏下限，但焊接速度低。（相對1而言）第36頁，共66頁。焊接過程中的自回火第37頁，共66頁。國內(nèi)傾向于采用第二種工藝，實踐證明能明顯提高焊縫韌性，但熔敷金屬試驗表明，容易導(dǎo)致3.2、2.4mm焊條的焊縫金屬強度達不到要求，說明反復(fù)“回火”降低了強度；

國外多采用第一種工藝，由于焊接速度高，線能量也不高，沖擊韌性也較高；建議國內(nèi)對兩種工藝進行系統(tǒng)的對比研究。第38頁，共66頁。1234567Holdingtime[h]010203040506070CVN[J]?4,0mm;Pos.3Gup?4,0mm;Pos.3GupInfluenceofbeadformationonimpactpropertiesatpwht760°Cweavedbeadsstringerbeads第39頁，共66頁。焊后熱處理焊后熱處理溫度的確定母材AC1焊材AC1母材最終熱處理溫度試驗結(jié)果在接頭性能滿足要求的前提下，宜低第40頁，共66頁。PWHT溫度廠家推薦的760+0-10℃不符合中國國情提出現(xiàn)實的、安全的P92焊后熱處理工藝參數(shù)第41頁，共66頁。焊后熱處理建議P92鋼PWHT溫度600±10℃對每批焊接材料的AC1溫度進行測定，適當(dāng)調(diào)整熱處理溫度，至少根據(jù)Mn+Ni含量進行適當(dāng)調(diào)整；第42頁，共66頁。H_011123HeatcontrolduringweldingandPWHT-conditionforP911andP92Time02004006008001000Temperature[°C]250-300°C760°CHeatingrate80-120°C/hCoolingrate100-150°C/h

<400°Ccoolinginstillair+10-10slowcoolingrate20-100°C···preheatingweldingandsoakingnecessarycoolingdownafterweldingorsoaking2-4h··第43頁，共66頁。第三部分焊接質(zhì)量控制第44頁，共66頁。焊接質(zhì)量控制包括焊接材料－焊接工藝－焊后熱處理任何一個環(huán)節(jié)的失誤都會導(dǎo)致質(zhì)量的失控第45頁，共66頁。對P92焊接的幾點認(rèn)識P92、P122鋼從根本上來說與P91屬于同類材料，有國內(nèi)多年焊接P91的經(jīng)驗，P92的焊接同樣可以成功實現(xiàn)；P92焊接與P91相比還是有一定難度，回旋的余地比較小，技術(shù)上應(yīng)當(dāng)采取更嚴(yán)格的措施；日本出現(xiàn)的超超臨界機組管道事故提醒我們更應(yīng)當(dāng)重視焊接質(zhì)量，重視高溫管道的金屬監(jiān)督。第46頁，共66頁。采取措施讓一線工作人員（焊工、熱處理工）理解每一個每一個質(zhì)量控制點的重要性，施工單位要嚴(yán)格按工藝施工，將評定通過的工藝正確無誤地移植到施工中；業(yè)主、監(jiān)理、監(jiān)督單位要加強過程質(zhì)量監(jiān)督管理，除了工藝執(zhí)行情況，還要重點檢查熱處理設(shè)備表計的檢定情況，并進行適當(dāng)?shù)某闄z；在正式施工前的焊工考試過程中安排試驗，進一步提高接頭的性能；重視焊后熱處理的技術(shù)水平提高。第47頁，共66頁。目前的現(xiàn)場熱處理存在的問題施工單位對熱處理工的工作重要性缺乏認(rèn)識；電廠的運行采用了最先進的控制系統(tǒng)，但國內(nèi)電廠建設(shè)中熱處理卻采用了落后的設(shè)備和技術(shù)第48頁，共66頁。第49頁，共66頁。減小內(nèi)外壁的溫差；減小熱應(yīng)力和彎曲變形；減小軸向溫度梯度；第50頁，共66頁。人員方面輔助工種；協(xié)助工；培訓(xùn)不到位；對熱處理工作重要性認(rèn)識不夠。第51頁，共66頁。設(shè)備方面熱處理控制柜沒有溫度自動補償系統(tǒng)；表計校準(zhǔn)不夠甚至不校；……第52頁，共66頁。熱電偶安裝及接線鐵絲綁扎熱電偶補償導(dǎo)線接線問題……第53頁，共66頁。建議對P91、P92管道表面壓焊熱偶絲進行可行性評估推薦采用ASTM方法焊接熱偶表面的有效隔熱。第54頁，共66頁。規(guī)程方面DL升溫、降溫速度，一般可按250X25/壁厚(℃/h)計算，且不大于300℃/h。6.0.7熱處理的加熱寬度，從焊縫中心算起，每側(cè)不小于管子壁厚的3倍，且不小于60mm。6.0.8熱處理時的保溫寬度，從焊縫中心算起，每側(cè)不得小于管子壁厚的5倍，以減少溫度梯度。6.0.9熱處理的加熱方法，應(yīng)力求內(nèi)外壁和焊縫兩側(cè)溫度均勻，恒溫時在加熱范圍內(nèi)任意兩測點間的溫差應(yīng)低于50℃第55頁，共66頁。國外

考慮壁厚、管徑上海交大5√RT第56頁，共66頁。第57頁，共66頁。項目修正計算值國內(nèi)規(guī)程計算值均溫區(qū)寬度加熱帶寬度保溫層寬度均溫區(qū)寬度加熱帶寬度保溫層寬度主汽管道140.47682.351145459.6579.6806.47主汽連通管133.91566.26905.5348468613.91高旁入口133.91566.26905.5348468613.91熱再熱132.42680.711229322.56442.56570.02低旁入口127.88557.91963245.16365.16442.58冷再熱126.9676.51226228.6348.6434.3P122149.42858.6015336127321069.4工藝評定127.57500.10782240360440第58頁，共66頁。規(guī)程中對P91焊接接頭的硬度要求（<Min（350，母材硬度＋100）是否合理？試問有誰在工藝評定中的P91焊縫硬度高達HB300以上又同時滿足沖擊功和彎曲的要求？第59頁，共66頁。試樣編號試樣名稱HBS10／3000熔合區(qū)焊縫熱影響區(qū)D1、D2焊接接頭199、214199、214186、195R1、R2焊接接頭209、219274、285215、215管樣名稱焊縫位置試樣號沖擊功AKV/J試樣1試樣2試樣3平均值D樣焊縫DH1~39491117101熔合區(qū)DR1~313092120114熱影響區(qū)DY1~31809185119R樣焊縫RH1~31