陈怡 徐祥久 黄超 欧海燕 【摘要】T/P91、T/P92钢广泛应用于电站机组的高温、高压部件中，本文针对T/P91+T/P92焊接材料的优化与焊接工艺性进行研究，分别选用不同的焊接材料进行T/P91+T/P92的焊接，并制定相应的焊接工艺，对不同焊接材料下焊接性、冷裂纹敏感性、再热裂纹敏感性、应变时效敏感性、高温强度及微观组织等进行研究。结果表明，采用与T/P91相匹配的焊接材料进行T/ P91+T/P92的焊接，可以获得各项性能满足产品运行要求的焊接接头，并可以在一定程度上提高焊接工艺性、降低制造难度和生产成本。 关键词：T/P91+T/P92；焊接材料；焊接工艺性 随着电站机组向大容量、高参数的不断发展，高温综合性能良好的T/P91、T/P92钢被越来越广泛的应用于电站机组中，且在高温段的过热器、再热器及蒸汽管道等部件中存在大量T/P91+T/ P92的焊接接头。T/P91钢是一种改进的9Cr1Mo钢，组织为马氏体，具有较高的持久强度和许用应力，以及优良的抗高温蠕变性能。T/P92钢是在T/P91钢的基础上改良开发出来的，耐高温腐蚀和氧化性能与T/P91钢相似，但材料的高温强度和蠕变性能得到了进一步提高。表1、表2分别列出了P91、P92钢的化学成分和力学性能要求。由于T/P91、T/P92钢的化学成分复杂，且服役在高温高压的工况下，目前国内制造厂对于T/P91+T/P92焊接接头均按高匹配进行焊接材料的选择，即选用与T/P92钢化学成分、力学性能相匹配的焊接材料，但是按高匹配原则选用焊接材料会产生较高的生产成本和制造难度。 本文针对T/P91+T/P92焊接接头的焊接材料进行优化，首次选用了低匹配焊接材料，即化学成分、力学性能与T/P91钢相匹配的焊接材料，对比研究了这两种焊材选用方式下T/P91+T/P92焊接接头性能和焊接工艺性。试验过程中选用的焊接材料如表3所示。 表1 P91、P92钢管的化学成分（质量分数） （%）  材质C Mn P S Si Cr Mo V N Ni AlCbTiZrWB P91 0.08 ～ 0.12 0.30 ～ 0.60 0.020 0.010 0.20 ～ 0.50 8.00 ～ 9.50 0.85 ～ 1.05 0.18 ～ 0.25 0.03 ～ 0.07 0.40 0.02 0.06 ～ 0.10 0.01 0.01 ——P92 0.07 ～ 0.13 0.30 ～ 0.60 0.020 0.010 0.50 8.50 ～ 9.50 0.30 ～ 0.60 0.15 ～ 0.25 0.03 ～ 0.07 0.40 0.02 0.04 ～ 0.09 0.010.01 1.5 ～ 2.0 0.001 ～ 0.006 表2 P91、P92钢管的力学性能要求  材质屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率（%）P91≥ 415≥ 585≥ 20 P92≥440≥ 620≥ 20 表3 T/P91+T/P92焊接材料选用  项目GTAWSMAW高匹配9CrWV—TIGCHONMET 92低匹配9CrMoVN（AWS 5.28 ER90S—B9）CHONMET 9MV—N（AWS 5.5 E9015—B9） 1. 冷裂纹敏感性试验T/P91、T/P92钢均具有较高碳当量，淬硬倾向大，对冷裂纹敏感，焊前需对试件进行预热，并在焊接过程中维持较高的预热温度至焊接结束。参照GB4675.1《焊接性试验-斜Y形坡口焊接裂纹试验方法》对T/P91+T/P92焊接接头进行冷裂纹敏感性试验，分别采用高匹配和低匹配焊接材料，判断在不同的预热温度下焊接接头的冷裂纹敏感性。试验用母材分别为SA—387Gr.91CL2、SA—335P92，试件厚度为20mm。对焊完的试件经48h后进行表面裂纹检测，表面裂纹检测后将试件分切为5个断面进行断面裂纹检测。 表4为斜Y形坡口焊接裂纹试验结果，可以看出，T/P91+T/ P92焊接接头采用低匹配焊接材料时，预热温度达到150℃后就不会产生裂纹，而采用高匹配焊接材料时，预热温度需高于200℃，即选用低匹配焊接材料时，会降低T/P91+T/P92焊接接头对冷裂纹的敏感性，可以在更低的预热温度下获得合格的焊接接头。图1a为采用低匹配焊接材料、预热150℃下，试样无裂纹；图1b为采用高匹配焊接材料、预热150℃下，斜Y试样存在裂纹。 表4 斜Y形坡口焊接裂纹试验结果  熔焊金属焊接材料预热温度/℃表面裂纹率（%）断面裂纹率（%）低匹配CHONMET 9MV—N 100 0 40 CHONMET 9MV—N 150 0 0 CHONMET 9MV—N 200 0 0 CR—12S 100 100 100 CR—12S 150 0 20 CR—12S 200 0 0高匹配  图1 斜Y形坡口焊接试样 2. 再热裂纹敏感性试验因T/P91、T/P92钢中含有Cr、Mo、V、Nb等强烈的碳化物形成元素，使焊接接头过热区存在着产生再热裂纹的不利因素。T/P91+T/P92焊接后的消应力热处理温度在再热裂纹的敏感区间内，进一步提高了再热裂纹产生的几率。为了评价采用不同焊接材料选用方式时，T/ P91+T/P92焊接接头的再热裂纹敏感性，仍采用上述斜Y形坡口焊接裂纹试验相同的试件形式与母材。在相同的焊接参数下，焊前预热温度200℃，以保证在无焊接冷裂纹的情况下对再热裂纹的敏感性进行判定。对焊完的试件经48h后进行表面裂纹检测，均无裂纹产生，再分别对焊接试件进行655℃/5h、695℃/5h、725℃/5h、755℃/5h消应力热处理，热处理工艺曲线如图2所示。热处理后进行表面裂纹和断面裂纹检测，均无裂纹产生，表明T/P91+T/P92焊接接头在这两种焊接材料选用方式下，均对再热裂纹不敏感。 3. 焊接接头的应变时效敏感性锅炉在制造及安装过程中会存在应变，在运行状态下会对焊接接头产生应变时效，为考察不同焊接材料选用方式下T/P91+T/P92焊接接头的应变时效敏感性，依据GB 2665《焊接接头应变时效敏感性实验方法》进行焊接接头的应变时效敏感性试验。试验用母材为SA—387Gr.91CL2和SA—335P92，试件厚度为16mm，焊接方法为GTAW+SMAW。在焊接参数相同的情况下，分别采用低匹配焊接材料（试板编号为W1，SX1）和高匹配焊接材料（试板编号为W2，SX2）。W1和W2焊后进行755℃/8h消应力热处理，在焊缝位置取冲击试样，作为对比试样；SX1和SX2试板在经历755℃/8h消应力热处理后，在室温下进行5%的拉伸应变（见图3），再参考T/P91、T/P92的设计温度进行605℃/10h人工时效，并焊缝位置取冲击试样，为应变时效试样。冲击试验结果如图4所示。  图2 再热裂纹敏感性试验热处理曲线 从图4应变时效敏感性试验结果看，两种焊接材料选用方式下所获得的焊缝冲击韧性均良好，远高于标准及设计要求；在经历5%应变和605℃/10h人工时效后，焊缝冲击性能优异，且较未经过应变时效的焊缝，冲击吸收能量有了一定程度升高。说明T/P91+T/P92的焊接接头选用低匹配、高匹配两种焊接材料均对应变时效不敏感，可以满足锅炉运行工况下的要求。  图3 应变时效敏感性试验  图4 应变时效敏感性试验结果  图5 焊接接头高温性能试验结果 4. 焊接接头的高温性能试验T/P91、T/P92钢均用在电站锅炉的高温高压部件中，因此焊接接头的高温性能是十分重要的。高温性能试验用母材为T91、T92，在相同的焊接工艺条件下，分别采用低匹配和高匹配焊接材料，进行高温性能对比研究。同炉进行755℃/8h消应力热处理后，制取焊接接头高温拉伸试样，分别在500℃、550℃、600℃及650℃温度下进行了高温拉伸试验。 从图5可以看出，随着试验温度的升高，焊接接头的抗拉强度、屈服强度均随之降低。对比采用低匹配焊接材料焊接T/P91+T/ P92的焊接结构与采用高匹配焊接材料时，焊接接头的高温抗拉强度和屈服强度基本相同，均可满足电站机组运行工况要求。 5. 焊接接头的微观组织在高温性能试验的焊接试件上，制取焊接接头的微观试样进行组织观察，图6为采用低匹配焊接材料的T91+T92焊接接头各区微观组织照片，图7为采用高匹配焊接材料的T91+T92焊接接头各区微观组织照片。 从图6、图7可以看出，采用低匹配与高匹配焊接材料所焊接的T91+T92焊接接头，所获得的焊接接头各区组织均为回火马氏体组织，无任何异常组织出现。 6. 产品模拟件的焊接由上述试验结果可以看出，选用低匹配焊接材料焊接T/ P91+T/P92是可行的。为了验证这种焊材选用方式能否满足产品制造的相关标准要求，进行了产品模拟件的焊接。试验用母材为SA—335P91和SA—335P92大口径管，规格为φ356mm×52mm，采用GTAW+SMAW+SAW的组合焊接工艺，选用低匹配的焊接材料。焊后进行（755±15）℃/8h消应力热处理后，按照NB/ T47014《承压设备焊接工艺评定》的相关要求，对焊接接头进行拉伸、弯曲、冲击及宏、微观组织观察，各项试验结果均满足标准要求。  图6 低匹配焊接接头微观组织 图7 高匹配焊接接头微观组织 7. 结语试验结果表明，在T/P91+T/ P92焊接接头中，选用低匹配焊接材料获得的焊接接头，在冷裂纹敏感性方面更优于采用高匹配焊接材料获得的焊接接头，可以在生产实际中适当降低焊接预热温度，降低制造难度、改善生产条件。在这两种焊接材料选用方式下，T/P91+T/P92焊接接头对再热裂纹、应变时效均不敏感，可以满足焊接接头在高温、高压下焊接接头安全性要求；选用低匹配焊接材料时，焊接接头的高温抗拉强度、高温屈服强度与采用高匹配焊接材料时相当，均可以满足电站机组在高温运行工况下，对焊接接头的强度要求；在两种焊接材料选用方式下，焊接接头组织均为马氏体组织，无任何异常组织出现；选用低匹配原则的焊接材料，可以获得无缺陷、各项力学性能满足标准要求的焊接接头。 因此，按低匹配原则对T/ P91+T/P92焊接接头进行焊接材料的优化是合理可行的，焊接接头的各项性能均可满足标准及设计要求，其更加优异的抗裂纹敏感性不仅可以在一定程度上改善焊接工艺性，而且还会降低焊接材料成本和制造难度，为企业带来一定的经济效益。 参考文献： [1] 黄向红.P91钢焊接工艺及焊接技巧[J].金属加工（热加工），2011（4）：47-50. [2] 惠晓涛，傅育文.国产SA.182F92钢冷裂敏感性研究[J].锅炉技术，2009，40（1）：49-52. [3] 张忠文，等.焊接方法对T92钢焊接接头韧性的影响[J].热加工工艺，2007，36（3）：36-38. 作者简介：陈怡等，哈尔滨锅炉有限责任公司。 |
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