SA-335P92管道焊接工艺研究

1前言随着电力工业的发展和全球对环境问题的日益关注，节约一次能源，加强环境保护，减少有害废气排放，降低地球温室效应已引起国内外的高度重视，高参数、大容量、超临界和超超临界机组已成为火电发展的必然趋势。但这要求钢材在更高温度下保持高强度，否则必然显著增大管道壁厚，提高成本，增强工艺复杂性和施工难度，并对锅炉的安全运行造成威胁。因此,提高钢材耐高温和耐高压很关键,近些年在火力发电厂多采用SA-335P92马氏体耐热钢，虽然SA-335P92多用于发电厂,但由于SA-335P92属于马氏体钢,而马氏体的特点就是硬而脆,它是在铁素体的基相上过饱和的固溶了碳和其他合金金属,焊接时形成的熔池就像金属冶炼一样,只不过要小一些,所以冷却速度更快,根据CCT图可知如果在焊接过程中不采取相应的工艺措施更容易形成脆硬的马氏体组织,虽然SA-335P92钢中C、S、P含量低、纯净度较高，但合金含量在10％以上，属低蠕变强度。高合金钢，冷裂纹倾向。同时焊缝温度过低或焊缝熔池金属流动性较差时，焊缝金属将出现成分不均匀问题，即引起偏析；焊缝熔池温度过高造成焊接接头过热区晶粒粗大，也会引起脆化。焊接接头在经受焊接热循环的高温时，尤其是过热区温度超过1100℃，晶粒长大较快。此外，P92钢合金成分含量较高，在空气中冷却可形成粗大马氏体,导致焊接接头脆化.焊接材料的选用不当也会引起焊接接头性能的下降.因此SA-335P92管道焊接工艺有很大的重要意义[9]。可以完善其焊接工艺使得SA一335P92的焊接工艺更加良好,更好的为实际生产服务。日前，美日德等工业发达国家对SA-335P92马氏体钢焊接工艺进行了系统的研究，他们通过在9Cr1Mo钢中加入少量的V、Nb等元素，运用其固溶和弥散强化理论，研究了P91钢[2]，其性能得到基本的改善具有高的抗氧化性能和高温持久性能，但是p91刚的极限温度不是很高，不能满足现在的电力发展的需求，因而开发了性能更好的p92马氏体钢，但其焊接工艺不好，其焊接工艺成为了大多数国家的研究方向。我国对SA-335P92管道焊接工艺研究也很多，哈尔滨锅炉厂有限责任公司通过铁研试验及热模拟试验等对锅炉用SA-335P92钢的焊接性进行了研究，通过一系列的实验大大的改进了其焊接工艺，但随着全球越来越关注环保和资源的节约利用，优化其焊接工艺还会继续。虽然SA-335P92钢综合性能不是特别的好,但是P92钢在高温环境的性能却很好,比其他铁素体合金钢具有更强的蠕变性能和高温强度,它的抗氧化性和抗腐蚀性能和其他含有9%Cr的铁素体钢等同。由于P92钢具有较高的蠕变性能，因而可以减轻锅炉和管道部件的重量。其抗热疲劳性强于奥氏体不锈钢，而且P92钢的热传导和膨胀系数远好于奥氏体不锈钢。因此，研究SA-335P92钢管道焊接工艺有其重要的意义。2SA-335P92钢的成分及性能2.1化学成分(见表2-1)SA-335P92钢是在SA-335P1钢的基础上适当降低了Mo元素的含量，同时加入了一定量的W,将材料的钼当量（Mo+0.5W）从P91钢的1%挺高到约1.5%，该钢还加入了微量的硼。对成分做了进一步的改进，采用复合多元的强化手段，形成W-Wo复合固溶强化，加入少量的N形成了间隙固溶强化。保证了与P91具有相同抗氧化性和抗腐蚀性能[7]，形成一种新型的钢种，这就是SA-335P92马氏体钢，由表2-1可知SA-335P92钢中的C、S、P含量低、纯净度较高，但合金含量在10%以上，属于高合金钢。表2-1SA-335P92钢的化学成分（%）成分CSiMnSPCrMoVNbNNiALBW标准0.07～0.13≤0.500.30～0.60≤0.010≤0.0208.8.50～9.500.30～0.600.0.15～0.250.04～0.090.0.030～0.070≤0.40≤0.0400.001～0.0061.50～2.00试验用钢管0.1000.1600.510.00600.0149.2300.4600.2000.0500.04100.1600.0060.00211.720由上面的表2-1可以看出，SA-335P92马氏体钢中合金元素含量很多，有一些元素对P92钢的各个力学性能有坏处，这些杂质元素是由于冶金因素导致存在于钢中的，比如S、P元素。然而钢中大多数元素比整个钢性能起着至关重要，比如钢中的Cr、Mo、Nb等元素。铬元素的存在可以提高P92耐热钢的抗氧化性能和耐腐蚀性能；同时也能够提高钢的高温持久强度和蠕变强度，Cr能强化α固溶体，固溶于基体中起固溶强化作用，改变碳化物的析出形态和类型，Cr元素还能增加α固溶体中的晶格畸变和晶格内原子键力以提高再结晶温度；钼的作用是提P91高耐热钢高温强度的重要固溶强化元素；铌元素存在于P91钢中可以有效细化焊缝的晶粒，使其粗化温度提高。也能提高焊缝蠕变强度。说明钢中的元素的会对钢的性能有很大的影响。2.2室温力学性能(见表2-2)表2-2SA-335P92钢的室温力学性能[6]σs(Mpa)σb(Mpa)δ(%)硬度HB≥440≥620≥20≤250SA-335P92钢与SA-335P91相比具有更高的高温持久性能，可在更高的运行参数（压力、温度）下使用，主要用于高参数的超临界锅炉集箱、管道。SA-335P92钢属于马氏体钢,马氏体钢的特点就是硬而脆,这是由于合金元素较多,相对于合金元素的过饱和,导致晶格发生了一定变形,从表2-1来看,SA-335P92中Cr的含量为8.50%～9.50%,Mo含量0.30%～0.60，与其他的Cr-Mo耐热钢相比较，SA-335P92钢耐氧化性和高温腐蚀性能与9%Cr钢比较相似，由表2-2可以看出，SA-335P92钢的屈服强度大于等于440Mpa，抗拉强度大于等于620Mpa，其高温强度和蠕变性能得到了进一步的提高。SA-335P92钢的伸长率大于等于20%，一般δ5%的材料称为塑性材料，因而SA-335P92钢有一定的塑韧性，SA-335P92钢的硬度小于等于250HB，因此它有一定的硬度。就如对SA-335P92钢的化学成分的分析，由表2-1可以直接得出，P92钢的合金含量高达10%以上，直接说明了P92钢具有高的强度。总体来说力学性能不是很好，在其焊接过程要注意焊接的不利影响，使焊后试件各部分有力学性能分布较均匀。2.3高温力学性能SA-335P92钢之所以在高温下能保持较好的高强度和耐热性，主要由SA-335P92钢的化学成分决定的，成分决定性能。SA-335P92钢高强度的表现，由表2-1可知，合金元素较多，合金含量达10%以上，属于高合金钢，因此焊接冷却后就会形成马氏体组织，马氏体组织的特点就是强度高，除此之外，还有其他原因使SA-335P92钢在高温下表现出高强度：（1）SA-335P92钢中含有微量的Ni、Mo、W元素，Ni可以稳定基体，Mo、W可以起到固溶强化作用，提高了分子间的结合力[13]。（2）SA-335P92钢中含有强碳化物元素Nb、V等，可以形成稳定的第二相，主要是碳化物相，比如MC、M6C、或M23C6。（3）SA-335P92钢中含有微量的硼元素，强化了晶界。P92钢中Cr元素含量为8.50%～9.50%，能在钢的表面形成钝化膜，同时P92G钢中还含有Si、Al元素，也可形成致密完整的氧化膜而防止继续发生氧化。使SA-335P92钢具有一定的抗氧化和耐腐蚀的性能[13]。对于在高温下使用的设备,仅仅考虑常温下的力学性能显然不够的。这是因为温度对材料的力学性能影响很大。比如在一些在高温长期使用的设备，虽然承受的应力小于该工作温度下材料的屈服强度，但在长期使用过程中会产生缓慢而连续的塑形变形，即蠕变现象。从而影响其高温力学性能。影响SA-335P92钢高温力学性能的因素很多，由蠕变变形和断裂机理可知，要提高SA-335P92钢的高温力学性能，就应控制晶内和晶界的原子扩散过程。这种扩散过程主要取决合金的化学成分，并与冶炼工艺、热处理工艺等因素模切相关[13]。合金化学成分的影响：在基体金属中加入铬、鉬、钨、铌等合金元素形成单相固溶体，除了产生固溶强化作用，还可以增大扩散激活能，从而提高了蠕变极限。冶金工艺的影响：由于SA-335P92钢对冶金工艺要求较高，虽然S、P很少，但若在晶界偏析，会导致境界弱化，而使热强性急剧下降，并增大蠕变脆性，从而使SA-335P92钢高温力学性能下降。晶粒度的影响：晶粒大小对SA-335P92钢的高温力学性能影响很大，当焊接后在高温所处时间过长时，就会使晶粒粗大，降低高温下的塑性和韧性，从而降低高温力学性能。2.4物理性能SA-335P92钢属于马氏体钢，因此它具有马氏体的通用性质，即硬而脆，热导率λ约为碳钢的1/2，奥氏体钢的比容略小于马氏体钢，而P92钢的体膨胀系数仅为奥氏体钢的1/2。有些物理参数随着温度的变化也不断的发生变化，具体变化情况见表2-3。表2-3SA-335P92钢的主要物理性能温度℃℉207050120100210150300200390250480300570350660400750450840弹性模量GPa103ksi19127.7-18426.6-18426.6-17325.1---平均线膨胀系数10-6/℃10-6/℉-11.26.211.46.311.66.411.86.512.06.712.16.712.36.812.67.012.87.1比热容量J/kgK4204204304504604704805005105303SA-335P92钢焊接性分析SA-335P92钢焊接性主要取决于它的化学成分和组织形态。随着钢材的强度级别的提高和合金元素的增加，焊接性也随之发生变化。3.1工艺焊接性分析3.1.1热影响区的软化P92钢的原始状态为正火+回火状态,正火温度为1050℃,回火温度760℃[6],在焊接过程中焊接热影响区的温度T如果在T回TAc1这个范围之内就会产生软化,具体原因是SA-335P92马氏体钢焊接时其热影响区承受在Ac1----Ac1之间的不完全正火区的组织会发生部分的奥氏体化处于这个区间的金属碳化物沉淀强化相不能够完全的溶解，未溶解的碳化物沉淀强化相在随后的热处理过程中由于温度的原因导致晶粒长大，因而导致这一区域的强度降低，从而形成软化区，在情况很不好的情况下会在软化区出现裂纹，降低SA-335P92马氏体钢的蠕变强度。焊接热影响区的软化程度与所用的焊接规范有一定的关系，比如焊后热处理、预热等。焊接热输入大，，软化区就增大，因而焊接时应严格限制焊接的热输入。从而可以和好的减小软化区宽度。3.1.2焊接热裂纹焊接热裂纹主要有结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹三种，多边化裂纹主要发生在纯金属及单相奥氏体合金中，因而SA-335P92马氏体钢则有可能产生结晶裂纹。结晶裂纹由于SA-335P92钢中含有S、P等低熔点形成元素。从金属结晶理论可以知道，先结晶的金属较纯，后结晶的金属杂质较多，并富集与晶界。一般来说，这些S、P等杂质所形成共晶熔点较低，因而焊接后，在焊缝金属凝固的后期，低熔点共晶就被排挤在柱状晶交遇的中心部位，形成所谓的“液态薄膜”，在焊后冷却过程中由于收缩而受到拉应力，这时焊缝薄膜就成为薄弱地带。在拉伸应力的作用下就有可能在这个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹。其他因素的影响也可能影响结晶裂纹的产生，SA-335P92钢中所含合金元素较多，每种元素的影响不一样，影响十分的复杂，前面所说的S、P杂质元素在SA-335P92钢中极易造成偏析，对结晶裂纹比较敏感，SA-335P92钢中含有Mn、Si、Ni元素，其中Mn具有脱硫的作用，能置换FeS为MnS，同时也能改善硫化物的分布状态，使薄膜状FeS改变为球状分布，从而提高了焊缝的抗裂性[14]。因而钢种碳含量的不一样，Mn/S的比值也就不一样，含碳量的增加，则Mn/S的比值也应随之增加，SA-335P92钢中碳含量为0.1%，硫含量为0.006%，锰含量为0.51%，由C≥0.1%时，Mn/S≥22，而SA-3