P91与P92钢的化学成分和性能特点

1 P92钢的化学成分和性能特点 根据国外资料介绍,P92钢的化学成分和组织性能具有以下特点: 1.1 SA335-P92钢是在P91钢的基础上添加W元素,适当减少MO元素的含量,开发出来的一种新型钢种。其化学成分见表1。 表1:SA335-P92钢化学成分(%) C MnPSSiCrWMoVNbNBAlNi 0.07 ~ 0.130.30 ~ 0.60≤ 0.020≤ 0.010≤ 0.508.50 ~ 9.501.50 ~ 2.000.30 ~ 0.600.15 ~ 0.250.04 ~ 0.090.030 ~ 0.0700.001 ~ 0.006≤ 0.040≤ 0.40 1.2 P92钢的主要性能 (1)具有良好的物理性能 P92钢的线膨胀系数与P91钢相同,比奥氏体钢低,甚至还低于P22钢的线膨胀系数,故P92钢在机组启动和停止时,抗疲劳损伤的能力不仅会优于奥氏体钢,也会比P22钢强,导热率与P91钢相同,比奥氏体钢高。 (2)具有比P91钢更高的高温蠕变断裂强度 P92钢的常温强度和高温强度高于P91钢。根据各国测试结果,按照ASME估算出来的550℃、600℃和625℃等不同温度下10万小时P92钢的蠕变断裂强度分别为199MPa、131MPa和101MPa;而P91钢在相应温度下的蠕变断裂强度分别为141MPa、98MPa和68MPa。可以明显地看到P92钢的高温蠕变强度比P91钢高出很多。 (3)具有优异的常温冲击韧性 P92钢不仅具有比传统钢明显优越的高温性能,而且还有优异的常温韧度。它和P91钢的 情况大致相同。 (4)具有优良的抗氧化性能 P92钢的抗烟灰氧化和抗水蒸气氧化的性能与P91钢大致相同。经测试,P92钢与P91钢在600℃、700℃下3000小时的水蒸气氧化皮厚度大致相同。 2 P92钢的焊接性 2.1 焊接裂纹敏感性比传统的铁素体耐热钢低 从斜Y拘束试验测试图中,可以看出P92钢只需预热到100℃,P91钢需要预热到180℃裂纹率为零,而P22钢需预热到300℃才能达到。 2.2具有较明显的时效倾向。 P92钢经3000小时时效后,其韧性下降了许多。P92钢的冲击功从时效前的220J左右降到了70J左右,在3000小时时效以后,冲击功继续下降的倾向不明显,冲击功将稳定在时效3000小时的水平。时效倾向发生在550~650℃的范围内,这个温度范围正是该钢材的工作温度范围。母材具有明显的时效倾向,与母材成分相近的焊缝也会有同样的倾向。 2.3焊缝韧性低于母材的原因 焊缝金属韧性不及母材的原因,在于焊缝金属是从温度非常高的熔融状态冷却下来的铸造结构,它没有机会经过TMCP过程(Thermal-Mechanical Control Process)即热控轧加工过程,晶粒得不到细化,Nb等微合金化元素还固熔在基体内,没有机会充分析出的缘故。 2.4 尽管P92钢开发出来已经有20多年了,但在国外大规模应用的业绩并不是太多,在国内刚开始应用。焊接接头是影响机组运行安全的最薄弱环节,由于P92钢合金元素含量高,焊接上有较大的技术难度,容易出现接头冲击功低和长期运行中的IV型开裂早期失效,如果焊接质量得不到保证,P92的优势将不复存在,并对机组运行安全性带来威胁。 3 P92钢大口径厚壁管道焊接的主要问题 由于P92钢具有明显的时效倾向,与母材成分相近的焊缝也会有同样的倾向。为了避免焊缝金属时效后韧性过低,提高焊缝金属时效前的原始韧度,为时效留出一定的余量,是P9 2钢大口径厚壁管道焊接的主要问题。围绕提高焊缝韧性这个关键问题,我们从焊材的选择、焊接中的预热、层间温度、焊接热输入量(表现为每层焊道的焊缝增高厚度)、热处理温度和时间等方面展开了研究,从大量的试验数据中寻找影响焊缝韧性的因素,编制提高焊缝韧性的最佳工艺,从而为保证SA335-P92钢工厂化配管焊接质量打下扎实的基础。 4 P92钢焊接材料的选择与试验 4.1 伯乐-蒂森公司出品的P92钢焊接材料试验情况 4.1.1 伯乐—蒂森MTS616/MARASON543 焊丝/焊剂组合埋弧焊熔敷金属堆焊试验情况 预热温度:200℃预热方法:火焰加热 层间温度:200℃~280℃测温方式:采用点温仪在中部测温 焊后消氢处理:300℃X2h 加热方法:电阻加热片焊接顺序:首先采用MTS—616焊条(φ4)手工电焊堆焊三层隔离层,厚度:5~6mm。 SAW-堆焊层:焊丝规格Φ3mm,堆焊厚度约32mm,共焊10层16道。 堆焊焊接参数如下: I=450~460A U=30~31V V=400~410mm/min 焊丝/焊剂组合埋弧焊熔敷金属拉伸试验结果见下表: SAW熔敷金属常温、高温拉伸性能试验结果(PWHT:750℃*5h) 试验温度σs(Mpa)σb(Mpa)d5(%)f(%)备注 室温53062017保证值 室温59577524.568.5 室温65076521.565.5 600℃42544012.581 600℃3954152184 四种回火条件下的P92自动焊熔敷金属冲击功 焊接方法规格(mm)PWHT ℃*hAkv (J)平均值(J)试验温度(℃) SAWΦ3 750X525 31 20 27 40 760X464 51.5 20 39 765X43847.520 57 775X4587120 84 SAW熔敷堆焊金属化学成份分析结果表明:各化学元素含量均在标准规定的范围内。 4.1.2伯乐—蒂森MTS616 φ3.2和φ4焊条熔敷金属堆焊试验情况 预热温度:200℃预热方法:火焰加热 层间温度:200℃~300℃测温方式:采用点温仪在中部测温 焊后消氢处理:300℃X2h 加热方法:电阻加热片 焊条规格Φ3.2mm,堆焊厚度:32mm,共焊15层76道。 堆焊焊接参数如下: I=120A U=23~25V V=130~150mm/min 焊条规格Φ4.0 mm,堆焊厚度:32mm,共焊12层54道。 堆焊焊接参数如下: I=150A U=23~25V V=130~150mm/min 手工后焊熔敷金属力学性能试验结果见下表: P92手工焊熔敷金属拉伸试验结果(PWHT:760℃*4h) 焊条规格试验温度σs(Mpa)σb(Mpa)d5(%)f(%) Φ3.2焊条常温5857252261.5 600℃30034025.581.5 Φ4.0焊条常温61575020.560 P92不同回火条件下手工焊熔敷金属冲击功 规格(mm)PWHT ℃*hAkv (J)平均值(J)试验温度(℃) Φ3.2焊条760X4747020 66 765X4484620 44 775X4637920 95 Φ4.0焊条760X45555.520 56 765X44747.520 48 775X45758.520 60 SMAW熔敷堆焊金属化学成份分析结果表明:各化学元素含量均在标准规定的范围内。4.2 奥林康公司出品的P92钢焊接材料性能 焊条牌号:AL CROMOCORD 92(符合AWS SFA-5.5 E9018-G) 规格:φ3.2 焊条类别:碱性焊条,焊后焊缝具有很高的抗高温蠕变性能,工作温度可达到600℃。 焊缝金属的化学成分(典型标准值): C SiMnCrMoCoVNbNWBAlCu 0.10.31.090.51.00.20.050.041.70.003<0.01<0.05 焊缝金属的机械性能(热处理工艺为760℃保温4小时,然后炉冷): 抗拉强度(MPa)屈服强度(MPa)延伸率(%)V型冲击功(20℃,J) 7806401965 焊接电流:85-130A 烘干工艺:300-350℃烘干2小时 结合国内其他兄弟单位完成的P92焊接工艺试验得到的经验,我们认为以上两家公司出品的P92钢焊接材料可用于P92钢工厂化加工,但应严把焊材进货质量关,在有条件的情况下,应要求供货单位提供每批P92焊材的熔敷金属Ac1点的测试。 5 P92钢管工厂化配管焊后热处理工艺研究 5.1 焊后热处理工艺方法的选择 工厂化配管焊后热处理可采用整体热处理和局部热处理两种工艺方法,而局部热处理通常是采取包扎电阻加热带的方法完成。以前完成的P91钢管焊接工艺评定经验告诉我们:对P9 1等高合金钢来说,现场通常采用的远红外电阻加热法进行局部焊后热处理的工艺,由于内外壁温差大,难以满足工厂化配管的焊接质量要求,必须采取整体热处理的措施。5.2 焊后热处理工艺参数的选择 通过分析不同的焊接材料供应商提供的焊后热处理工艺参数,我们采用了四种温度进行焊后热处理试验,以便寻找最优的P92工厂化配管加工热处理: 不同的焊后回火参数下得到的P92焊缝冲击功如下表: P92熔敷金属(MTS616焊材)冲击吸收功对比表 焊接方法手工焊φ3.2手工焊φ4.0自动焊φ3.0 线能量12.8KJ/cm13.8KJ/cm21.6KJ/cm 焊接层/道数15层76道12层54道10层16道 温度×时间回火参数P平均冲击吸收功(J) 750℃×5h 21.2 ————31 760℃×4h 21.3 70 55.5 51.5 765℃×4h 21.4 46 47.5 47.5 775℃×4h 21.6 79 57.5 71 回火参数按Larson-Miller公式计算: P=(273+T)*(20+Lgt)*0.001 上式中T:温度℃,t:时间小时 从上表可以看出: a)对手工焊来说,φ3.2焊条共焊15层76道,平均每层焊肉厚度为2.0mm;φ4.0焊条共焊12层54道,平均每层焊肉厚度为2.5mm。当回火参数取为21.3~21.6时,熔敷金属冲击功均可满足最低41J的要求。φ3.2与φ4.0焊条相比,φ3.2焊条所得焊缝的冲击功更好(平均高15J)。 b)对自动焊来说,φ3.0焊丝共焊10层16道,平均每层焊肉厚度为3mm。当回火参数在 21.3~21.6之间变化时,焊缝冲击韧性均可满足最低41J的要求,随回火参数的增加,冲击功相应增加,最高可达70J,比φ3.2焊条低,但比φ4焊条高。 C)一般认为,焊接输入线能量的高低对焊缝冲击功影响很大,但经过合适的PWHT处理以后,较高的线能量和较低的线能量相比,所得结果基本相当,说明埋弧自动焊的工艺方法完全适用P92钢的焊接。 综上所述,对工厂化配管的P92焊缝来说,手工焊应尽量选用φ3.2的焊条;焊后热处理的回火参数取21.3~21.5较为妥当,但最佳回火参数为21.5,考虑到焊后热处理的最高温度不能超过P92焊接材料的Ac1温度,决定实际生产中取用的热处理温度770℃。 6 工程应用 本项目的成果已应用在华电国际邹县发电厂四期工程2X1000MW超超临界机组和外高桥第三发电厂2X1000MW超超临界机组。其中邹县电厂四期工程P92钢管道工厂对接焊接接头数量见下表,这些接头大部分是采用氩弧焊打底+手工电弧焊+埋弧自动焊工艺技术,经检验质量全部合格。投运半年来,未发现质量问题。 表:邹县电厂四期工程P92钢管道工厂对接焊接接头数量 序号系统规格7#机数量8#机数量 1主汽ID381X77.9023135 2主汽高旁ID254X53.3911919 3VV阀后ID254X26.03566 4VV阀前OD273X4022 7 总结 7.1研究结果表明,焊接工艺中层间温度、焊道层的厚度以及热处理温度对SA335-P92钢的焊接接头韧度都有影响。其中,焊道层的厚度和热处理温度对焊缝韧度影响尤为明显,必须引起足够的重视。手工焊操作时采用宽摆快速薄层焊接操作运条法,控制每道焊层的增厚≤2.5mm,有利于确保焊缝冲击功>41J;自动焊操作时应适当加快焊接速度,控制每道焊层的增厚≤3.0mm,有利于确保焊缝冲击功>41J; 7. 2试验证明,P92钢合理的回火参数范围应为21.3~21.6,能保证焊缝的韧性满足最低要求,但最佳焊接回火参数为21.5,这相当于750℃×10小时或760℃×6小时或770℃×4小时的热处理作用效果,从提高效率、降低成本的角度出发,最合适的热处理温度应取770℃。更高的回火参数是否会对焊接接头产生不良影响未经试验论证,但焊后热处理温度上限不得超过焊接材料的Ac1温度点. 7.3.对工厂化配管加工来说,不适宜采用远红外电阻加热设备对大口径厚壁高合金钢管进行局部热处理,由于内外壁温差较大(经验表明:壁厚90mm的管道采用远红外电阻加热时,内壁温度比外壁温度低30℃以上),内壁焊缝将无法满足最低韧性要求,而采用整体进大炉热处理的方法则不存在类似问题。