高溫再熱蒸汽管道P92鋼焊接缺陷分析

靳彤，王強，安洪亮，馮瑞，王新偉

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1 序言

P92鋼是20世紀(jì)90年代由日本新日鐵公司在P91鋼的基礎(chǔ)上通過增加W含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）至1.8%，減少Mo含量至0.5%而研發(fā)生產(chǎn)的，使其蠕變斷裂強度和使用溫度進(jìn)一步提高，具有低的熱膨脹系數(shù)，低成本的優(yōu)勢和優(yōu)異的綜合性能而成為新一代超超臨界電站機組的理想用鋼[1]。

P92鋼作為超超臨界機組應(yīng)用的新型耐熱鋼材料，常用于高溫、高壓主蒸汽管道等部件。它比其他鐵素體合金鋼具有更強的高溫強度和蠕變性能，可以減輕鍋爐和管道部件的質(zhì)量；同時這種材料的抗熱疲勞性、熱傳導(dǎo)系數(shù)和膨脹系數(shù)優(yōu)于奧氏體不銹鋼，且抗腐蝕性和抗氧化性能也很強。因而P92材料允許更高的運行參數(shù)（溫度、壓力），從而提高了機組的熱效率。

P92鋼管道的母材和焊接接頭都是馬氏體組織，其韌性較低，尤其是接頭微觀組織的不均勻性及由此引起的蠕變性能下降是其弱點[2]。因此，P92鋼的焊接難度大、工藝要求嚴(yán)格，P92鋼管道的焊縫缺陷多數(shù)是以微小裂紋類缺陷為主，易被忽視，留下重大安全隱患，其危害性往往較大。因此，準(zhǔn)確判斷缺陷的性質(zhì)，避免危害性缺陷的產(chǎn)生，是P92鋼焊接的關(guān)鍵。本文選取高溫再熱蒸汽管道P92鋼焊接缺陷的實例為對象，對其缺陷的類型、性質(zhì)及原因進(jìn)行了分析討論，為防止P92鋼管道焊接缺陷的產(chǎn)生提供了參考。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

某1000MW超超臨界機組，高溫再熱蒸汽管道材質(zhì)為：SA335-P92，規(guī)格為：φ890mm×70mm。機組設(shè)備安裝，管對接采用TIG+SMAW的焊接方法。焊接材料為鎢極氬弧焊絲ER90S-G、φ2.4mm和焊條E9018-G、φ3.2mm。

（1）化學(xué)成分 采用機械加工方法，自母材（管材）端部取樣，依據(jù)GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對10Cr9MoW2VNbBN（對應(yīng)SA335-P92）的要求[3]，對母材各項指標(biāo)進(jìn)行復(fù)驗，項目包括：化學(xué)成分、室溫拉伸及室溫沖擊。

母材化學(xué)成分分析結(jié)果符合G B/T 5310—2 0 1 7 《高壓鍋爐用無縫鋼管》中表3、表4 對10Cr9MoW2VNbBN（對應(yīng)SA335-P92）的成分要求。焊接材料為鎢極氬弧焊絲ER90S-G、φ2.4mm和焊條E9018-G、φ3.2mm。焊材產(chǎn)品說明書顯示均為熔敷金屬的化學(xué)成分例值，故進(jìn)行熔敷金屬化學(xué)成分檢測，焊絲和焊條的熔敷金屬化學(xué)成分檢測結(jié)果均與產(chǎn)品說明書例值基本相當(dāng)。母材及焊材化學(xué)成分檢測結(jié)果見表1。

（2）力學(xué)性能 沿母材橫向（圓周方向）截取φ 10m m圓棒試樣，分別進(jìn)行20℃、200℃、400℃、600℃的拉伸試驗，試驗結(jié)果全部符合GB/T 5310—2017的要求。隨著試驗溫度的升高，母材的屈服強度和抗拉強度呈降低趨勢；母材的斷后伸長率在400℃時處于較低水平，在600℃時大幅回升。拉伸試驗結(jié)果見表2。

表1 P92鋼管材及焊材化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)要求值對照（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 P92鋼管材的拉伸試驗結(jié)果

沿母材橫向（圓周方向）截取沖擊試樣（10mm×10mm×55mm），試樣采用標(biāo)準(zhǔn)的V型缺口。在室溫的環(huán)境下，測得三次沖擊試驗結(jié)果分別為103J、83J、73J，平均值為86J；GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求值為≥27J。沖擊試驗結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求值。

2.2 焊接工藝

焊接工藝采用GTAW+SMAW。鎢極氬弧焊絲為ER90S-G、φ2.4mm，焊條為E9018-G、φ3.2mm，主要焊接參數(shù)見表3，焊后熱處理曲線如圖1所示，管道焊接坡口形式如圖2所示。

表3 焊接參數(shù)

圖1 焊后熱處理曲線

2.3 試驗方法

首先采用數(shù)字超聲波檢測方法對P92鋼管道的焊口進(jìn)行無損檢測；其次對超標(biāo)缺陷部位進(jìn)行宏觀檢測；最后利用OLYMPUS GX51光學(xué)金相顯微鏡對缺陷的類型、組織特征進(jìn)行觀察。

圖2 管道坡口形式

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

（1）超聲波檢測結(jié)果 采用數(shù)字超聲波雙面雙側(cè)檢測方法對焊口進(jìn)行無損檢測，依據(jù)DL/T 820—2002《管道焊接接頭超聲波檢驗技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行，探傷采用B級檢驗級別[4]，并依據(jù)DL/T 868—2014《焊接工藝評定規(guī)程》進(jìn)行焊口質(zhì)量驗收，合格級別為I級[5]。檢測結(jié)果表明：焊口內(nèi)部存在三處斷續(xù)分布長度超標(biāo)缺陷（Ⅲ級），焊口質(zhì)量不合格。超標(biāo)缺陷標(biāo)記位置如圖3所示。

（2）宏觀檢驗結(jié)果 采用機械加工方法，沿焊縫橫截面解剖，對三處超標(biāo)缺陷進(jìn)行觀察，缺陷在不同截面上形態(tài)和深寬位置并不一致，無明顯的分布規(guī)律，顯示為孤立點狀缺陷，缺陷位置具有隨機性和斷續(xù)性，與超聲波檢測結(jié)果相吻合，如圖4所示。

（3）微觀檢驗 通過對缺陷進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)缺陷類型為裂紋、氣孔和夾渣，缺陷類型的微觀形貌如圖5所示。缺陷呈斷續(xù)、錯位式分布，在一定范圍內(nèi)斷續(xù)分布長度超標(biāo)，在裂紋、氣孔及夾渣中都發(fā)現(xiàn)了氧化物。

在接頭截面上進(jìn)行組織觀察，檢測區(qū)域依次為近外表面、1/4壁厚、1/2壁厚、3/4壁厚、近內(nèi)表面，不同厚度位置的金相組織未見明顯差異，焊縫及熱影響區(qū)中均未見裂紋、無過熱組織、無淬硬馬氏體組織，焊縫金相組織為回火索氏體，仍保持原馬氏體位向特征，未見明顯δ-鐵素體。微觀金相檢驗結(jié)果符合DL/T 868—2014要求。焊縫金相組織形貌如圖6所示。

圖3 超標(biāo)缺陷標(biāo)記位置

圖4 超標(biāo)缺陷在焊縫中的位置示意

圖5 焊縫中超標(biāo)缺陷類型

圖6 焊縫金相組織形貌

3.2 結(jié)果分析與討論

1）P92鋼焊接的常見缺陷類型有夾渣、未熔合和裂紋，超標(biāo)氣孔缺陷較為少見，氣孔缺陷的產(chǎn)生一般與電弧周圍生成的H2和CO等有關(guān)。焊縫中氣孔斷續(xù)分布長度超標(biāo)，主要與安裝現(xiàn)場條件較差、焊接工藝執(zhí)行不到位等因素有關(guān)。

2）厚壁P92鋼焊接坡口角度較小，在焊接順序不合理的狀況下，很容易在坡口等位置出現(xiàn)尖角或夾溝[6]，造成層間打磨難度較大，易產(chǎn)生夾渣等缺陷。因此，坡口熔合線及焊道間圓滑過渡能夠減少焊縫中出現(xiàn)死角、夾溝等，有效避免夾渣的形成。同時在焊接過程中，必須重視層間清渣工作，防止夾渣缺陷的產(chǎn)生。

3）P92鋼焊縫中易出現(xiàn)微小裂紋缺陷，主要是焊接過程中焊條收弧時產(chǎn)生的弧坑裂紋[7]。P92鋼管道的焊縫中出現(xiàn)的裂紋，主要與焊接熱輸入過大、預(yù)熱不足及收弧質(zhì)量不良等因素有關(guān)，尤其收弧不良，形成弧坑，焊縫凝固收縮后期，液態(tài)金屬補充不足，將引發(fā)微裂紋，即弧坑裂紋。焊接熱輸入過大、預(yù)熱不足均將造成焊縫區(qū)域應(yīng)力過大，焊條焊接時，采用擺動快速薄層的運條方式，焊條的擺動寬度范圍控制在8～10mm，焊層厚度＜2.5mm，收弧點保證液態(tài)金屬填滿弧坑，可有效降低弧坑裂紋發(fā)生的風(fēng)險。

4） P92鋼焊接接頭的強度及韌性是評價焊接接頭質(zhì)量的重要方面，較大的焊接熱輸入可以導(dǎo)致P92鋼焊接接頭性能變差，尤其焊縫的沖擊韌性，即便是通過焊后的高溫回火，也很難使得焊縫的韌性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。合理的焊接熱輸入對焊口的質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用，在焊接工藝允許的范圍內(nèi)，采用較小的焊接熱輸入，有效控制層間溫度，并嚴(yán)格按照工藝要求進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理，能夠有效保證焊縫的各項性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語

1）再熱蒸汽管道P92鋼焊縫中超標(biāo)缺陷與焊接工藝控制不嚴(yán)格有關(guān)，均屬焊接缺陷，類型為斷續(xù)、錯位式分布的裂紋、氣孔和夾渣。

2）厚壁P92鋼管道的焊接，采用合理的焊道布置、較小焊接熱輸入、快速擺動運條方式、提高焊條收弧質(zhì)量等手段，可有效降低焊接缺陷發(fā)生的風(fēng)險。

3）P92鋼淬硬傾向較大，焊口強制組對、焊接冷速過大、熱處理不及時等情況下，焊縫易產(chǎn)生冷裂紋，嚴(yán)格控制焊接熱輸入、層間溫度、做好預(yù)熱及焊后熱處理等，可有效降低冷裂風(fēng)險。