P92鋼集箱對(duì)接焊縫缺陷分析和修復(fù)

蔣林弟

摘? ?要：隨著火力發(fā)電機(jī)組不斷向高參數(shù)、大容量和節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展，P92鋼越來(lái)越普遍應(yīng)用于超超臨界機(jī)組的主蒸汽管道、鍋爐過(guò)熱器和再熱器集箱等關(guān)鍵部件。該文針對(duì)某電廠1 000 MW超超臨界機(jī)組P92鋼集箱焊縫存在不同程度超標(biāo)缺陷的情況，經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種影響因素分析以及相應(yīng)的檢測(cè)檢驗(yàn)，找出缺陷產(chǎn)生的原因，提出針對(duì)性的修復(fù)方案，對(duì)焊縫進(jìn)行徹底的消缺處理，最終返修焊口和后續(xù)的P92鋼焊口全部合格，使焊接質(zhì)量得到有效控制。

關(guān)鍵詞：P92鋼;對(duì)接焊縫;缺陷分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TG441? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

P92鋼是以9Cr-0.5Mo-1.8W為主要成分，添加定量的強(qiáng)碳化物形成元素V、Nb，嚴(yán)格控制B、N含量而得到的新型馬氏體耐熱鋼，是蒸汽溫度580℃～620℃的超超臨界機(jī)組高溫受熱面和主蒸汽管道等關(guān)鍵部件的首選材料[1]。P92鋼屬低碳細(xì)晶強(qiáng)韌性熱強(qiáng)鋼，高溫強(qiáng)度高，具有優(yōu)異的高溫蠕變性能和優(yōu)良的抗氧化性能，熱物理參數(shù)也有很大優(yōu)勢(shì)。在焊接特性方面，P92鋼存在一定的焊接裂紋敏感性，具有明顯的淬硬傾向;具有明顯的時(shí)效傾向;P92鋼焊縫沖擊韌性偏低;P92鋼對(duì)焊接和熱處理規(guī)范參數(shù)非常敏感，對(duì)焊接熱輸入的控制、對(duì)預(yù)熱和層間溫度的控制要求都比較高。因此，P92鋼的特性決定了其焊接施工中必須嚴(yán)格執(zhí)行經(jīng)評(píng)定合格的焊接和熱處理工藝，才能確保獲得性能優(yōu)良的焊接接頭。

某電廠新建1 000 MW超超臨界鍋爐P92鋼集箱焊接期間，檢查發(fā)現(xiàn)部分集箱對(duì)接焊縫存在較多的超標(biāo)缺陷，經(jīng)過(guò)缺陷焊縫現(xiàn)場(chǎng)解剖和對(duì)各種影響因素的深入分析以及相應(yīng)的檢測(cè)檢驗(yàn)，找出缺陷產(chǎn)生的原因，提出有針對(duì)性的修復(fù)技術(shù)方案，對(duì)焊縫進(jìn)行徹底的消缺處理，以確保鍋爐集箱安全、可靠的運(yùn)行。

1? P92鋼焊接概況

該1 000 MW超超臨界機(jī)組塔式鍋爐水壓范圍內(nèi)P92鋼焊口主要分布于高溫過(guò)熱器、高溫再熱器和屛式過(guò)熱器等高溫部件的出口集箱，在焊接施工期間，對(duì)已完成的P92鋼焊口進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分焊口存在較多的超標(biāo)缺陷，初步判定為面積型缺陷：層間夾渣、氣孔等。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)缺陷焊縫車(chē)削解剖后，結(jié)果顯示缺陷多數(shù)為夾渣紋、弧坑裂紋和氣孔。缺陷發(fā)生的部位在坡口根部15 mm～20 mm以上和接近焊縫表面約20 mm以下區(qū)域，沿焊縫整個(gè)周長(zhǎng)斷續(xù)或連續(xù)分布。

2 原因分析

2.1 材料因素分析

2.1.1 原材料情況分析和檢驗(yàn)

集箱原材料P92鋼母材經(jīng)過(guò)表面質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量檢查以及金相和硬度檢驗(yàn)，符合相關(guān)規(guī)范要求;集箱上的設(shè)備焊口出廠前經(jīng)第三方檢測(cè)確認(rèn)合格;P92鋼焊接材料，各個(gè)批號(hào)的焊材質(zhì)保書(shū)入場(chǎng)前已經(jīng)驗(yàn)收確認(rèn)，并進(jìn)行了外觀質(zhì)量及標(biāo)識(shí)檢查，焊材的復(fù)驗(yàn)報(bào)告也符合要求;確認(rèn)原材料合格。

2.1.2 P92鋼合金含量的影響

從P92鋼材料成分看，合金含量在10%以上，合金含量高，焊接熔池黏度高，容易產(chǎn)生氣孔、夾渣和未焊透等工藝缺陷;此外，P92鋼含有的鎢元素（1.8%）熔點(diǎn)較高，容易在收弧處富集，如果操作不當(dāng)容易形成夾渣和弧坑裂紋。

2.2 工藝因素分析

2.2.1 焊前預(yù)熱和層間溫度控制

P92鋼具有明顯的淬硬傾向，焊前預(yù)熱可有效防止焊縫產(chǎn)生冷裂紋。但是預(yù)熱溫度過(guò)高或過(guò)低均會(huì)對(duì)焊接接頭產(chǎn)生不利影響，過(guò)高則焊縫晶粒長(zhǎng)大變脆沖擊韌性降低，過(guò)低則容易產(chǎn)生夾渣[2]?，F(xiàn)場(chǎng)P92鋼焊接預(yù)熱時(shí)，大口徑厚壁管內(nèi)外壁溫差很大，焊前預(yù)熱的溫度范圍又比較苛刻，外壁達(dá)到預(yù)熱溫度，內(nèi)壁往往還沒(méi)達(dá)到，預(yù)熱溫度偏低容易使焊縫產(chǎn)生氣孔和夾渣;而層間連續(xù)施焊時(shí)，溫度急劇升高，層間溫度很容易超過(guò)規(guī)定的上限，過(guò)高的層間溫度使焊縫金屬高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，晶粒長(zhǎng)大變脆，焊接接頭沖擊韌性降低，也是產(chǎn)生裂紋的一個(gè)主要因素。

2.2.2 焊接規(guī)范參數(shù)

P92鋼焊接規(guī)范參數(shù)要求小線能量、多層多道、寬擺薄層焊，控制焊接熱輸入對(duì)保證P92鋼焊接接頭沖擊韌性至關(guān)重要。但是如果焊接過(guò)程控制不當(dāng)，造成焊接電流過(guò)小，使焊接熔池溫度偏低，鐵水黏度大，流動(dòng)性差，易產(chǎn)生未焊透、夾渣等焊接缺陷[3]。

2.2.3 焊工技能欠佳和執(zhí)行工藝不嚴(yán)

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)缺陷焊縫解剖情況看，焊縫中產(chǎn)生氣孔、夾渣和弧坑裂紋，主要是由于焊工實(shí)際焊接時(shí)，多層多道焊操作技能不佳、焊接工藝規(guī)范執(zhí)行不嚴(yán)格，以及焊接中不良的工作習(xí)慣造成。過(guò)程中焊縫層道間清理不佳容易引起夾渣和氣孔，收弧操作不當(dāng)弧坑未填滿容易引起弧坑裂紋。而缺陷基本都出現(xiàn)在距根部20 mm以上和近表面約20 mm以下區(qū)域的情況，則反映了焊工交接班過(guò)程中重新焊接時(shí)預(yù)熱溫度偏低，使焊縫產(chǎn)生氣孔和夾渣。

2.2.4 焊工疲勞施焊

P92鋼大口徑厚壁管焊口焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，平均都要24 h以上，安排不當(dāng)焊工長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)焊接作業(yè)，強(qiáng)度大、易疲勞，增加缺陷發(fā)生的概率。

3 缺陷修復(fù)

由于P92鋼的特性決定了其對(duì)于焊接工藝和熱處理規(guī)范參數(shù)的高度敏感，此次的超標(biāo)缺陷又都處于大厚度焊縫較深的部位，因此焊縫返修不僅要徹底清除缺陷，補(bǔ)焊過(guò)程中更要嚴(yán)防缺陷的再次產(chǎn)生。返修的焊接及焊后熱處理工藝不僅要依據(jù)焊接工藝評(píng)定嚴(yán)格執(zhí)行，更要針對(duì)焊工實(shí)際操作中存在的問(wèn)題，采取相應(yīng)的措施。

3.1 P92鋼焊縫超標(biāo)缺陷修復(fù)技術(shù)難點(diǎn)

3.1.1 防止裂紋產(chǎn)生

P92鋼具有一定的冷裂紋和熱裂紋傾向，同時(shí)還存在焊縫金屬的時(shí)效和脆化的問(wèn)題，因此在焊接、熱處理過(guò)程中應(yīng)采取措施防止產(chǎn)生冷裂紋、熱裂紋和焊縫金屬脆化。

3.1.2 防止產(chǎn)生過(guò)大的焊接應(yīng)力和管系位移

P92鋼大口徑厚壁管結(jié)構(gòu)尺寸大，焊接過(guò)程易產(chǎn)生較大的拘束應(yīng)力，應(yīng)采取相應(yīng)的措施。對(duì)管系位移的問(wèn)題，需要分析管系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)安裝臨時(shí)支架，降低附加應(yīng)力，防止產(chǎn)生位移及變形。

3.1.3 關(guān)注二次熱處理后焊接接頭硬度指標(biāo)

考慮焊接接頭已經(jīng)過(guò)一次焊后熱處理，需要關(guān)注返修后再次焊后熱處理是否會(huì)導(dǎo)致焊接接頭特別是近焊縫熱影響區(qū)的硬度指標(biāo)異常，母材硬度低于標(biāo)準(zhǔn)下限。

3.1.4 消缺打磨工作量大

該次檢出的超標(biāo)缺陷基本處于大厚度焊縫較深的部位，而且是沿整個(gè)周長(zhǎng)分布，徹底清除打磨工作量很大，即使是整圈環(huán)切消缺，還須打磨掉淬硬層。

3.2 P92集箱焊縫超標(biāo)缺陷修復(fù)技術(shù)要點(diǎn)

圍繞上述修復(fù)技術(shù)難點(diǎn)，專(zhuān)項(xiàng)編制了《P92鋼集箱焊縫超標(biāo)缺陷處理及焊接修復(fù)方案》，明確與返修相關(guān)的人員、材料、設(shè)備、作業(yè)流程、缺陷清除、焊接、熱處理、檢驗(yàn)等方面的要求。仔細(xì)復(fù)核每個(gè)返修焊口超標(biāo)缺陷的性質(zhì)和位置，在修復(fù)方案中規(guī)定每個(gè)返修焊口切割的范圍、打磨的深度和熱處理保溫時(shí)間。

采用坡口加工機(jī)、砂輪機(jī)等機(jī)械方法進(jìn)行缺陷清除和坡口制備。缺陷整圈切割后，將兩側(cè)原焊縫及熱影響區(qū)打磨清除干凈，并使坡口底部圓滑過(guò)渡。打磨缺陷時(shí)，與檢測(cè)人員共同研判，將一些非超標(biāo)的記錄缺陷也一并處理掉，防止再次焊接時(shí)非超標(biāo)缺陷延伸成超標(biāo)缺陷。打磨完成后，由無(wú)損檢測(cè)人員進(jìn)行全面的PT檢測(cè)，確認(rèn)缺陷已經(jīng)徹底清除。

3.3 焊接工藝要點(diǎn)

因P92鋼的焊接工藝和熱處理規(guī)范參數(shù)范圍都比較窄，而且非常敏感，因此對(duì)P92鋼的焊前預(yù)熱、層間溫度控制、線能量選擇、熱處理溫度控制等現(xiàn)場(chǎng)操作工藝必須嚴(yán)格按照經(jīng)評(píng)定合格的焊接工藝執(zhí)行。對(duì)參與返修的焊工，重新進(jìn)行焊前交底，并加強(qiáng)過(guò)程中的監(jiān)督檢查。同時(shí)，合理安排焊接時(shí)間，避免疲勞作業(yè)。全程采用Φ3.2mm焊條補(bǔ)焊，控制適當(dāng)?shù)暮附与娏?，既保證鐵水流動(dòng)性，又使焊接電流盡量小，控制焊層和焊道厚度在2.5 mm左右，以控制焊接熱輸入。

返修焊接采用兩人對(duì)稱(chēng)焊，以減少焊接應(yīng)力和變形;焊道接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)10 mm～15 mm，避免缺陷產(chǎn)生;焊道之間盡量平滑過(guò)渡;收弧時(shí)，注意把弧坑填滿，對(duì)起弧和收弧的部位都須進(jìn)行打磨處理，防止產(chǎn)生裂紋。P92鋼焊接層間清理非常關(guān)鍵，應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)焊接過(guò)程中的清渣，焊道之間、焊層之間的藥皮、飛濺經(jīng)機(jī)械打磨干凈方能進(jìn)行下一道焊縫的焊接。

3.4 熱處理工藝要點(diǎn)

焊前預(yù)熱采用電加熱的方式進(jìn)行，每側(cè)預(yù)熱加熱寬度按熱處理工藝卡執(zhí)行。由于都是大口徑厚壁管，當(dāng)管道外壁達(dá)到預(yù)熱溫度時(shí)，應(yīng)保溫足夠長(zhǎng)的時(shí)間以確保坡口根部溫度達(dá)到要求。預(yù)熱和層間溫度控制在200℃～250℃。施焊過(guò)程中如果焊工休息、換班，中間暫停焊接時(shí)，應(yīng)持續(xù)保持預(yù)熱和保溫，控制在預(yù)熱溫度范圍內(nèi)。

返修焊接完成后，降溫至80℃～100℃恒溫2 h進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，再升溫至350℃恒溫2 h進(jìn)行后熱處理。后熱完成后，降溫至環(huán)境溫度進(jìn)行超聲波檢測(cè)，合格后進(jìn)行焊后熱處理。嚴(yán)格按熱處理工藝卡進(jìn)行焊后熱處理，恒溫溫度（760±10）℃，恒溫時(shí)間根據(jù)返修厚度逐一確定。熱處理結(jié)束對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度檢驗(yàn)。

3.5 質(zhì)量驗(yàn)收

焊后將焊縫表面余高打磨至與母材圓滑過(guò)渡，然后進(jìn)行100%外觀檢查，100%UT 檢測(cè)，100%硬度和金相檢驗(yàn)。硬度檢驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)：P92 鋼母材金屬硬度180 HB～250 HB，焊縫金屬硬度180 HB～270 HB，焊縫硬度不應(yīng)低于母材硬度的90%。本次返修完成，對(duì)所有返修焊口檢測(cè)檢驗(yàn)全部合格。對(duì)本次返修焊接全過(guò)程實(shí)施監(jiān)控，并規(guī)范做好全部相關(guān)記錄，為今后的資料整理和問(wèn)題分析提供依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

自P92鋼在超超臨界機(jī)組得到應(yīng)用以來(lái)，大家已經(jīng)了解了P92鋼的性能，其焊接和熱處理工藝也十分成熟，在以往的工程中，P92鋼焊口質(zhì)量普遍較好，返修焊口很少。針對(duì)此次P92鋼部分集箱焊縫存在較多超標(biāo)缺陷的情況，我們通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種影響因素進(jìn)行分析和相應(yīng)的檢測(cè)檢驗(yàn)，找出原因并采取措施，對(duì)焊縫進(jìn)行徹底的消缺處理。針對(duì)焊工隊(duì)伍技能不穩(wěn)定的情況，增加技術(shù)水平高的優(yōu)秀焊工，加強(qiáng)技術(shù)交底，加強(qiáng)過(guò)程監(jiān)控，最終返修焊口和后續(xù)的P92鋼焊口所有檢測(cè)檢驗(yàn)結(jié)果全部合格，焊接質(zhì)量得到了有效控制。

參考文獻(xiàn)

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