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如何選用馬氏體耐熱鋼的焊條
如何正確選用馬氏體耐熱鋼的焊條
張佩良
0、前言
近幾年來，我國興建了一大批超臨界、超超臨界大型火電機(jī)組，大量選用了P91、P92、P122等新型馬氏體耐熱鋼，用于電站鍋爐的主蒸汽管道、再熱器管道、過熱器管道、過熱器集箱和再熱器集箱等等。
我國在上個(gè)世紀(jì)90年代中期就開始焊接P91鋼主蒸汽管道，由于缺乏焊接技術(shù)資料，沒有焊接技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和焊接生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，焊接生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了許多焊接質(zhì)量問題。筆者組織并參加了電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“DLS007-92”和“DL/T869-2004火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程”的起草和修訂工作，也多次赴現(xiàn)場調(diào)查并解決焊接質(zhì)量問題，深刻體會到“焊接技術(shù)規(guī)程”和認(rèn)真執(zhí)行“焊接技術(shù)規(guī)程”的重要性，它是提高焊接質(zhì)量、保證焊接工作順利進(jìn)行的重要保證，是電廠安全可靠運(yùn)行的重要依據(jù)。
目前，在電建安裝和檢修焊接工作中，仍以鎢極氬弧焊和焊條電弧焊為主，尤其是現(xiàn)場安裝焊接工作量比較大，而且主要是采用電焊條，因此充分掌握電焊條的特性，優(yōu)化焊接工藝和焊工操作技能水平，對于提高焊接質(zhì)量極為重要。為了保證P91鋼的焊接質(zhì)量和電站設(shè)備長期安全、可靠運(yùn)行，選用合適的焊接材料、焊接工藝和焊后熱處理工藝至關(guān)重要。
1、首先談?wù)勅绾芜x用P91鋼的電焊條
1.1 相關(guān)規(guī)程與標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定
DL/T869-2004規(guī)程內(nèi)3.3.2.2條款中規(guī)定：焊接電站設(shè)備耐熱鋼時(shí)，對焊接材料的選用應(yīng)符合以下基本條件：
1）焊縫金屬的化學(xué)成份和力學(xué)性能應(yīng)與母材相當(dāng)
2）焊接材料熔敷金屬的下臨界點(diǎn)（Ac1）應(yīng)與母材相當(dāng)（不低于10℃） 3）焊接工藝性能良好
其中 2、3 兩款規(guī)定大家都很容易理解，但對1款應(yīng)該有更深入的理解。
高溫合金鋼焊材不僅常溫力學(xué)性能和化學(xué)成份與母材相當(dāng)，特別是電站鍋爐受壓件強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮高溫性能、蠕變性能、抗腐蝕性能，其中包括持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、抗氧化性能、抗高溫蒸汽腐蝕性能和抗煙氣腐蝕等性能，這些性能都是保證電站鍋爐安全運(yùn)行的重要性能，更要與母材相匹配，這樣才能保證焊接接頭與管道同壽命，有利于電站鍋爐長期在高溫、高壓條件下安全運(yùn)行，有利于焊接接頭不會發(fā)生早期失效。
1.2 優(yōu)選電焊條
1）目前，P91焊材主要是由國外進(jìn)口，經(jīng)過篩選，多數(shù)電建單位和電廠選用德國伯合樂焊接技術(shù) 公司蒂伯品牌的Thermanit Chromo 9V（E9015-B9）電焊條（以下簡稱9V焊條）。
2）9V焊條的化學(xué)成份和機(jī)械性能完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，見表1、表2。
表1 P91鋼材和9V焊條典型化學(xué)成份
表2 P91鋼材和9V焊條的機(jī)械性能
1）Thermanit Chromo 9V焊條(E9015-B9)是焊芯過渡主要合金元素的手工電弧焊條，其它合金配方合理，因而焊縫成分均勻，焊接操作工藝性比較好，焊接接頭性能可靠。
2）9V焊條化學(xué)成分與母材相當(dāng)，常溫、高溫性能完全符合ASME標(biāo)準(zhǔn)、歐洲EN標(biāo)準(zhǔn)、電力“DL/T869-2004”規(guī)程和“T91/P91鋼焊接工藝導(dǎo)則”的技術(shù)要求。。
3）熔敷金屬的Mn+Ni
4）焊接性比較好，焊接裂紋敏感性小。采用斜y 坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法，P91試板厚度30mm，用9V焊條焊接，只要預(yù)熱100℃就可以防止焊接裂紋。
5）焊條的焊接工藝性能良好，焊接操作工藝性也比較好。有比較恰當(dāng)?shù)暮缚p沖擊韌度，焊縫沖擊值≥47J，符合歐洲EN標(biāo)準(zhǔn)要求，也符合我國電力標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定。
6）于上世紀(jì)90年代開始，對蒂伯品牌焊材進(jìn)行了大量蠕變斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的使用溫度范圍內(nèi)，蒂伯焊材的蠕變斷裂強(qiáng)度與母材相當(dāng)。其蠕變試樣的試驗(yàn)值均符合EN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，因而能保證高溫性能達(dá)到使用要求。（按有關(guān)規(guī)定，“必須有>3.5萬小時(shí)以上的蠕變斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)才能外推105小時(shí)蠕變斷裂強(qiáng)度”）
2、選擇P92鋼焊材之我見
2.1 P92 新型馬氏體耐熱鋼焊條的應(yīng)用
國內(nèi)已投產(chǎn)的第一臺1000MW華能玉環(huán)發(fā)電廠的超超臨界機(jī)組，其主蒸汽管道采用了P92新型馬氏體耐熱鋼(1995年納入ASTM A335、1996年納入ASME SA335 標(biāo)準(zhǔn))。其后相繼投入運(yùn)行的山東鄒縣電廠、上海外高橋電廠等1000MW超超臨界機(jī)組的主蒸汽管道也采用了P92新型馬氏體耐熱鋼。 2.2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程的規(guī)定
選用P92鋼電焊條時(shí)，應(yīng)該符合“ASME 標(biāo)準(zhǔn)”、歐洲“EN 標(biāo)準(zhǔn)”、“DL/T869-2004規(guī)程”和“T/P92鋼焊接指導(dǎo)性工藝”。 2.3 優(yōu)選電焊條
鑒于國內(nèi)首批選用P92鋼，如何保證焊接質(zhì)量，如何選擇與之相匹配的焊材、如何確定合適的焊接工藝和焊后熱處理工藝是焊接P92主蒸汽管道的關(guān)鍵。
目前，我國尚無P92鋼專用焊材。綜合分析試驗(yàn)結(jié)果，最后決定選用德國伯合樂焊接技術(shù)公司的鋼芯過渡合金元素的焊條。
2.4 蒂伯品牌焊條的成分和機(jī)械性能
蒂伯品牌Thermanit MTS 616（E9015-G）牌號手工電焊條和手工鎢極氬弧焊絲的化學(xué)成分和機(jī)械性能見表3和表4。
表3 P92鋼材和焊條典型化學(xué)成份
表4 P92鋼材和焊材的機(jī)械性能
3、Thermanit MTS 616 牌號焊材的主要特點(diǎn)
3.1 選用伯合樂焊接技術(shù)公司蒂伯品牌焊接材料完全符合DL/T869- 004 火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程節(jié)3.3.2.2 焊接材料選用的三個(gè)基本條件：即
1）MTS 616 焊條和焊絲的焊縫金屬化學(xué)成份和力學(xué)性能與母材相當(dāng) 2）MTS 616 焊條的熔敷金屬下臨界點(diǎn)（Ac1）為800℃,與母材相當(dāng) 3）MTS 616 焊條、焊絲和焊劑的焊接工藝性能良好。
3.2 MTS 616 焊材不僅化學(xué)成分與母材相當(dāng)，常溫、高溫性能也與母材相當(dāng)
3.3 MTS 616 焊材熔敷金屬的Mn+Ni
3.5 MTS 616 焊材工藝性能良好，焊接操作工藝性比較好，埋弧焊的脫渣性非常好。
3.6 MTS 616 焊材有比較適當(dāng)?shù)暮缚p沖擊韌度，焊縫沖擊值≥41J，符合歐洲EN標(biāo)準(zhǔn)要求，也符合我國電力標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定。
3.7 于上世紀(jì)90年代開始，對蒂伯品牌MTS 616等焊材進(jìn)行了大量蠕變斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的使用溫度范圍內(nèi)，蒂伯焊材的蠕變斷裂強(qiáng)度與母材相當(dāng)。其蠕變試樣的試驗(yàn)值均符合EN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，因而能保證高溫性能達(dá)到使用要求。（按有關(guān)規(guī)定，“必須有>3.5 萬小時(shí)以上的蠕變斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)才能外推105小時(shí)蠕變斷裂強(qiáng)度”）
4、幾點(diǎn)體會
筆者參與我國制定電力行業(yè)焊接標(biāo)準(zhǔn)的起草和修訂工作，體會頗深，深知DL5007-92 和
DL/T869-2004 火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程等標(biāo)準(zhǔn)的重要性。但是，目前新型耐熱鋼發(fā)展非�？�，特別是馬氏體耐熱鋼的大量應(yīng)用，需要補(bǔ)充制定新的規(guī)程，以滿足電站鍋爐焊接需要。在制定“T91/P91鋼焊接工藝導(dǎo)則”和“T/P92鋼焊接指導(dǎo)性工藝“文件過程中“，吸收了國內(nèi)外各個(gè)方面的焊接經(jīng)驗(yàn)，很有啟發(fā)。 4.1 希望采用焊芯過渡合金元素的電焊條
根據(jù)焊條制造方法和合金元素過渡形式可以分為兩種類型電焊條，一種是以焊芯過渡合金元素為主的焊芯過渡合金元素焊條（簡稱焊芯過渡焊條），另一種是以藥皮過渡合金元素為主的藥皮過渡合金元素焊條（簡稱藥皮過渡焊條）。兩種類型焊條的特點(diǎn)不同，焊縫的性能也不同。
有必要詳細(xì)分析一下焊芯過渡合金元素焊條和藥皮過渡合金元素焊條的特點(diǎn)，以及在焊接生產(chǎn)過程中出現(xiàn)焊接問題的幾個(gè)實(shí)例。
1）上個(gè)世紀(jì)70年代初，我國開始焊接F11鋼管道，最初采用藥皮過渡的69-新1 號電焊條，焊接工藝性非常好，深受焊工歡迎。但是，金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)焊縫中有金屬夾雜物、微裂紋及少量網(wǎng)狀鐵素體組織等缺陷，導(dǎo)致焊接接頭質(zhì)量不合格，最后不得不緊急進(jìn)口焊芯過渡焊條，才解決了上述焊接質(zhì)量問題。藥皮過渡合金元素焊條易造成焊縫中合金元素分布不均勻，產(chǎn)生金屬夾雜物和微裂紋，如果焊接規(guī)范不當(dāng)，還會造成焊縫沖擊值下降，Aku只有8-10J。。藥皮過渡合金元素的P91、P92、P122電焊條，由于藥皮過渡的合金元素較多，且W 的含量高達(dá)1.5-2%，W 的熔點(diǎn)高達(dá)3410℃，對焊接工藝要求嚴(yán)格，曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)焊縫成份偏析和金屬夾渣等特殊現(xiàn)象，勢必對焊接接頭的后期安全運(yùn)行有所影響。我國焊接F11鋼時(shí)就曾多次發(fā)現(xiàn)過類似的情況而導(dǎo)致焊口返修。為了電站設(shè)備安全運(yùn)行起見，希望采用焊芯過渡合金元素的電焊條。
2）80年代中期某電廠焊接F12主蒸汽管道,采用藥皮過渡的電焊條，焊接時(shí)熱輸入量大，焊條大擺動(dòng)，焊層比較厚（超過焊條直徑加2毫米的規(guī)定），導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)鐵素體組織，雖然經(jīng)過高溫回火，沖擊值仍然低于合格標(biāo)準(zhǔn)，因而不得不割掉4個(gè)焊口進(jìn)行返工。
90 年代后期某電廠采用藥皮過渡焊條和大規(guī)范焊接，也發(fā)生了同上述類似的焊接質(zhì)量問題。
3）關(guān)于P92馬氏體耐熱鋼焊條化學(xué)成分和性能的選擇國內(nèi)某研究院對國外幾個(gè)牌號P92鋼的手工電焊條進(jìn)行了熔敷金屬的化學(xué)成份，力學(xué)性能、下臨界點(diǎn)（Ac1）金相檢驗(yàn)等大量分析對比試驗(yàn)。其中MTS 616焊條是試驗(yàn)焊條中唯一的焊芯過渡焊條，熔敷金屬的合金成份過渡均勻，焊縫組織為全馬氏體。 4.2 認(rèn)真做好焊接工藝評定
認(rèn)真做好焊接工藝評定，在焊接工藝評定的基礎(chǔ)上編制好焊接作業(yè)指導(dǎo)書（或作業(yè)卡），根據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行焊工培訓(xùn)和指導(dǎo)焊接生產(chǎn)。在嚴(yán)格執(zhí)行P92鋼焊接、熱處理熱循環(huán)工藝。 4.3 注意控制好焊接工藝參數(shù)
1）正確選擇焊接電流：焊芯過渡焊條和藥皮過渡焊條的最佳焊接電流是不一樣的，為了焊條不發(fā)紅，焊芯過渡焊條的最佳焊接電流比藥皮過渡焊條的最佳焊接電流約低20-30%。
2）優(yōu)化馬氏體耐熱鋼焊接予熱溫度、層間溫度和熱輸入量：過去焊接馬氏體耐熱鋼時(shí)，都選擇比較高焊接予熱溫度、層間溫度和熱輸入量，例如F12鋼的焊接預(yù)熱溫度為350-450℃,焊縫組織粗大，焊縫沖擊值比較低，容易發(fā)生焊接微裂紋。優(yōu)化焊接工藝參數(shù)試驗(yàn)之后，P91、P92的焊接預(yù)熱溫度可以降低到200℃，層間溫度可以降低到250℃，焊接熱輸入量可以降低到10KJ/mm2，焊接質(zhì)量比較滿意。 3）馬氏體耐熱鋼焊接結(jié)束必須冷卻到 100℃,保溫1-2小時(shí)之后才能進(jìn)行焊后熱處理。
4）焊接 P91、P92馬氏體耐熱鋼一般推薦選取760℃±15℃進(jìn)行焊后熱處理，藥皮過渡焊條推薦焊后熱處理溫度應(yīng)選取740-750℃,視焊縫化學(xué)成分而定。而焊芯過渡焊條的推薦焊后熱處理溫度應(yīng)選取760-780℃。 4.4 改進(jìn)焊接操作和焊接管理
1）為使電力行業(yè)焊接同行推廣先進(jìn)的P92焊接工藝， 國電焊接信息網(wǎng)組織有關(guān)專業(yè)人員編寫了“T/P92鋼焊接指導(dǎo)性工藝”供業(yè)內(nèi)同行參考。
2）原來要求“一道焊縫采取兩次探傷“的方法生產(chǎn)效率低，可以進(jìn)一步改進(jìn)，在嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程的基礎(chǔ)上，可采取“一氣”干完的方式，實(shí)踐證明，這種方法可以取得很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，焊接質(zhì)量比較好。某研究院的一份研究報(bào)告也極力推薦此類作法。
3）加強(qiáng)焊接質(zhì)量管理和焊接檢驗(yàn)，對于厚度超過70毫米的P92大口徑管道，經(jīng)過建設(shè)單位、監(jiān)理單位和施工單位三方同意，實(shí)行有效的旁站監(jiān)督。
4）已投產(chǎn)的華能玉環(huán)、山東鄒縣、華能營口、上海外高橋超超臨界機(jī)組，都是采用MTS 616電焊條焊接主蒸汽管道，圓滿完成了任務(wù)，無損檢驗(yàn)一次合格率都在99%以上。 4.5 正確選用焊條和焊接、熱處理工藝
正確選用焊條和焊接、熱處理工藝是提高主蒸汽管道焊接接頭可靠性和安全性的有力保證。為此極力推薦選用焊芯過渡焊條、焊接工藝和焊后熱處理工藝。 4.6 高溫持久強(qiáng)度
據(jù)悉，蒂伯P92焊材的高溫試驗(yàn)已進(jìn)行到7萬多小時(shí)，再過幾年就可拿出實(shí)際使用溫度下的10萬小時(shí)真實(shí)高溫蠕變斷裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)（而不是外推蠕變斷裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)），這對我們選擇焊材是很重要的。國內(nèi)外多個(gè)廠家的蠕變斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)間比較短，仍以3000~10000小時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)外推105小時(shí)蠕變斷裂強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果不可靠，而蒂伯品牌焊材是按歐洲先進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間必須≥35000小時(shí)才能外推105小時(shí)蠕變斷裂強(qiáng)度，據(jù)介紹，目前試驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行到近70000小時(shí)，而且，焊材的蠕變斷裂強(qiáng)度與母材相當(dāng)，所以使用蒂伯焊材更加安全、可靠、放心。
綜上所述，考慮到發(fā)電廠鍋爐管道長期安全運(yùn)行的重要性，必須做到焊縫與管道同壽命，焊接P91新型馬氏體耐熱鋼時(shí)，不宜選用藥皮過渡的電焊條。為了保證焊接接頭的蠕變斷裂強(qiáng)度，建議選用焊芯過渡合金元素的Thermanit Cheomo 9V焊條是合適的。
焊接P92新型馬氏體耐熱鋼時(shí)，也不宜選用藥皮過渡的電焊條。同樣為了保證焊接接頭的蠕變斷裂強(qiáng)度，建議選用焊芯過渡合金元素的Thermanit MTS 616焊條是比較合適的。
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