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P92鋼焊接接頭存在的問題及防范措施

文檔作者：李文彬姜運建張文建文檔來源： 1．華北電力大學(xué) 2．河北省電力研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年10月18日
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Vo1．27NO．2
Apr．2008
河北電力技術(shù)
HEBEI ELECTRIC P0W ER
第27卷第2期
2008年4月
P92鋼焊接接頭存在的問題及防范措施
Problems and Countermeasures on P92 Steel W elding Joint
李文彬 ，姜運建 ，張文建
(1．華北電力大學(xué)，河北 保定071003；2．河北省電力研究院，石家莊050021)
摘要：介紹了P92鋼焊接工藝的國、內(nèi)外研究現(xiàn)狀，根據(jù)P92
鋼焊接接頭存在的焊接冷裂紋、焊縫金屬韌性低、Ⅳ 型裂紋
等問題，探討了其產(chǎn)生的原因及防范措施，為P92鋼在我國
超(超)臨界機組上的應(yīng)用提供有益的技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞：P92鋼；冷裂紋；沖擊韌性；IV型裂紋·
Abstract：This paper makes a brief introduction to the dom es—
tic and international present research condition about P92
steel welding． According to the main problems of P92 steel
welding，which are welding cold crack， low toughness of
welding metal，Ⅳ type cracks，this paper explores the rea—
sons and countermeasures in order to provide a useful techni—
cal support to P92 steel in SC(USC)boilers．
Key words：P92 steel；welding cold crack；impact toughness；
Ⅳ type cracks
中圖分類號：TK226．2
文獻標(biāo)志碼：B
文章編號：1001—9898(2008)02—0035—03
隨著中國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，電力供需矛盾日益
突出，為貫徹“科學(xué)發(fā)展”的電力政策，緩解供需矛
盾，超超臨界機組成為首選的發(fā)電設(shè)備。P92鋼是
目前應(yīng)用于超超臨界機組的新型耐熱鋼材料，比其
他鐵素體合金鋼具有更高的高溫強度和抗蠕變性
能，使用P92鋼可以減輕鍋爐和管道部件的質(zhì)量。
P92鋼的抗熱疲勞性強、熱傳導(dǎo)系數(shù)和膨脹系數(shù)遠
高于奧氏體不銹鋼，且抗腐蝕性和抗氧化性能優(yōu)于
其他含9 Cr的鐵素體耐熱鋼。因而P92鋼具有
更高的運行參數(shù)，可提高機組的熱效率，常用于高
溫、高壓主蒸汽管道等部件，因此，其焊接接頭性能
的優(yōu)劣直接關(guān)系到機組的安全可靠運行。
1 國內(nèi)、外研究現(xiàn)狀
目前，美、日、德等工業(yè)發(fā)達國家對P92鋼等馬
氏體鋼的全面試驗研究正在進行。2O世紀(jì)9O年代，
美國電力研究院(EPRI)開始研究P92鋼的可焊性，
歐洲和日本隨后也加入了此項研究。研究認(rèn)為適當(dāng)
的鎢極氣體電弧焊(GTAW )、手工電弧焊(SMAW )
和埋弧焊(SAW )都能成功地焊接P92鋼 ]。
華能玉環(huán)電廠工程是國內(nèi)首臺百萬kW 超超臨
界機組工程，各項技術(shù)參數(shù)要求非常高，其機組的蒸
汽壓力為26．25 MPa，溫度達600℃ ，對鋼材要求極
高。經(jīng)國內(nèi)設(shè)計及研究部門討論，華能玉環(huán)電廠主
蒸汽管道首選P92鋼，不但可以滿足生產(chǎn)運行高溫
強度的需要，還可以減少壁厚，降低工程造價，但由
于國內(nèi)電力建設(shè)工程沒有使用先例，如何進行P92
鋼焊接就成為一項技術(shù)難題。2005年初，華能玉環(huán)
電廠組織，以西安熱工研究院牽頭，江蘇電力裝備有
限公司、浙江火電建設(shè)公司和天津電力建設(shè)公司合
作，開展了P92鋼管道工廠化配置和現(xiàn)場安裝的焊
接工藝評定，得出了很多指導(dǎo)性的數(shù)據(jù)。
另外國家電力公司電力建設(shè)研究所會同山東電
力建設(shè)第二工程公司、河北省電力建設(shè)第一工程公
司、河北省電力建設(shè)第二工程公司、河南省第一火電
建設(shè)公司、江蘇電力建設(shè)第一工程公司、湖南火電建
設(shè)公司等6家電力建設(shè)公司共同組建了P92鋼焊接
工藝優(yōu)化試驗研究課題組。
2 焊接接頭存在的問題及防范措施
2．1 焊接冷裂紋
2．1．1 產(chǎn)生原因
P92鋼是在對9Cr一1Mo鋼的成分做進一步完
善改進而研制出的新型耐熱合金鋼。該鋼采用復(fù)合
一多元的強化手段，降低Mo含量至0．30 ～
0．60 ，加入1．5O ～2．00 的W ，形成以W 為
主的W —Mo復(fù)合固溶強化，加入N形成間隙固溶
強化，加入V、Nb和N 形成氮化物彌散沉淀強化，
加入0．001 ～0．006 的B形成B 的晶界強化。
由于P92鋼合金元素含量高，因此其焊接接頭有冷
收稿日期：2007—1l一29
作者簡介：李文彬(1975一)，男，華北電力大學(xué)、河北省電力研究院(研究生工作站)2006級研究生，主要從事耐熱鋼焊接技術(shù)研究工作。
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河北電力技術(shù)
HEBEI ELECTRIC POW ER
第27卷第2期
2008年4月
裂紋傾向，但P92鋼中的c、S、P等元素含量低，且
具有晶粒細、韌性高的特點，使其焊接冷裂紋傾向大
為降低。
2．1．2 防范措施
a．控制預(yù)熱溫度和層間溫度。可以通過Y坡
口拘束試驗的方法來確定預(yù)熱溫度和層間溫度。根
據(jù)國內(nèi)研究的結(jié)果(見圖1)[2]，結(jié)合工程實際，P92
鋼焊接的預(yù)熱溫度和層間溫度宜控制在200～300
℃ 。采用鎢極氬弧焊打底時，可適當(dāng)降低預(yù)熱溫度
和層間溫度。
預(yù)熱溫廈／℃
圖1 P92鋼焊縫裂紋率與預(yù)熱溫度之間的關(guān)系
b．控制焊縫的含氫量。為防止氫致延遲裂紋
的產(chǎn)生，必須選擇低氫型堿性P92鋼專用焊條
(絲)，并嚴(yán)格按照焊條(絲)說明書的規(guī)定烘焙。施
焊時，焊條(絲)應(yīng)放人80～120℃ 的便攜式保溫筒
內(nèi)隨用隨取。如焊后不能及時進行熱處理，應(yīng)進行
消氫處理。
C．降低焊接接頭應(yīng)力。焊接缺陷會引起應(yīng)力
集中，致使應(yīng)力成倍增長，產(chǎn)生冷裂紋，因此應(yīng)盡量
減少焊接缺陷。拉伸拘束應(yīng)力的存在是產(chǎn)生冷裂紋
的充分條件，拉應(yīng)力越大，產(chǎn)生冷裂的傾向越大，因
此，要避免強行對口。
2．2 焊縫金屬韌性低
2．2．1 產(chǎn)生原因
采用電弧焊焊接P92鋼，焊縫是溫度極高的熔
融狀態(tài)冷卻下來的鑄造組織，不可能獲得極細顆粒
彌散析出的Nb、V碳氮化合物和高度細化的晶粒，
即不具備細晶強韌化的條件。相反，由于熔池金屬
的高溫停留以及快速的凝固冷卻，熔敷金屬中的
Nb、V等微合金化元素可能仍大部分固溶在金屬
中，不僅難以細化晶粒、韌化焊縫，反而通過固溶強
化而降低焊縫韌性。
2．2．2 防范措施
2．2．2．1 選擇焊接方法
焊接方法對焊縫金屬韌性有一定的影響。美國
ORNL的試驗研究結(jié)果表明，鎢極氬弧焊(GTAW)
焊縫的沖擊韌性比熔化極氬弧焊(GMAW)和手工
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電弧焊(SMAW)焊縫金屬的沖擊韌性高，而埋弧焊
(SAw)焊縫金屬的沖擊韌性最差 ]。故建議選擇
鎢極盒弧焊。
2．2．2．2 控制鉻當(dāng)量
當(dāng)焊縫金屬在冷卻凝固過程中，如果形成 一
Fe時，其沖擊韌性較低。如果焊縫金屬得到單一的
回火馬氏體組織，其沖擊韌性較高?？赏ㄟ^控制焊
縫金屬中的鉻當(dāng)量得到回火馬氏體組織，鉻當(dāng)量公
式可以參照美國CE公司提出的如下公式：
Cr 一Cr+ 6Si+ 4M o+ 1．5W + l1V+ 5Nb+
9Ti+ 12Al一40C一30N一4Ni一2Mn一1Cu (1)
當(dāng)c ≤10時，不會出現(xiàn) 一Fe；當(dāng)10<
12時，組織不能簡單預(yù)測；當(dāng)Cr ≥12時，出現(xiàn) 一
Fe，且含量隨Cre 值的升高而增高。
在保證P92焊縫金屬的高溫蠕變性能和cr <
10的前提下，要對焊縫的化學(xué)成分作不同于母材的
適當(dāng)調(diào)整。凡是能防止 鐵素體形成而保證焊縫為
全馬氏體組織的成分有利于優(yōu)化焊縫金屬韌性。
2．2．2．3 控制預(yù)熱溫度和層間溫度
預(yù)熱溫度和層間溫度是通過降低焊接殘余應(yīng)
力，減緩馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度冷卻速度，有利于氫的擴
散，達到防止焊縫產(chǎn)生冷裂紋的目的。P92鋼的預(yù)
熱溫度和層間溫度應(yīng)控制在200～300℃。在200
～ 300℃預(yù)熱溫度、層間溫度下，焊縫金屬發(fā)生馬氏
體轉(zhuǎn)變時的冷卻速度減慢，產(chǎn)生“自回火”現(xiàn)象，形成
回火馬氏體，防止冷裂紋的產(chǎn)生，又提高了焊縫金屬
的沖擊韌性。
2．2．2．4 降低焊接線能量_3
焊縫金屬的韌性對焊接線能量極敏感，焊接線
能量大，焊縫金屬在高溫(1 100℃ 以上)停留的時
間就長，晶粒易于長大，致使焊縫金屬韌性降低。線
能量公式為：
E=60 U，／v (2)
由公式(2)可知，因手工電弧焊均采用短弧焊，
電弧電壓一般為20~24 V不變，可假設(shè)電弧電壓為
常數(shù)。降低焊接線能量，要綜合考慮調(diào)節(jié)焊接電流
和焊接速度2個參數(shù)。若焊接電流降得過低，由于
熔池的鐵水粘度大、流動性差，易造成未焊透、未熔
合、夾渣等缺陷。焊接電流應(yīng)控制在保證鐵水具有
良好的流動性，熔池清晰，焊縫與母材熔合良好，在
此前提下，提高焊接速度，減少焊層厚度，達到降低
焊接線能量的目的。焊層厚度是焊接線能量的直觀
反應(yīng)，在多層多道焊中，薄焊層有利于提高焊縫韌
性，使上層焊道對下一層焊道產(chǎn)生回火效應(yīng)。
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河北電力技術(shù)
HEBEl ELECTRlC PoW ER
第27卷第2期
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2．2．2．5 控制焊后熱處理溫度
P92鋼焊縫的韌性與焊后熱處理溫度和保溫時
間密切相關(guān)。焊后熱處理要保證焊縫得到充分回火
而形成回火馬氏體，從而保證焊縫的沖擊韌性。
綜合國內(nèi)、外經(jīng)驗，P92鋼焊后熱處理溫度以
(760±lO)℃為宜。無論是手工電弧焊還是埋弧
焊，采用上限溫度和延長焊后熱處理時間都可提高
P92鋼焊縫的沖擊韌性。
2．3 Ⅳ 型裂紋
2．3．1 產(chǎn)生原因
通過熱處理強化的鐵素體鋼，由于低于臨界溫
度的回火作用和臨界溫度范圍內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的變化，
在焊接熱影響區(qū)外的硬度會下降。對焊接接頭進行
高溫持久強度試驗時，在硬度下降的部位往往出現(xiàn)
斷裂，該部位被稱作軟化帶。在高溫長期運行中，
9Cr一1Mo這類鐵素體耐熱鋼往往在焊接接頭的軟
化帶產(chǎn)生裂紋。英國人按裂紋產(chǎn)生位置的分類方
法，稱這種裂紋為Ⅳ 型裂紋。
2．3．2 防范措施
為防止Ⅳ型裂紋的產(chǎn)生，焊接時，盡量不采用過
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(上接第14頁)
數(shù)據(jù)的失真。
高的預(yù)熱溫度及層間溫度，不采用過大的焊接線能
量；采取多層多道焊，焊層厚度控制在2～3 mm，確
保上層焊道對下層焊道的回火作用；盡力控制熱影
響區(qū)軟化帶寬度窄一些，加強其拘束強化作用，減小
軟化帶的影響。
3 結(jié)束語
P92鋼作為新型鐵素體耐熱鋼，其焊接接頭存
在一些問題，但可以在焊接工藝上采取一定的措施，
諸如焊接材料的選擇、焊前預(yù)熱溫度的控制、焊接線
能量的控制和焊后熱處理的控制等措施，避免和防
范此類問題的發(fā)生。
參考文獻：
[1] 馬 明．美國新的超臨界機組考慮使用T／P92的原因[J]．電
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熱鋼的焊接EC3．超(超)臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)論文集，
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本文責(zé)任編輯：王洪娟
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3．3．5 量程設(shè)置
為方便操作者，系統(tǒng)提供量程修改畫面。具有
操作權(quán)限的操作者，可以根據(jù)現(xiàn)場的實際情況來修
改對應(yīng)測量信號的量程上、下限。
3．4 PLC 系統(tǒng)設(shè)計
該系統(tǒng)的PLC程序主要是配合觸摸屏的功能
設(shè)計，主要包括反吹、SO 標(biāo)零、SO 標(biāo)滿、O：標(biāo)零、
o 標(biāo)滿、量程設(shè)置等。
a．程序初始化。程序初始化主要設(shè)置通信端
口號、通信方式、通信波特率、開始位、停止位、校驗
位等初始化信息。CPU224XP支持自由口通信方
式，在自由口模式下，端口的通信協(xié)議完全由使用者
編寫。由此，系統(tǒng)采用PLC對分析儀表進行控制，
實現(xiàn)了由PLC控制分析儀表標(biāo)定的功能。初始化
程序模塊按照分析儀表的指令系統(tǒng)，對于指令系統(tǒng)
中指令的公用部分字符進行了提取，并在初始化程
序模塊進行了默認(rèn)設(shè)置。以后調(diào)用指令時，只要變
動相應(yīng)參數(shù)即可，而不必每次調(diào)用都進行賦值操作。
b．反吹。反吹程序模塊由觸摸屏定義的中間
繼電器進行觸發(fā)。
C．標(biāo)定。標(biāo)定程序模塊由觸摸屏對應(yīng)操作變
量觸發(fā)。系統(tǒng)首先進行條件選擇，轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)的標(biāo)定
子程序。同時，附加流量低、濕度報警等信號條件進
行判斷；如果出現(xiàn)此類信號，則跳出標(biāo)定子程序，系
統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)，并發(fā)出“標(biāo)定失敗”警告。如果沒
有流量低、濕度報警等信號條件，則PLC對儀表進
行標(biāo)定；并由PLC接收的反饋指令符進行標(biāo)定是否
成功的判斷，如果成功，則發(fā)出“標(biāo)定成功”的提示。
d．量程轉(zhuǎn)換。量程的上、下限設(shè)置需要將其數(shù)
值保存到EPROM 中，系統(tǒng)初始化的時候再從
EPROM 中讀取到相應(yīng)的V 存貯區(qū)中。否則系統(tǒng)
每次失電后，以前所做的修改都將會丟失，增大了系
統(tǒng)的維護量。
4 結(jié)束語
使用觸摸屏與PLC相結(jié)合的技術(shù)來實現(xiàn)煙氣
脫硫系統(tǒng)進、出口的CEMS設(shè)計，解決了CEMS就
地顯示與控制的問題。系統(tǒng)設(shè)計穩(wěn)定、可靠，成本不
高，目前已經(jīng)在實際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，具備進
一步推廣的價值。
參考文獻：
[1] HJ／T 75—2007，固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[-s3．
本文責(zé)任編輯：戈文江
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