梁新民 李芳亮
（西北电力建设工程有限公司 710032）
摘要：介绍了P92钢的化学成分及机械性能，研究了P92钢的焊接性，从焊材选择、对口、惰性气体保护、焊接预热、打底盖面等方面详细介绍了P92的焊接工艺，并强调了现场焊接后的热处理工艺。
关键词：P92钢；焊接工艺；热处理
1.SA335-P92钢研发背景及应用
P92钢是20世纪90年代初日本住友公司在P91钢的基础上开发研究出来的新钢种。该钢在P91钢的合金成分中增加了1.5～2％W，降低了约一半的Mo和部分的C含量，其它合金成分基本上没有太大的变化（见表1）。P92钢具有良好的物理性能、较高的高温蠕变断裂强度、优异的常温冲击韧性、优良的抗氧化性能，适用蒸汽温度范围在580～620℃，目前被广泛应用于百万机组中，作为高温高压蒸汽联箱及管道等部件的材料。
P92钢焊口的热处理对于焊缝的蠕变断裂强度、冲击韧性等有着重要的影响。P92钢属于马氏体耐热钢，焊后焊缝组织全部转变为脆硬的马氏体组织，组织硬度相当高，焊缝是由温度非常高的熔融状态冷却下来的，组织和晶粒不能获得细化，马氏体板条粗大，在板条马氏体亚结构内部，存在高密度的位错缠结，阻碍了位错运动，从而提高了马氏体基体的硬度和强度，又由于焊缝迅速冷却过程中，熔敷金属中的V、Nb元素无法均匀弥散地析出，降低了焊缝的韧性。
与P91钢相比，P92钢的优越性主要表现在以下几个方面：
1）蠕变强度高 经2万小时以上的蠕变断裂试验，发现P92钢具有稳定的高温强度。其高温强度在550～650℃范围时均高于同温度的P91钢。
2）许用应力高 在600℃时许用应力比P91钢高34%。
3）具有较高的抗高温和抗高温蒸汽的氧化及腐蚀能力。
4）物理性能好 具有较高的热传导性（相比奥氏体钢），线膨胀系数小，氧化层不易剥落，适用于620℃以下的蒸汽管道。
以上性能的提高大大的减小了蒸汽管道的厚度，减少了材料的用量，提高机组的经济性。
图1：回火温度与P92焊缝硬度、屈服强度抗拉强度、冲击韧性的关系
2. P92钢的焊接性
1、焊接裂纹敏感性比传统的铁素体耐热钢低
P91钢需要预热到180℃裂纹率为零，P92钢只需预热到100℃，而P22钢需预热到300℃才能达到。
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。
3、焊缝韧性低于母材
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。
4、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钢焊接材料的选择
P92钢焊接材料的选择除了通常的常规要求以外，还必须遵循如下要求：
1）焊缝熔敷金属的Ac1接近母材 要保证焊缝熔敷金属的Ac1接近母材，必须使焊缝的Ni＋Mn元素含量≤1.5%。这是因为有些厂商为了提高焊缝的韧度，使焊缝中的Ni＋Mn元素含量超过规定值，降低了熔敷金属的Ac1。
2）为了提高焊缝的韧度，要使熔敷金属中具有一定的Ni，熔敷金属中要保证有0.7%的Ni，但Ni＋Mn的含量仍然遵循≤1.5%的原则，＜0.045%的Nb、1.8%左右的W、0.5%的Mo，＞0.2%的Si、略低于母材的V、Ti、N等微合金化强化元素。
3）在P92钢中，W是形成Laves的激烈元素，降低W的含量可以减少Laves的形成数量，也有可能多少会降低时效后韧性降低激烈程度，有利于确保时效后熔敷金属的韧性。从工艺角度出发，由于一方面降低了W的含量，另一方面又提高了Mn＋Ni的含量，使Mn＋Ni的含量达到2.3%，远远地超过了1.5%的限度。可以估算，由于化学成分的改变，熔敷金属时效前的韧度值可能会较高（虽然到目前为止还未见该类结论的报到），但必然会使熔敷金属Ac1线的降低。Ac1的降低必然会导致回火温度的降低，回火温度的降低，必然会延长回火时间，这是施工过程中最不希望看到的。
4）选用直径＜4mm和钢芯过渡的焊条；
5）P92钢具有较多的铁素体形成因素，因此形成δ铁素体的倾向性更大。如果焊缝和母材的化学成分相近，焊接工艺不当，焊缝中就很容易出现δ铁素体。为了避免焊缝和热影响区中出现δ铁素体，导致该区域韧度和蠕变强度的恶化，除了选择恰当的Cr当量外，还应注意过高的预热温度和层间温度会促进δ铁素体的生成，造成熔敷金属冲击韧性的降低，影响焊接接头使用性能。
4. 焊接工艺
1、焊材、保护气体的选择
焊丝：9CrWV（ER90S-G）规格：Ф2.4；焊条：CHROMET92（E9015-G）规格：Ф3.2；
钨极：WCe-20 规格：Ф2.4。
气体种类：Ar≥99.95% 流量：7-12L/min，背面保护：Ar≥99.95% 流量：20-7L/min。
2、安装对口
对口间隙控制在3-6mm。
3、背面充氩方案
采用背面充氩保护工艺，以避免焊缝根部氧化。
大径管充氩方法一般情况下，可制作专用工具，无法采取专用装置时，可用耐高温应纸板配合耐温胶布等材料在焊口附近形成形成密闭气室。如图2所示。
图2：充氩保护示意图
4、焊接预热
焊前进行预热：T≥150℃，加热宽度每侧≥200mm，层间温度≤300℃。
采用电脑温控设备对焊口进行跟踪预热，热电偶对称布置，热电偶与管件应接触良好，并校验合格。
5、氩弧焊打底
氩弧焊打底在管道预热到规定温度并加热均匀后进行；打底采用直流正接法、两人对称焊接。P92材质大径管道：打底焊采用内填丝法。氩弧焊打底时，焊接速度不宜太快，焊层厚度不少于3mm。氩弧焊打底应焊两遍，目的是防止电焊击穿打底层，造成根部氧化。
6、电弧焊
打底完成后，将预热温度升至200-250℃，可以开始电弧焊；采用直流反接法、两人对称焊接。第一、二层电弧焊，采用∮2.5mm焊条，在保证熔化良好的前提下，尽量减小焊接电流，严防烧穿氩弧焊打底焊缝，采用背部充氩保护。中间层采用∮3.2mm焊条，；各层接头应互相错开，焊工要加强层间打磨，严防焊接缺陷。采用多层多道焊，各焊道的单层厚度约2.5-3mm，单焊道的摆动宽度≤3倍焊条直径。每层焊道须清理干净，尤其注意清理接头及焊道两侧。
5.P92钢热处理工艺
P92钢的Ac1线的温度为800～845℃，Ac3线为900～920℃，Ms点370～400℃，Mf点100℃，这些临界点将随奥氏体原始晶粒度的大小而变化。由P92钢的焊接CCT图可知，当奥氏体从1050℃（奥氏体化温度）冷却到室温，在较宽的冷却温度（约100s～6000s）范围内全部转变成马氏体。通过对焊接接头的蠕变强度和韧性等性能试验的结果分析可知，当淬火由温度950℃提高到1150℃，回火温度为780℃时，钢的蠕变断裂强度有升高的趋势，而韧性有下降的趋势。这是由于淬火温度升高促使原来已经析出的Nb的碳氮化物又溶于母材，减弱了析出物产生的钉扎作用，阻止不了奥氏体晶粒长大，从而造成韧性下降。从另一方面看，正是由于Nb、N的固溶，增加了在回火时析出细微碳氮化物的数量，使蠕变断裂强度升高。根据这一试验结果，把淬火温度降低到1050℃，回火温度从720℃增加到820℃时，不仅钢的韧性提高，蠕变断裂强度也有微弱升高。这一现象说明：回火温度越高组织就越稳定，高温蠕变断裂强度就越高。但是P92钢的Ac1线约在800℃左右，如果回火超过了该温度，就会形成奥氏体，获得没有经过回火的马氏体，其蠕变断裂强度就会降低。根据以上的试验结果分析：把淬火（正火）温度定在1040～1080℃、回火温度定在750～780℃较为合适。因为这时Nb的碳氮化物大部分已固溶，奥氏体晶粒又没有长大。
P92钢焊后热处理曲线如图3所示。
图3 P92钢焊接热处理曲线
参考文献：
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作者简介：
梁新民，湖北红安人，硕士，高级工程师，国家一级注册建造师，注册安全工程师，长期从事电力建设焊接、热处理等施工管理工作，在省级以上期刊发表论文数十篇，专著一篇，专利一项。
论文作者:梁新民,李芳亮
论文发表刊物:《河南电力》2018年6期
论文发表时间:2018/9/11
标签：温度论文; 韧性论文; 打底论文; 奥氏体论文; 强度论文; 时效论文; 金属论文; 《河南电力》2018年6期论文;