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P92鋼的化學成分和性能特點
添加時間：2012/2/11 17:32:44 TAG:
P92鋼的化學成分和性能特點
根據國外資料介紹，P92鋼的化學成分和組織性能具有以下特點：
1.1 SA335-P92鋼是在P91鋼的基礎上添加W元素，適當減少MO元素的含量，開發出來的一種新型鋼種。其化學成分見表1。
表1：SA335-P92鋼化學成分（％）
1.1 SA335-P92鋼是在P91鋼的基礎上添加W元素，適當減少MO元素的含量，開發出來的一種新型鋼種。其化學成分見表1。
表1：SA335-P92鋼化學成分（％）
|
C |
Mn
|
P
|
S
|
Si
|
Cr
|
W
|
Mo
|
V
|
Nb
|
N
|
B
|
Al
|
Ni
|
|
0.07
～ 0.13 |
0.30
～ 0.60 |
≤
0.020 |
≤
0.010 |
≤
0.50 |
8.50
～ 9.50 |
1.50
～ 2.00 |
0.30
～ 0.60 |
0.15
～ 0.25 |
0.04
～ 0.09 |
0.030
～ 0.070 |
0.001
～ 0.006 |
≤
0.040 |
≤
0.40 |
1.2 P92鋼的主要性能
（1）具有良好的物理性能
P92鋼的線膨脹系數與P91鋼相同，比奧氏體鋼低，甚至還低于P22鋼的線膨脹系數，故P92鋼在機組啟動和停止時，抗疲勞損傷的能力不僅會優于奧氏體鋼，也會比P22鋼強，導熱率與P91鋼相同，比奧氏體鋼高。
（2）具有比P91鋼更高的高溫蠕變斷裂強度
P92鋼的常溫強度和高溫強度高于P91鋼。根據各國測試結果，按照ASME標準估算出來的550℃、600℃和625℃等不同溫度下10萬小時P92鋼的蠕變斷裂強度分別為199MPa、131MPa和101MPa；而P91鋼在相應溫度下的蠕變斷裂強度分別為141MPa、98MPa和68MPa�？梢悦黠@地看到P92鋼的高溫蠕變強度比P91鋼高出很多。
（3）具有優異的常溫沖擊韌性
P92鋼不僅具有比傳統鋼明顯優越的高溫性能，而且還有優異的常溫韌度。它和P91鋼的情況大致相同。
（4）具有優良的抗氧化性能
P92鋼的抗煙灰氧化和抗水蒸氣氧化的性能與P91鋼大致相同。經測試，P92鋼與P91鋼在600℃、700℃下3000小時的水蒸氣氧化皮厚度大致相同。
（1）具有良好的物理性能
P92鋼的線膨脹系數與P91鋼相同，比奧氏體鋼低，甚至還低于P22鋼的線膨脹系數，故P92鋼在機組啟動和停止時，抗疲勞損傷的能力不僅會優于奧氏體鋼，也會比P22鋼強，導熱率與P91鋼相同，比奧氏體鋼高。
（2）具有比P91鋼更高的高溫蠕變斷裂強度
P92鋼的常溫強度和高溫強度高于P91鋼。根據各國測試結果，按照ASME標準估算出來的550℃、600℃和625℃等不同溫度下10萬小時P92鋼的蠕變斷裂強度分別為199MPa、131MPa和101MPa；而P91鋼在相應溫度下的蠕變斷裂強度分別為141MPa、98MPa和68MPa�？梢悦黠@地看到P92鋼的高溫蠕變強度比P91鋼高出很多。
（3）具有優異的常溫沖擊韌性
P92鋼不僅具有比傳統鋼明顯優越的高溫性能，而且還有優異的常溫韌度。它和P91鋼的情況大致相同。
（4）具有優良的抗氧化性能
P92鋼的抗煙灰氧化和抗水蒸氣氧化的性能與P91鋼大致相同。經測試，P92鋼與P91鋼在600℃、700℃下3000小時的水蒸氣氧化皮厚度大致相同。
2 P92鋼的焊接性分析
2.1 焊接裂紋敏感性比傳統的鐵素體耐熱鋼低
從斜Y拘束試驗測試圖中，可以看出P92鋼只需預熱到100℃，P91鋼需要預熱到180℃裂紋率為零，而P22鋼需預熱到300℃才能達到。
2.2具有較明顯的時效傾向。
P92鋼經3000小時時效后，其韌性下降了許多。P92鋼的沖擊功從時效前的220J左右降到了70J左右，在3000小時時效以后，沖擊功繼續下降的傾向不明顯，沖擊功將穩定在時效3000小時的水平。時效傾向發生在550～650℃的范圍內，這個溫度范圍正是該鋼材的工作溫度范圍。母材具有明顯的時效傾向，與母材成分相近的焊縫也會有同樣的傾向。
2.3焊縫韌性低于母材的原因
焊縫金屬韌性不及母材的原因，在于焊縫金屬是從溫度非常高的熔融狀態冷卻下來的鑄造結構，它沒有機會經過TMCP過程（Thermal-Mechanical Control Process）即熱控軋加工過程，晶粒得不到細化，Nb等微合金化元素還固熔在基體內，沒有機會充分析出的緣故。
2.4 盡管P92鋼開發出來已經有20多年了，但在國外大規模應用的業績并不是太多，在國內剛開始應用。焊接接頭是影響機組運行安全的最薄弱環節，由于P92鋼合金元素含量高，焊接上有較大的技術難度，容易出現接頭沖擊功低和長期運行中的IV型開裂早期失效，如果焊接質量得不到保證，P92的優勢將不復存在，并對機組運行安全性帶來威脅。
從斜Y拘束試驗測試圖中，可以看出P92鋼只需預熱到100℃，P91鋼需要預熱到180℃裂紋率為零，而P22鋼需預熱到300℃才能達到。
2.2具有較明顯的時效傾向。
P92鋼經3000小時時效后，其韌性下降了許多。P92鋼的沖擊功從時效前的220J左右降到了70J左右，在3000小時時效以后，沖擊功繼續下降的傾向不明顯，沖擊功將穩定在時效3000小時的水平。時效傾向發生在550～650℃的范圍內，這個溫度范圍正是該鋼材的工作溫度范圍。母材具有明顯的時效傾向，與母材成分相近的焊縫也會有同樣的傾向。
2.3焊縫韌性低于母材的原因
焊縫金屬韌性不及母材的原因，在于焊縫金屬是從溫度非常高的熔融狀態冷卻下來的鑄造結構，它沒有機會經過TMCP過程（Thermal-Mechanical Control Process）即熱控軋加工過程，晶粒得不到細化，Nb等微合金化元素還固熔在基體內，沒有機會充分析出的緣故。
2.4 盡管P92鋼開發出來已經有20多年了，但在國外大規模應用的業績并不是太多，在國內剛開始應用。焊接接頭是影響機組運行安全的最薄弱環節，由于P92鋼合金元素含量高，焊接上有較大的技術難度，容易出現接頭沖擊功低和長期運行中的IV型開裂早期失效，如果焊接質量得不到保證，P92的優勢將不復存在，并對機組運行安全性帶來威脅。
3 P92鋼大口徑厚壁管道焊接的主要問題
由于P92鋼具有明顯的時效傾向，與母材成分相近的焊縫也會有同樣的傾向。為了避免焊縫金屬時效后韌性過低，提高焊縫金屬時效前的原始韌度，為時效留出一定的余量，是P92鋼大口徑厚壁管道焊接的主要問題。圍繞提高焊縫韌性這個關鍵問題，我們從焊材的選擇、焊接中的預熱、層間溫度、焊接熱輸入量（表現為每層焊道的焊縫增高厚度）、熱處理溫度和時間等方面展開了研究，從大量的試驗數據中尋找影響焊縫韌性的因素，編制提高焊縫韌性的最佳工藝，從而為保證SA335-P92鋼工廠化配管焊接質量打下扎實的基礎。
4 P92鋼焊接材料的選擇與試驗
4.1 伯樂-蒂森公司出品的P92鋼焊接材料試驗情況
4.1.1 伯樂—蒂森 MTS616/MARASON543 焊絲/焊劑組合埋弧焊熔敷金屬堆焊試驗情況
預熱溫度：200℃ 預熱方法：火焰加熱
層間溫度：200℃~280℃ 測溫方式：采用點溫儀在中部測溫
焊后消氫處理：300℃X2h 加熱方法：電阻加熱片 焊接順序：首先采用MTS—616焊條 （φ4）手工電焊堆焊三層隔離層，厚度：5~6mm。
SAW-堆焊層：焊絲規格Φ3mm，堆焊厚度約32mm，共焊10層16道。
堆焊焊接參數如下：
I=450~460A U=30~31V V=400~410mm/min
焊絲/焊劑組合埋弧焊熔敷金屬拉伸試驗結果見下表 ：
4.1.1 伯樂—蒂森 MTS616/MARASON543 焊絲/焊劑組合埋弧焊熔敷金屬堆焊試驗情況
預熱溫度：200℃ 預熱方法：火焰加熱
層間溫度：200℃~280℃ 測溫方式：采用點溫儀在中部測溫
焊后消氫處理：300℃X2h 加熱方法：電阻加熱片 焊接順序：首先采用MTS—616焊條 （φ4）手工電焊堆焊三層隔離層，厚度：5~6mm。
SAW-堆焊層：焊絲規格Φ3mm，堆焊厚度約32mm，共焊10層16道。
堆焊焊接參數如下：
I=450~460A U=30~31V V=400~410mm/min
焊絲/焊劑組合埋弧焊熔敷金屬拉伸試驗結果見下表 ：
SAW熔敷金屬常溫、高溫拉伸性能試驗結果（PWHT：750℃*5h）
|
試驗溫度 |
σs(Mpa)
|
σb(Mpa)
|
d5(%)
|
f(%)
|
備注
|
|
室溫
|
530
|
620
|
17
|
|
保證值
|
|
室溫
|
595
|
775
|
24.5
|
68.5
|
|
|
室溫
|
650
|
765
|
21.5
|
65.5
|
|
|
600℃
|
425
|
440
|
12.5
|
81
|
|
|
600℃
|
395
|
415
|
21
|
84
|
|
四種回火條件下的P92自動焊熔敷金屬沖擊功
|
焊接方法 |
規格（mm）
|
PWHT
℃*h |
Akv
(J) |
平均值(J)
|
試驗溫度（℃）
|
|
SAW
|
Φ3
|
750X5
|
25
|
31
|
20
|
|
27
|
|||||
|
40
|
|||||
|
760X4
|
64
|
51.5
|
20
|
||
|
39
|
|||||
|
765X4
|
38
|
47.5
|
20
|
||
|
57
|
|||||
|
775X4
|
58
|
71
|
20
|
||
|
84
|
SAW熔敷堆焊金屬化學成份分析結果表明：各化學元素含量均在標準規定的范圍內。
4.1.2伯樂—蒂森 MTS616 φ3.2和φ4焊條熔敷金屬堆焊試驗情況
預熱溫度：200℃ 預熱方法：火焰加熱
層間溫度：200℃~300℃ 測溫方式：采用點溫儀在中部測溫
焊后消氫處理：300℃X2h 加熱方法：電阻加熱片
焊條規格Φ3.2 mm，堆焊厚度：32mm，共焊15層76道。
堆焊焊接參數如下：
I=120A U=23~25V V=130~150mm/min
焊條規格Φ4.0 mm，堆焊厚度：32mm，共焊12層54道。
堆焊焊接參數如下：
I=150A U=23~25V V=130~150mm/min
手工后焊熔敷金屬力學性能試驗結果見下表：
4.1.2伯樂—蒂森 MTS616 φ3.2和φ4焊條熔敷金屬堆焊試驗情況
預熱溫度：200℃ 預熱方法：火焰加熱
層間溫度：200℃~300℃ 測溫方式：采用點溫儀在中部測溫
焊后消氫處理：300℃X2h 加熱方法：電阻加熱片
焊條規格Φ3.2 mm，堆焊厚度：32mm，共焊15層76道。
堆焊焊接參數如下：
I=120A U=23~25V V=130~150mm/min
焊條規格Φ4.0 mm，堆焊厚度：32mm，共焊12層54道。
堆焊焊接參數如下：
I=150A U=23~25V V=130~150mm/min
手工后焊熔敷金屬力學性能試驗結果見下表：
P92手工焊熔敷金屬拉伸試驗結果 （PWHT：760℃*4h）
|
焊條規格 |
試驗溫度
|
σs(Mpa)
|
σb(Mpa)
|
d5(%)
|
f(%)
|
|
Φ3.2焊條
|
常溫
|
585
|
725
|
22
|
61.5
|
|
600℃
|
300
|
340
|
25.5
|
81.5
|
|
|
Φ4.0焊條
|
常溫
|
615
|
750
|
20.5
|
60
|
P92不同回火條件下手工焊熔敷金屬沖擊功
|
規格（mm）
|
PWHT
℃*h |
Akv
(J) |
平均值(J)
|
試驗溫度（℃）
|
|
Φ3.2焊條
|
760X4
|
74
|
70
|
20
|
|
66
|
||||
|
765X4
|
48
|
46
|
20
|
|
|
44
|
||||
|
775X4
|
63
|
79
|
20
|
|
|
95
|
||||
|
Φ4.0焊條
|
760X4
|
55
|
55.5
|
20
|
|
56
|
||||
|
765X4
|
47
|
47.5
|
20
|
|
|
48
|
||||
|
775X4
|
57
|
58.5
|
20
|
|
|
60
|
SMAW熔敷堆焊金屬化學成份分析結果表明：各化學元素含量均在標準規定的范圍內。
4.2 奧林康公司出品的P92鋼焊接材料性能
焊條牌號：AL CROMOCORD 92（符合AWS SFA-5.5 E9018-G）
規格：φ3.2
焊條類別：堿性焊條，焊后焊縫具有很高的抗高溫蠕變性能，工作溫度可達到600℃。
焊縫金屬的化學成分（典型標準值）：
4.2 奧林康公司出品的P92鋼焊接材料性能
焊條牌號：AL CROMOCORD 92（符合AWS SFA-5.5 E9018-G）
規格：φ3.2
焊條類別：堿性焊條，焊后焊縫具有很高的抗高溫蠕變性能，工作溫度可達到600℃。
焊縫金屬的化學成分（典型標準值）：
|
C |
Si
|
Mn
|
Cr
|
Mo
|
Co
|
V
|
Nb
|
N
|
W
|
B
|
Al
|
Cu
|
|
0.1
|
0.3
|
1.0
|
9
|
0.5
|
1.0
|
0.2
|
0.05
|
0.04
|
1.7
|
0.003
|
<0.01
|
<0.05
|
焊縫金屬的機械性能（熱處理工藝為760℃保溫4小時，然后爐冷）：
|
抗拉強度（MPa） |
屈服強度（MPa）
|
延伸率（%）
|
V型沖擊功（20℃，J）
|
|
780
|
640
|
19
|
65
|
焊接電流：85-130A
烘干工藝：300-350℃烘干2小時
結合國內其他兄弟單位完成的P92焊接工藝試驗得到的經驗，我們認為以上兩家公司出品的P92鋼焊接材料可用于P92鋼工廠化加工，但應嚴把焊材進貨質量關，在有條件的情況下，應要求供貨單位提供每批P92焊材的熔敷金屬Ac1點的測試報告。
烘干工藝：300-350℃烘干2小時
結合國內其他兄弟單位完成的P92焊接工藝試驗得到的經驗，我們認為以上兩家公司出品的P92鋼焊接材料可用于P92鋼工廠化加工，但應嚴把焊材進貨質量關，在有條件的情況下，應要求供貨單位提供每批P92焊材的熔敷金屬Ac1點的測試報告。
5 P92鋼管工廠化配管焊后熱處理工藝研究
5.1 焊后熱處理工藝方法的選擇
工廠化配管焊后熱處理可采用整體熱處理和局部熱處理兩種工藝方法，而局部熱處理通常是采取包扎電阻加熱帶的方法完成。以前完成的P91鋼管焊接工藝評定經驗告訴我們：對P91等高合金鋼來說，施工現場通常采用的遠紅外電阻加熱法進行局部焊后熱處理的工藝，由于內外壁溫差大，難以滿足工廠化配管的焊接質量要求，必須采取整體熱處理的措施。
5.2 焊后熱處理工藝參數的選擇
通過分析不同的焊接材料供應商提供的焊后熱處理工藝參數，我們采用了四種溫度進行焊后熱處理試驗，以便尋找最優的P92工廠化配管加工熱處理制度：
不同的焊后回火參數下得到的P92焊縫沖擊功如下表：
工廠化配管焊后熱處理可采用整體熱處理和局部熱處理兩種工藝方法，而局部熱處理通常是采取包扎電阻加熱帶的方法完成。以前完成的P91鋼管焊接工藝評定經驗告訴我們：對P91等高合金鋼來說，施工現場通常采用的遠紅外電阻加熱法進行局部焊后熱處理的工藝，由于內外壁溫差大，難以滿足工廠化配管的焊接質量要求，必須采取整體熱處理的措施。
5.2 焊后熱處理工藝參數的選擇
通過分析不同的焊接材料供應商提供的焊后熱處理工藝參數，我們采用了四種溫度進行焊后熱處理試驗，以便尋找最優的P92工廠化配管加工熱處理制度：
不同的焊后回火參數下得到的P92焊縫沖擊功如下表：
|
P92熔敷金屬（MTS616焊材）沖擊吸收功對比表 |
||||
|
|
焊接方法
|
手工焊φ3.2
|
手工焊φ4.0
|
自動焊φ3.0
|
|
線能量
|
12.8KJ/cm
|
13.8KJ/cm
|
21.6KJ/cm
|
|
|
焊接層/道數
|
15層76道
|
12層54道
|
10層16道
|
|
|
溫度×時間
|
回火參數P
|
平均沖擊吸收功（J）
|
||
|
750℃×5h
|
21.2
|
——
|
——
|
31
|
|
760℃×4h
|
21.3
|
70
|
55.5
|
51.5
|
|
765℃×4h
|
21.4
|
46
|
47.5
|
47.5
|
|
775℃×4h
|
21.6
|
79
|
57.5
|
71
|
回火參數按Larson-Miller公式計算：
P=（273+T）*（20+Lgt）*0.001
上式中T：溫度 ℃，t： 時間 小時
從上表可以看出：
a）對手工焊來說，φ3.2焊條共焊15層76道，平均每層焊肉厚度為2.0mm；φ4.0焊條共焊12層54道，平均每層焊肉厚度為2.5mm。當回火參數取為21.3~21.6時，熔敷金屬沖擊功均可滿足最低41J的要求。φ3.2與φ4.0焊條相比，φ3.2焊條所得焊縫的沖擊功更好（平均高15J）。
b）對自動焊來說，φ3.0焊絲共焊10層16道，平均每層焊肉厚度為3mm。當回火參數在21.3~21.6之間變化時，焊縫沖擊韌性均可滿足最低41J的要求，隨回火參數的增加，沖擊功相應增加，最高可達70J，比φ3.2焊條低，但比φ4焊條高。
C）一般認為，焊接輸入線能量的高低對焊縫沖擊功影響很大，但經過合適的PWHT處理以后，較高的線能量和較低的線能量相比，所得結果基本相當，說明埋弧自動焊的工藝方法完全適用P92鋼的焊接。
綜上所述，對工廠化配管的P92焊縫來說，手工焊應盡量選用φ3.2的焊條；焊后熱處理的回火參數取21.3~21.5較為妥當，但最佳回火參數為21.5，考慮到焊后熱處理的最高溫度不能超過P92焊接材料的Ac1溫度，決定實際生產中取用的熱處理溫度770℃。
P=（273+T）*（20+Lgt）*0.001
上式中T：溫度 ℃，t： 時間 小時
從上表可以看出：
a）對手工焊來說，φ3.2焊條共焊15層76道，平均每層焊肉厚度為2.0mm；φ4.0焊條共焊12層54道，平均每層焊肉厚度為2.5mm。當回火參數取為21.3~21.6時，熔敷金屬沖擊功均可滿足最低41J的要求。φ3.2與φ4.0焊條相比，φ3.2焊條所得焊縫的沖擊功更好（平均高15J）。
b）對自動焊來說，φ3.0焊絲共焊10層16道，平均每層焊肉厚度為3mm。當回火參數在21.3~21.6之間變化時，焊縫沖擊韌性均可滿足最低41J的要求，隨回火參數的增加，沖擊功相應增加，最高可達70J，比φ3.2焊條低，但比φ4焊條高。
C）一般認為，焊接輸入線能量的高低對焊縫沖擊功影響很大，但經過合適的PWHT處理以后，較高的線能量和較低的線能量相比，所得結果基本相當，說明埋弧自動焊的工藝方法完全適用P92鋼的焊接。
綜上所述，對工廠化配管的P92焊縫來說，手工焊應盡量選用φ3.2的焊條；焊后熱處理的回火參數取21.3~21.5較為妥當，但最佳回火參數為21.5，考慮到焊后熱處理的最高溫度不能超過P92焊接材料的Ac1溫度，決定實際生產中取用的熱處理溫度770℃。
6 工程應用
本項目的成果已應用在華電國際鄒縣發電廠四期工程2X1000MW超超臨界機組和外高橋第三發電廠2X1000MW超超臨界機組。其中鄒縣電廠四期工程P92鋼管道工廠對接焊接接頭數量見下表，這些接頭大部分是采用氬弧焊打底+手工電弧焊+埋弧自動焊工藝技術，經檢驗質量全部合格。投運半年來，未發現質量問題。
表：鄒縣電廠四期工程P92鋼管道工廠對接焊接接頭數量
表：鄒縣電廠四期工程P92鋼管道工廠對接焊接接頭數量
|
序號 |
系統
|
規格
|
7#機數量
|
8#機數量
|
|
1
|
主汽
|
ID381X77.902
|
31
|
35
|
|
2
|
主汽高旁
|
ID254X53.391
|
19
|
19
|
|
3
|
VV閥后
|
ID254X26.035
|
6
|
6
|
|
4
|
VV閥前
|
OD273X40
|
2
|
2
|
7 總結
7.１研究結果表明，焊接工藝中層間溫度、焊道層的厚度以及熱處理溫度對SA335-P92鋼的焊接接頭韌度都有影響。其中，焊道層的厚度和熱處理溫度對焊縫韌度影響尤為明顯，必須引起足夠的重視。手工焊操作時采用寬擺快速薄層焊接操作運條法，控制每道焊層的增厚≤2.5mm,有利于確保焊縫沖擊功>41J；自動焊操作時應適當加快焊接速度，控制每道焊層的增厚≤3.0mm,有利于確保焊縫沖擊功>41J；
7. 2試驗證明,P92鋼合理的回火參數范圍應為21.3～21.6，能保證焊縫的韌性滿足最低要求，但最佳焊接回火參數為21.5，這相當于750℃×10小時或760℃×6小時或770℃×4小時的熱處理作用效果，從提高效率、降低成本的角度出發，最合適的熱處理溫度應取770℃。更高的回火參數是否會對焊接接頭產生不良影響未經試驗論證，但焊后熱處理溫度上限不得超過焊接材料的Ac1溫度點.
7.３.對工廠化配管加工來說，不適宜采用遠紅外電阻加熱設備對大口徑厚壁高合金鋼管進行局部熱處理,由于內外壁溫差較大（經驗表明：壁厚90mm的管道采用遠紅外電阻加熱時，內壁溫度比外壁溫度低30℃以上），內壁焊縫將無法滿足最低韌性要求，而采用整體進大爐熱處理的方法則不存在類似問題。
7. 2試驗證明,P92鋼合理的回火參數范圍應為21.3～21.6，能保證焊縫的韌性滿足最低要求，但最佳焊接回火參數為21.5，這相當于750℃×10小時或760℃×6小時或770℃×4小時的熱處理作用效果，從提高效率、降低成本的角度出發，最合適的熱處理溫度應取770℃。更高的回火參數是否會對焊接接頭產生不良影響未經試驗論證，但焊后熱處理溫度上限不得超過焊接材料的Ac1溫度點.
7.３.對工廠化配管加工來說，不適宜采用遠紅外電阻加熱設備對大口徑厚壁高合金鋼管進行局部熱處理,由于內外壁溫差較大（經驗表明：壁厚90mm的管道采用遠紅外電阻加熱時，內壁溫度比外壁溫度低30℃以上），內壁焊縫將無法滿足最低韌性要求，而采用整體進大爐熱處理的方法則不存在類似問題。
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