T92钢焊接接头弧坑裂纹及防范措施

　　摘要:文中介绍了新型马氏体耐热钢T92钢焊接接头出现弧坑裂纹的状况，探讨了其产生的原因及防范措施，对T92钢的焊接工作具有一定的实践意义。
　　关键词:T92钢焊接接头;弧坑裂纹;防范措施
　　全国火电机组向大机组、大容量、USC机组、节水环保型方向发展。USC机组是通过提高火电机组锅炉蒸汽温度、压力参数提高机组效率，而提高蒸汽参数遇到的关键问题是金属材料的耐高温、高压和焊接问题。T/P92钢作为超（超）临界机组用钢，现已被推广使用。由于T92钢的高温蠕变断裂强度非常高，抗腐蚀性能好，提高了耐热钢的工作温度，减少了钢材的厚度，降低了钢材的消耗量，降低了管道热应力；其热传导和膨胀系数也远优于奥氏体不锈钢，被主要用于替代电厂锅炉的过热器和再热器的不锈钢材质。
　　新型马氏体耐热钢T92的焊接为火电建设中小径管焊接的关键技术。SA213-T92钢是在T91钢的基础上加入了1.7％的钨(W)，同时钼(Mo)含量降至0.5％，加入微量B强化晶界来进一步提高持久蠕变断裂强度，通过加人W元素，严格控制Al、Zr等元素，显著提高了钢材的高温蠕变断裂强度。SA213-T92钢中有关碳(C)、硫(S)、磷(P)等元素含量低、纯净度较高，且具有高韧性，其焊态低碳马氏体仍具有一定的塑性，焊接冷裂纹倾向大为降低，但由于其钢种的特殊性，仍存在一定的裂纹倾向，所以焊接时必须采取一些必要的预防措施。
　　1焊接接头存在的裂纹
　　平顶山第二发电厂2×1000MW机组工程#1机组，在地面组合屏式过热器，小径管材质为SA213-T92，规格为φ50.8×11mm、φ45×9.8mm；焊接方法为氩弧焊，焊丝为MTS616，焊层厚度控制在3mm以内，总共焊接四层；焊接线能量、焊接电流符合工艺评定要求；预热方式是在焊口两侧一定距离处采用了电加热，焊接时再用火焰预热。
　　焊口热处理后经射线检验发现在平焊位置处频繁出现裂纹，裂纹在射线底片上的影像多数与焊缝垂直（即沿管径轴向方向），根据底片反映情况，采用角向磨光机打磨，发现裂纹已向焊缝径向延伸2~4mm，如图1所示。
　　2裂纹产生的原因分析
　　2.1 分析产生裂纹的可能原因
　　为找到产生裂纹的真正原因，在焊培进行模拟现场位置的焊接，工艺与现场焊接相同，预热采用火焰预热，然后进行热处理、射线检验，没发现裂纹。
　　对已焊的焊口马上进行射线直透（即垂直透照，将上下焊缝重合）和侧面透视（主要为了检测焊缝的侧接头处有无裂纹）后查看裂纹产生的位置，裂纹主要出现在平焊收弧位置，如图2所示。
　　对成排吊口的焊接顺序，起弧、收弧位置进行详细的核对，发现焊工在焊接顺序，起弧、收弧位置上均是按照常规钢材的焊接方式进行焊接；对焊工的焊接过程进行分析时发现，在电加热的基础上采用了火焰预热，按照习惯，一预热完，焊工就开始焊接，刚开始的焊口还用红外线点温仪测温度，后面再焊时就省了这一道工序，直接焊接，对于小径管来说，这样做的结果就是预热温度和层间温度控制不严，出现预热温度和层间温度偏高的现象。
　　 
　　图1焊接接头上的横向裂纹 图2焊接裂纹出现的位置
　　2．2综合分析结果
　　(1)裂纹主要出现在平焊收弧位置，应为弧坑裂纹；而且弧坑裂纹在应力作用下从底层焊缝扩展到了次层焊缝。
　　(2)预热温度、层间温度控制不到位；电加热与火焰预热的方式向结合，确实有效保证了预热温度达到了150℃的要求，但火焰预热完后就进行了焊接，焊接过程中没有再测温，致使焊接时的预热温度、层间温度超过了规定的上线要求；预热温度、层间温度过高是接头产生裂纹的一个主要因素。
　　(3)收弧位置集中留在了平焊位置；最后的封口位置留在了平焊位置，平焊位置就成了打底焊的最薄弱处，对于T92这种新型马氏体耐热钢来说，平焊位置就是产生裂纹的易发位置。
　　2．3裂纹产生的机理
　　(1)冶金因素
　　收弧时最后结晶的焊缝熔池金属形成的“液态薄膜”，存在较多的低熔点金属杂质，这种低熔点杂质在高温时强度很低，抵制不了焊接过程中金属结晶产生的拉伸应力，其液态间层被拉开，而金属结晶的末期，焊缝温度急剧降低，液固分离速度加快，液相金属流动变得困难，最后结晶的“液态薄膜”层在高温下的金属强度和塑性都降低，只要有拉伸应力作用，就有可能产生裂纹。
　　在焊缝中间层焊接时，由于金属液相多于固相，液相金属在固液间自由流动，因此不会产生裂纹。即使存在金属熔化结晶产生的拉伸应力的作用，但拉伸应力所拉开的裂缝能及时被流动着的液态金属所填充，因此不会产生裂纹。
　　(2)力学因素
　　焊缝温度过高造成焊缝金属收缩不均匀，金属内应力不均匀地加剧，往往是力学因素的重要表现。
　　3防范措施
　　3.1预热温度、层间温度的控制
　　过高的预热温度和层间温度，使焊缝金属在焊接热循环的共同作用下，在高温（1100℃以上）停留时间长，晶粒长大变脆，至使焊缝金属韧性降低。每一焊道焊接完毕，应保证测定的温度在200℃～250℃之间，即每一焊道焊接完毕后，焊缝及相邻母材的测定温度应下降到预热温度范围。这样就能保证层间温度在220℃附近上下波动，而不至过高，从而保证焊缝获得优良的冲击韧性。
　　安排专人使用红外线测温仪对焊口预热温度进行监控，达到预热温度开始依次焊接，焊接次层焊缝前再监测层间温度，如层间温度低于规定值，可用火焰进行加热，如高于规定值可等待温度降到规定值后施焊。
　　3.2焊层厚度的控制
　　严格控制焊层厚度为2.5-3.0mm，使后一焊道对前一焊道产生“回火效应”。通过严格控制焊层厚度以减小焊接热输入量，从而减少裂纹产生的几率。
　　3.3接头衔接的要求
　　由于T92材料对温度比较敏感，当一次焊接完成后，应尽快进行接弧施焊，防止弧坑冷却过快而产生裂纹。
　　3.4调整焊接顺序
　　（1）正常焊接顺序：水平固定管排，焊接时采用两人上下焊接，一般从6点起弧分别向3点、9点位置处收弧，然后再分别从3点、9点位置向12点位置收弧。
　　（2）点焊焊缝：点焊位置在平焊位置（12点），一般点焊长度10—15mm。待下半部焊道焊完后，对点焊焊缝两侧进行机械打磨，打磨出斜面，以利于焊接接头的融合。一般情况下点焊的焊缝相对比较厚，在接头前打磨时，不仅要将点焊焊缝两端打磨成斜面，还要将点焊焊缝尽量打磨薄，或者将点焊焊缝完全打磨掉，这是预防弧坑裂纹的关键。
　　（3）打底层焊接：管排下方的焊工从6点位置起弧分别向3点、9点位置焊接并收弧；管排上方的焊工分别从3点、9点位置向点焊位置（12点）焊接，形成完整的打底焊道。
　　（4）次层焊接：先从11点位置开始焊接到1点位置收弧，这样可以避免次层焊道在平焊位置收弧，起到减小平焊位置打底层收弧焊缝的应力作用；然后从6点位置分别向3点、9点位置焊接；再从3点、9点位置分别向1点、11点位置焊接。
　　（5）其他层焊道的焊接按正常顺序进行即可。
　　3.5调整收弧时的操作手法
　　(1)采用衰减电流收弧：可以使弧坑温度慢慢降低；收弧时电流不断减小，并略做停留，将熔池完全填满后再引向坡口边缘处熄弧，熄弧时，在后面点几下，以便降低收弧部位温度。一方面，可以避免最后结晶的焊缝金属呈坑状，而且熔池金属填满了，熔池中心的金属受力相对就比较平均且分散，在熔池冷却过程中产生的内应力相对就小；另一方面，将电弧引向坡口边缘处，可以减小熄弧时的应力，减少弧坑裂纹出现的几率。
　　(2)延长收弧时衰减电流的时间：对于像T92这类高合金钢材收弧时，要达到熔池完全填满，经现场计时测量，其衰减电流的时间一般为平常焊接其它钢材时的1.75~2.25倍。通过延长衰减电流的时间来减缓熔化金属的冷却速度，从而降低熔化金属因收缩而承受的拉应力，降低了这种拉应力，相应降低了产生弧坑裂纹的几率。
　　4效果
　　经过现场按照新的焊接工艺和调整后操作手法进行监控焊接，所焊焊口在热处理后进行射线检测，裂纹完全消失，对于后续的焊接提供了有力的技术保障。
　　参考文献:
　　[1]《P92钢管道焊接工艺导则》华能国际电力股份有限公司
　　[2]杨富.加快超超临界机组用新型高温高强钢开发确保超超临界机组稳步发展[C]/.超超临界锅炉用钢及焊接技术协作网第三次论坛大会论文集[I]
　　[3]杨富，章应霖，任永宁，李为民.新型耐热钢焊接.中国电力出版社，2006.
　　[4]《山东电力建设第一工程公司-焊接工艺评定手册2009/05》【第二卷】（PQR.215）

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