A A335335-P-P9292焊接技术研究

桑清莲

（河南省锅炉压力容器安全检测研究院，河南 郑州 45001650016）

随着电力工业的发展，火力发电站向更高参数和更大容量发展，大量的超临界、超超临界锅炉投入运行，对锅炉用钢的要求也随之提高。目前，超临界锅炉的主蒸汽管道、再热蒸汽管道等高温、高压部件广泛使用P92耐热钢管材制造。

P92钢是在P91钢的基础上再加入1.5～2.0%的W，同时适当降低Mo含量，在600℃的许用应力比P91高34%以上，且P92的抗热疲劳性、热传导系数和膨胀系数远优于奥氏体不锈钢，抗腐蚀性和抗氧化性能也优于其他9%Cr的铁素体耐热钢[1-3]。目前该钢种已广泛应用于超超临界锅炉的主蒸汽管道、再热蒸汽管道、高压旁路等高温、高压部位[4-5]。

本文针对超临界锅炉用A335-P92钢管，分析其在焊接及使用过程中易出现的典型缺陷，分析其形成机制及改善措施。并提出改善A335-P92钢管焊接质量的相应焊缝工艺。

1 焊接典型缺陷及解决方法

表1为A335-P92钢化学成分含量，该钢种的含碳量虽然仅为0.08wt.%左右，但由于该钢中加入了 9wt.%左右的 Cr、1.75wt.%左右 W以及 0.5wt.%左右 Mo等合金元素，使得该钢种在焊接及使用时易出现焊接冷裂纹、焊缝金属韧性低、Ⅳ型蠕变裂纹等问题[6-7]，以下分别对其进行分析。

表1 A335P92钢化学成分（wt.%）

1.1 焊接冷裂纹

P92钢中由于加入了大量的Cr、W、Mo等，能够提高材料淬透性及淬硬性的元素，使得该钢种当完全奥氏体化后空冷既能得到马氏体组织，材料的焊接冷裂纹敏感性较高。图1为P92钢斜Y型坡口拘束试验的结果[8]，由图可以看出，P92的裂纹敏感性与P91相近。当焊前预热温度提高至200℃时，基本能够避免产生焊接冷裂纹。

根据实际现场工况条件，为了避免P92钢管焊后出现焊接冷裂纹，应将焊前预热温度控制在200～250℃之间，保温30min以上，减少钢表层与心部的温度梯度。另外，拉伸残余应力是产生冷裂纹的重要影响因素，在焊接时，应避免强行组焊。

图1 P92钢斜Y型坡口拘束试验

1.2 焊缝金属冲击韧性差

对于P92焊接接头的韧性可分为焊缝金属和P92母材热影响区两个不同部分，对于P92焊缝金属的韧性差主要是由于在焊接过程中焊缝金属是熔融状态下冷却得到的铸态组织，其较大尺寸的奥氏体晶粒内部形成的板条马氏体晶粒也较为粗大，且焊缝金属中大量的Cr、Nb、V等合金元素来不及析出，大量以置换固溶的形式存在，导致严重的晶格畸变，位错密度较高，使材料的冲击韧性降低。

通常为了改善焊缝金属的韧性需要进行焊后高温回火。通过焊后热处理能够在一定程度上控制应力状态，减小晶格畸变，改善焊缝的显微组织，从而提高焊缝区韧性[9]。目前，P92钢管焊接一般采用氩弧焊打底，手工电弧焊填充，其焊缝组织中α相发生再结晶的能量壁垒较高，因此需要较高的回火温度和回火时间来改善其韧性。但更高的回火温度和保温时间必然会导致过饱和的α相中的Cr、W等合金元素以碳化物的形式大量析出，且析出物在晶界呈链状分布，对焊缝金属的韧性带来不利影响。

因此，根据P92钢焊接特性，为了改善焊缝金属韧性，通常采用氩弧焊打底+手工电弧焊填充的焊接方法，焊条采用P92专用焊条，其铬当量要求Creq＜10，焊缝组织中一般不会形成δ铁素体，其他化学成分与P92母材相似。控制焊接线能量，避免由于线能量过大造成的焊缝金属晶粒粗大，从而对金属韧性产生不利影响。焊后热处理温度在760～780℃之间，保温时间根据母材厚度决定。

1.3 Ⅳ型蠕变裂纹

对于A335-P92这种典型的9%Cr型铁素体耐热钢，经焊接实践及在役运行统计表明，焊接热影响区开裂是导致其焊接接头过早失效的重要原因之一[10]，与母材和粗晶区相比，P92钢热影响区的细晶区蠕变抗力较低，在高温使用时，由于受到周围蠕变抗力较大组织的拘束效应，P92焊缝热影响区中的细晶区易发生IV型蠕变损伤。

通过焊接坡口的设计、焊接材料的选择及焊接工艺参数的调控，使得焊缝、热影响区粗晶区及细晶区的尺寸和蠕变性能达到最优配合，使不同位置裂纹裂尖前的正应力、三轴应力和等效蠕变应变达到最小，能够提高焊接接头蠕变寿命。

2 焊接工艺

本文针对A335-P92钢的性能特性及焊接时易出现的各种缺陷。对常用的P92焊管的焊接工艺进行调整。

为减小焊接应力，提高焊接接头抗焊接冷裂纹能力，P92钢厚壁管采用如图2的窄间隙焊接坡口设计。与传统的V型宽坡口相比，通过采用该类型坡口能够显著缩短焊接时间，降低焊接热输入量，其冲击韧性、强度均有显著提高。

图2 P92钢焊接坡口设计示意图

P92焊接采用氩弧焊打底，手工电弧焊填充相结合的焊接工艺。在点焊完毕进行打底焊前，升温至150～200℃，保温至少30min的焊前预热；氩弧焊打底完毕后，预热200～250℃，恒温30min以上，经测温仪测量验证，保证坡口处温度基本均匀后，再进行手工电弧焊填充，层间温度控制在200～250℃之间。

焊接完毕后，焊缝及热影响区先缓冷至90℃，恒温2h以上，保证马氏体转变完全。然后进行温度为350±50℃，恒温2～4h的后热处理。焊后热处理采用高温回火，热处理采用整体装炉热处理。回火加热温度：770±10℃，恒温时间：4～6h。升降温速度根据壁厚确定，一般可按250×25/壁厚℃/h计算，且不大于150℃/h。降温至300℃以下时，可拆除保温棉，在静止的空气中冷却至室温。

通过采用上述焊接工艺，在对A335-P92的焊接过程中，能够有效地避免焊接冷裂纹，提高焊缝金属的韧性，确保焊接质量。

3 结论

1）焊接冷裂纹、焊缝金属韧性差以及Ⅳ型蠕变裂纹是A355-P92钢常见的三种焊接缺陷。

2）为减少焊接冷裂纹的发生，P92钢焊管氩弧焊打底完毕后，应预热200～250℃，恒温30min以上，保证坡口处温度基本均匀后，再进行手工电弧焊填充，层间温度控制在200～250℃之间。

[1]Jbrozda.New generation creep-resistant steels，their weld ability and properties of welded joints∶T/P92 steel[J].Welding International，2005，19（1）∶5-13.

[2]徐传海，薛家春.P92主蒸汽直管的选型及建议[J].电力建设，2010，83（1）：83-86.

[3]李宜男，杨松，丁冶.超超临界锅炉用SA-335P92钢的焊接工艺性能研究[J].焊接学报，2007（6）∶44-46.

[4]瓦卢瑞克·曼内斯曼钢管公司.T92/P92钢手册[C].超（超）临界锅炉用钢及焊接技术论文集，2005.

[5]齐向前，田旭海.焊后热处理对T91钢组织及性能的影响热[J].加工工艺，2007（11）：21-24.

[6]李文彬，姜运建，张文建.P92钢焊接接头存在的问题及防范措施[J].河北电力技，2008，27（2）∶35-37.

[7]屈国民，牛靖，胡彬，等.回火温度对P92钢焊接接头组织和性能的影响[J].热加工工艺，2014，43（9）∶44-47.

[8]吴军.T92钢管焊接接头组织和性能研究[M].济南：山东大学，2008.

[9]高洁安，严正，董艳柱.SA335-P92钢管采用感应加热焊接热处理工艺试验[J].电力建设，2010（10）∶109-113.

[10]Albert SK，Matsui M，Watanabe T，et al.Tabuchi M.Microstructural investigations on TypeⅣ caracking in a high Cr steel.ISIJ Int，2002，42（12）∶1497-1504.