不同焊接工艺对P91钢材焊接接头性能的影响

～ 0.03 ～ 0.40 0.07
～
0.04 ～ 0.07
0.25
TGS-9Cb
0.032 0.035
SAF CDV-95 0.038
0.041
0.003
商检
0.017 0.011
Ti
Ni
0.40
0.010
0.40
0.69 0.70
0.050
0.09 0.14
Sn
Cu
0.020 0.010
Sb 0.010 0.003
19
接头 熔合线 33
19
17
23
焊 位 热影响
2G； 区
98
101 90
96
G 管 焊缝 96
116 120 110
接头 熔合线 198 210 217 208
焊 位 热影响
5G； 区
216 217 224 218
表5 4个试样的金相组织
试样 编号 母材 D管 D管 R管 R管 G管 G管
检验 区域
P
≤0.020
≤0.020
0.010 0.010 0.013 0.015 0.013
S
≤0.010
≤0.005
0.008 0.008 0.007 0.0038 0.0045
Si
Cr
Mo
V
0.20 0.50
～
8.00～9.50
0.85 1.05
～ 0.18 0.25
～
0.20 0.40
～
8.00～8.50
2 两种不同的焊接工艺
2.1 安装单位焊接工艺 2.1.1 TIG 焊封底时预热 50～80℃（因为打底时坡
173
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口外要贴密封胶带）管内充氩保护，氩气纯度在 99.95％以上； 2.1.2 SMAW 焊前预热至 180～250℃； 2.1.3 焊接线能量：第一台机组 E＝60kJ／cm、第 二台机组 E≤30kJ／cm;(由于接头脆性明显第二台 机组做了调整，并对第一台焊接接头做了现场的正 火＋高温回火处理) 2.1.4 焊层厚度不大于 3mm； 2.1.5 层间温度不超过 250℃； 2.1.6 焊后待接头冷却到常温再进行回火处理； 2.1.7 回火的最高温度为 780℃，恒温时间 90 分钟； 2.1.8 基本不用Φ4mm 的焊条。 2.2 生产单位焊接工艺 2.2.1 TIG 焊封底时预热 180～200℃（因为打底时 坡口外要贴密封胶带）管内充氩保护，氩气纯度在 99.95％以上； 2.2.2 SMAW 焊前预热至 200～250℃； 2.2.3 焊接线能量： E≤25kJ／cm； 2.2.4 焊层厚度不大于 2mm； 2.2.5 层间温度不超过 350℃； 2.2.6 焊后待接头冷却到 100～120℃恒温 60 分钟 再进行回火处理； 2.2.7 回火的最高温度为 760℃，恒温时间 480 分
钟； 2.2.8 大量使用Φ4mm 的焊条； 2.2.9 使用的焊材、管材均为安装工程剩余的材料。
3 两种焊接工艺的试样系列试验结果
取样管：Φ323.9×36mm，编号：D4、D61、 R129、R131、G 管
样品中：D 管代表第一台机组的安装焊接接 头，焊位 2G；（因为冲击值低，在现场对焊缝接头 做了整体的正火＋高温回火处理）
216
216
..
3.5 接头的冲击韧性
℃，试验机的负荷精度为±1.0%。试验进行至试样
试验机型号：JBC-300 电子测力冲击试验机。 断裂，记录加载应力和对应的断裂时间，测量试样
试验结果见表 4。从中可以看出冲击韧性 G 管接头 断后伸长率和断面收缩率。除 R 类焊缝的一个样品
好于 D 管接头和 R 管接头。
1 问题的来源
某发电公司两台 142MW 双抽供汽机组，配 4 台 420t/h 发电锅炉，于 1995 年底开工建设，1999 年 10 月全部投产。蒸汽参数：P=13.7MPa,T=560 ℃。投运时间：第一台机组 1998.10.21 投运,第二台 机组 1999.10.21 投运。其中主蒸汽管道选用法国瓦 鲁海尔公司生产的 P91 钢管，设计规格：Ф323.9 ×28.6 mm。分布于 9 条管路，共用直管 320m；还 有Φ219.1×18.3mm 钢管 285m 及Φ114.3×11.1mm 钢管 40m 分别装在 2 台机组的本体、启减和快减设
G2
G3 G4 G5 M1 M2 M3 M4 M5 M6
试样 名称
D 管接头 试样 焊位 2G；
R 管接头试 样 焊位 2G；
G 管接头 试样
焊位 5G；
M 管试样 （未使用 过的管材）
σ0.2 （MPa）
420 425 420 295 225 260 490 195 490 355 355 360 552
36金相组织4个试样的组织检验结果见下表4个试样的金相组织试样检验编号区域焊缝较细小的且呈树枝状的板条马氏体热影响区较细小的板条马氏体焊缝较粗大的板条马氏体原奥氏体晶界局部有拉长的条带状网状晶界热影响区较粗大的板条马氏体原奥氏体晶界有网状晶界焊缝板条马氏体原奥氏体晶界局部有细小的网状晶界热影响区板条马氏体37持久强度试验持久强度试验按照gbt20391997金属拉伸蠕变及持久试验方法在rl34蠕变试验机上进行试验温度565
备管道上。2 台机组共计有 P91 钢材焊接接头约 500 余只。
在 2003、2004 年大修中，对 2 台机组和配属 的主汽启减、快减及本体管道的安装焊口做了 100 ％的超声波检查和硬度检测。检验结果:按 DL/T5048－95（超声波探伤）标准要求，查出超标 的焊口达 40％
检查中发现φ219.1×18.3mm 管道和φ114.3 ×11.1mm 的管道中有宏观裂纹存在，发现的部位， 吊焊位（5G 焊口）的平焊收弧弧坑处（即弧坑裂 纹）裂纹最长 13mm，集中在启减、本体、快减管 道上，大约有 30 个。同时还发现汽机侧 2 个φ 323.9mm 焊口在焊缝的两侧有沿熔合线开裂的表 面裂纹，最长 135mm（环向）。在硬度检查中发现 焊口硬度大于 270HB 的焊口有 90 余只。
断于焊缝处外，所有的焊缝试样均断于邻近焊缝的
3.6 金相组织
母材。
4 个试样的组织检验结果见表 5。表中的图号 对应于图 1~图 7。 3.7 持久强度试验
持久强度试验按照 GB／T2039-1997“金属拉
对 4 类管样持久试验结果。采用（1）式用最 小二乘法对试验结果进行拟合
σ = A(tr )m
3.3 接头在室温和 565℃下的拉伸试验 从表 2 中可以看出：G 管的指标好于 D 管和 R
管，与母材较接近。 3.4 接头的硬度
可以看到接头焊缝的硬度 G 管比其他的好，接 近于母材。
表2 接头在室温和565℃下的拉伸试验结果
试样 编号
D1 D2 D3 D4 D5 D6
R1 R2 R3 R4 R5 R6 G1
14.5
17.5 19.0 17.0 25.5 24.0 22.5 19.5 19.0 22.0
ψ （％）
70.0 70.5 39.5 84.0 82.0 78.5 66.0 64.5 65.0 81.5 80.5 80.5 71.5
71.5
82.0 81.5 80.5 71.5 72.0 70.5 82.0 82.0 83.0
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不同焊接工艺对P91钢材焊接接头性能的影响
蔡连元 1 魏烈和 2 陈 波 2
（1 兰州西固热电公司 甘肃 兰州 730060；2 大唐甘肃发电有限公司焊工培训中心 甘肃 兰州 730060）
摘 要：P91 钢材因不同的焊接工艺会使焊接接头的组织、性能有不同结果。文中对不同的两种焊接工艺，通过取样做了 常温和高温的性能试验，从数据中可以看到其结果是不同的，合适的焊接工艺得到的结果基本和母材一致，而蠕变寿命比 另一种焊接工艺相对长 10 倍以上。 关键词：两种焊接工艺；焊接接头；组织；性能；比较
试验温度 （℃）
室温
备注 断在焊缝
565 室温
565 室温 565 室温
565
表3 母材与焊及接头的硬度测定结果（HB）
试样编号 试样名称 焊管 M ――
――
216
HBS10／3000
2
D 管接头 222
223
211
..
3
R 管接头 295
299
209
..
4
G 管接头 210
0.85 1.05
～ 0.18 0.25
～
0.17
8.68
0.80
0.21
0.18
8.65
0.81
0.21
0.40
8.60
0.90
0.22
0.31
9.46
0.88
0.20
0.28
9.23
0.86
0.21
（续）表1
Nb
N
Ai
ASME
0.06
SA335-P91 0.10
VALLOUREC
0.06 0.10
备注
母材
法国 母材 日本 焊丝 法国 焊条
母材
174
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成形不良，表面不规则等缺陷。其中 R129 层间缺 陷两处，分别长 155、100mm ；R131 层间缺陷长 220mm。宏观测量结果，根部未焊透深度 2.5～ 3.0mm，个别达 9.1×8.3mm。R131 根部裂纹深 2.8mm、D61 根部裂纹深 2.0mm。G 管未发现上述 缺陷且根部凸出 1～1.5mm ，焊缝成形良好。
R 管代表第二台机组的安装焊接接头，焊位 2G；（改进后的焊接工艺）
G 管代表返修单位的焊接接头，焊位 5G； M 管代表原始母材 说明：安装焊口、返修焊口所使用的管材和焊 接材料是相同的。 3.1 管材和焊接材料的化学成分 表 1 是管材和焊接材料的化学成分。 3.2 接头的外观检查 焊缝内壁缺陷。D、R 管焊缝内壁存在根部未 焊透、裂纹、焊瘤、未焊满、凹坑、错边、焊缝
（1）
伸蠕变及持久试验方法”在 RL3/4 蠕变试验机上进
式中 σ——试验应力，MPa；
行，试验温度 565℃，控温精度和温度梯度均≤±3
tr——断裂时间，h；
175
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A、m——与试验温度有关的材料常数。
表4 接头在室温下的冲击试验结果
管样 名称
取样部 位
冲击功 AKV（J） 单个 单个 单个 样值 样值 样值
平均 值
D 管 焊缝 94
91
117 101
接头 熔合线 130 92
120 114
焊 位 热影响
2G； 区
180 91
85
119
R 管 焊缝 18
18
22
0 前言
随着高参数大容量发电机组的需要，新型的热 强钢种相继出现并广泛被使用。上个世纪七十年代 结构钢的强韧化技术日趋完善，其特点是成分经过 了纯净化，并通过控轧手段进一步细化了晶粒也同 样提高了热强钢的性能，P91 钢材就是属于细晶强 韧化热强钢。
众所周知，细晶强韧化热强钢在焊接工艺中表 现最为突出的是焊接接头的性能低下，特别是焊缝 的冲击韧性，其主要原因是焊接设备和工艺还无法 达到成分纯净化和控轧的手段。因此焊接接头的性 能无法和轧钢的成品相媲美。但是如果正确地实施 焊接工艺和改进焊接操作手法，还是可以大幅度提 高焊接接头性能的。
545.5
355 355 360 520 500 510 370 380 360
σb （MPa）
625 630 620 335 330 340 665 675 670 380 390 385 663
672
405 395 405 685 680 680 410 420 400
δ5 （％）
21.0 21.0 15.0 23.0 20.5 17.0 15.0 14.5 15.5 17.5 16.0 16.5 14.5
板条马氏体
图号 1 2 3 4 5 6 7
图1 图片2 图片3
表1 试验用钢、焊丝和焊条的化学成分（Wt％）
ASME SA335-P91 VALLOUREC
TGS-9Cb SAF CDV-95 商检
C 0.08 ～ 0.12 0.08 ～ 0.12 0.09 0.10 0.086 0.11 0.12
Mn 0.30 ～ 0.60 0.30 ～ 0.50 0.95 0.96 0.90 0.46 0.48
――
焊缝 热影 响区
焊缝
热影 响区
焊缝
热影 响区
微观组织特征
较粗大的回火板条马氏 体，脆性夹杂物 1 级，塑 性夹杂物 0.5 级 较细小的且呈树枝状的 板条马氏体
较细小的板条马氏体
较粗大的板条马氏体，原 奥氏体晶界局部有拉长 的条带状网状晶界 较粗大的板条马氏体，原 奥氏体晶界有网状晶界 板条马氏体，原奥氏体晶 界局部有细小的网状晶 界
如此众多的超标缺陷必定对安全运行有很大 的影响。为此生产单位自己研制了一套焊接工艺并 在现场对安装中有严重缺陷的焊口 80 余只做了返 修处理，保证了运行安全。
为了考察 2 种不同的焊接工艺对 P91 钢材焊接 接头的性能影响，分别取样做了接头的材料性能系 列试验，验证不同焊接工艺焊制的接头性能，确实 保证安全、可靠运行。