如何选用马氏体耐热钢的焊条

如何正确选用马氏体耐热钢的焊条

张佩良

0、前言

近几年来，我国兴建了一大批超临界、超超临界大型火电机组，大量选用了P91、P92、P122等新型马氏体耐热钢，用于电站锅炉的主蒸汽管道、再热器管道、过热器管道、过热器集箱和再热器集箱等等。

我国在上个世纪90年代中期就开始焊接P91钢主蒸汽管道，由于缺乏焊接技术资料，没有焊接技术相关标准和焊接生产经验，焊接生产过程中出现了许多焊接质量问题。笔者组织并参加了电力行业标准“DLS007-92”和“DL/T869-2004火力发电厂焊接技术规程”的起草和修订工作，也多次赴现场调查并解决焊接质量问题，深刻体会到“焊接技术规程”和认真执行“焊接技术规程”的重要性，它是提高焊接质量、保证焊接工作顺利进行的重要保证，是电厂安全可靠运行的重要依据。

目前，在电建安装和检修焊接工作中，仍以钨极氩弧焊和焊条电弧焊为主，尤其是现场安装焊接工作量比较大，而且主要是采用电焊条，因此充分掌握电焊条的特性，优化焊接工艺和焊工操作技能水平，对于提高焊接质量极为重要。为了保证P91钢的焊接质量和电站设备长期安全、可靠运行，选用合适的焊接材料、焊接工艺和焊后热处理工艺至关重要。

1、首先谈谈如何选用P91钢的电焊条

1.1 相关规程与标准的规定

DL/T869-2004规程内3.3.2.2条款中规定：焊接电站设备耐热钢时，对焊接材料的选用应符合以下基本条件：

1）焊缝金属的化学成份和力学性能应与母材相当

2）焊接材料熔敷金属的下临界点（Ac1）应与母材相当（不低于10℃）

3）焊接工艺性能良好

其中2、3 两款规定大家都很容易理解，但对1款应该有更深入的理解。

高温合金钢焊材不仅常温力学性能和化学成份与母材相当，特别是电站锅炉受压件强度设计时，要综合考虑高温性能、蠕变性能、抗腐蚀性能，其中包括持久强度、蠕变强度、抗氧化性能、抗高温蒸汽腐蚀性能和抗烟气腐蚀等性能，这些性能都是保证电站锅炉安全运行的重要性能，更要与母材相匹配，这样才能保证焊接接头与管道同寿命，有利于电站锅炉长期在高温、高压条件下安全运行，有利于焊接接头不会发生早期失效。

1.2 优选电焊条

1）目前，P91焊材主要是由国外进口，经过筛选，多数电建单位和电厂选用德国伯合乐焊接技术

公司蒂伯品牌的Thermanit Chromo 9V（E9015-B9）电焊条（以下简称9V焊条）。

2）9V焊条的化学成份和机械性能完全符合标准要求，见表1、表2。

表1 P91钢材和9V焊条典型化学成份

表2 P91钢材和9V焊条的机械性能

1）Thermanit Chromo 9V焊条(E9015-B9)是焊芯过渡主要合金元素的手工电弧焊条，其它合金配方合理，因而焊缝成分均匀，焊接操作工艺性比较好，焊接接头性能可靠。

2）9V焊条化学成分与母材相当，常温、高温性能完全符合ASME标准、欧洲EN标准、电力“DL/T869-2004”规程和“T91/P91钢焊接工艺导则”的技术要求。。

3）熔敷金属的Mn+Ni<1.5，具有比较高的Ac1温度，可以保证焊缝形成“全马氏体”组织。

4）焊接性比较好，焊接裂纹敏感性小。采用斜y 坡口焊接裂纹试验方法，P91试板厚度30mm，用9V焊条焊接，只要预热100℃就可以防止焊接裂纹。

5）焊条的焊接工艺性能良好，焊接操作工艺性也比较好。有比较恰当的焊缝冲击韧度，焊缝冲击值≥47J，符合欧洲EN标准要求，也符合我国电力标准的有关规定。

6）于上世纪90年代开始，对蒂伯品牌焊材进行了大量蠕变断裂强度试验，试验结果表明，在标准规定的使用温度范围内，蒂伯焊材的蠕变断裂强度与母材相当。其蠕变试样的试验值均符合EN标准规定，因而能保证高温性能达到使用要求。（按有关规定，“必须有>3.5万小时以上的蠕变断裂强度试验数据才能外推105小时蠕变断裂强度”）

2、选择P92钢焊材之我见

2.1 P92 新型马氏体耐热钢焊条的应用

国内已投产的第一台1000MW华能玉环发电厂的超超临界机组，其主蒸汽管道采用了P92新型马氏体耐热钢(1995年纳入ASTM A335、1996年纳入ASME SA335 标准)。其后相继投入运行的山东邹县电厂、上海外高桥电厂等1000MW超超临界机组的主蒸汽管道也采用了P92新型马氏体耐热钢。

2.2 相关标准与规程的规定

选用P92钢电焊条时，应该符合“ASME 标准”、欧洲“EN 标准”、“DL/T869-2004规程”和“T/P92钢焊接指导性工艺”。

2.3 优选电焊条

鉴于国内首批选用P92钢，如何保证焊接质量，如何选择与之相匹配的焊材、如何确定合适的焊接工艺和焊后热处理工艺是焊接P92主蒸汽管道的关键。

目前，我国尚无P92钢专用焊材。综合分析试验结果，最后决定选用德国伯合乐焊接技术公司的钢芯过渡合金元素的焊条。

2.4 蒂伯品牌焊条的成分和机械性能

蒂伯品牌Thermanit MTS 616（E9015-G）牌号手工电焊条和手工钨极氩弧焊丝的化学成分和机械性能见表3和表4。

表3 P92钢材和焊条典型化学成份

表4 P92钢材和焊材的机械性能

3、Thermanit MTS 616 牌号焊材的主要特点

3.1 选用伯合乐焊接技术公司蒂伯品牌焊接材料完全符合DL/T869- 004 火力发电厂焊接技术规程节

3.3.2.2 焊接材料选用的三个基本条件：即

1）MTS 616 焊条和焊丝的焊缝金属化学成份和力学性能与母材相当

2）MTS 616 焊条的熔敷金属下临界点（Ac1）为800℃,与母材相当

3）MTS 616 焊条、焊丝和焊剂的焊接工艺性能良好。

3.2 MTS 616 焊材不仅化学成分与母材相当，常温、高温性能也与母材相当

3.3 MTS 616 焊材熔敷金属的Mn+Ni<1.5，具有比较高的Ac1温度，可以保证焊缝形成“全马氏体”组织。

3.4 MTS 616 焊材的焊接性比较好，焊接裂纹敏感性小。采用斜Y坡口焊接裂纹试验方法，只要预热150℃，就可以防止焊接裂纹。

3.5 MTS 616 焊材工艺性能良好，焊接操作工艺性比较好，埋弧焊的脱渣性非常好。

3.6 MTS 616 焊材有比较适当的焊缝冲击韧度，焊缝冲击值≥41J，符合欧洲EN标准要求，也符合我国电力标准的有关规定。

3.7 于上世纪90年代开始，对蒂伯品牌MTS 616等焊材进行了大量蠕变断裂强度试验，试验结果表明，在标准规定的使用温度范围内，蒂伯焊材的蠕变断裂强度与母材相当。其蠕变试样的试验值均符合EN标准规定，因而能保证高温性能达到使用要求。（按有关规定，“必须有>3.5 万小时以上的蠕变断裂强度试验数据才能外推105小时蠕变断裂强度”）

4、几点体会

笔者参与我国制定电力行业焊接标准的起草和修订工作，体会颇深，深知DL5007-92 和

DL/T869-2004 火力发电厂焊接技术规程等标准的重要性。但是，目前新型耐热钢发展非常快，特别是马氏体耐热钢的大量应用，需要补充制定新的规程，以满足电站锅炉焊接需要。在制定“T91/P91钢焊接工艺导则”和“T/P92钢焊接指导性工艺“文件过程中“，吸收了国内外各个方面的焊接经验，很有启发。

4.1 希望采用焊芯过渡合金元素的电焊条

根据焊条制造方法和合金元素过渡形式可以分为两种类型电焊条，一种是以焊芯过渡合金元素为主的焊芯过渡合金元素焊条（简称焊芯过渡焊条），另一种是以药皮过渡合金元素为主的药皮过渡合金元素焊条（简称药皮过渡焊条）。两种类型焊条的特点不同，焊缝的性能也不同。

有必要详细分析一下焊芯过渡合金元素焊条和药皮过渡合金元素焊条的特点，以及在焊接生产过程中出现焊接问题的几个实例。

1）上个世纪70年代初，我国开始焊接F11钢管道，最初采用药皮过渡的69-新1 号电焊条，焊接工艺性非常好，深受焊工欢迎。但是，金相检验发现焊缝中有金属夹杂物、微裂纹及少量网状铁素体组织等缺陷，导致焊接接头质量不合格，最后不得不紧急进口焊芯过渡焊条，才解决了上述焊接质量问题。药皮过渡合金元素焊条易造成焊缝中合金元素分布不均匀，产生金属夹杂物和微裂纹，如果焊接规范不当，还会造成焊缝冲击值下降，Aku只有8-10J。。药皮过渡合金元素的P91、P92、P122电焊条，由于药皮过渡的合金元素较多，且W 的含量高达1.5-2%，W 的熔点高达3410℃，对焊接工艺要求严格，曾经发现焊缝成份偏析和金属夹渣等特殊现象，势必对焊接接头的后期安全运行有所影响。我国焊接F11钢时就曾多次发现过类似的情况而导致焊口返修。为了电站设备安全运行起见，希望采用焊芯过渡合金元素的电焊条。

2）80年代中期某电厂焊接F12主蒸汽管道,采用药皮过渡的电焊条，焊接时热输入量大，焊条大摆动，焊层比较厚（超过焊条直径加2毫米的规定），导致焊缝出现铁素体组织，虽然经过高温回火，冲击值仍然低于合格标准，因而不得不割掉4个焊口进行返工。

90 年代后期某电厂采用药皮过渡焊条和大规范焊接，也发生了同上述类似的焊接质量问题。

3）关于P92马氏体耐热钢焊条化学成分和性能的选择国内某研究院对国外几个牌号P92钢的手工电焊条进行了熔敷金属的化学成份，力学性能、下临界点（Ac1）金相检验等大量分析对比试验。其中MTS 616焊条是试验焊条中唯一的焊芯过渡焊条，熔敷金属的合金成份过渡均匀，焊缝组织为全马氏体。

4.2 认真做好焊接工艺评定