焊接热处理

1.1 成分组织
• 钢的典型化学成分见表1。P91、P92是一种改良的 9CrMoVNbN 钢，具有优异的综合性能，自20 世纪80 年代在美国问世以来，在亚临界和超临界机组中得到 了广泛应用，其最高使用温度为593℃，一般用于温度 小580℃的厚壁蒸汽管道和联箱。
• P92E911(P911)P122(HCM12A)是在9％-12％CrMoVNbN 钢 的基础上开发的三种新型马氏体耐热钢，通过添加W 取代部分Mo 来提高高温强度，其Mo 当量（Mo+0.5W） 在1.5％左右。前两种为9%Cr 钢，其中E911 钢含W 1.0％，P92 钢含W 1.8％； P122钢 Cr 含量为12%， 含W 2.0％，由于Cr 含量比较高，为了避免出现δ－M， 加入了1% 左右的Cu 来降低Cr 当量。
新型铁素体（P91/P92）耐热钢的焊后热处理
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1 新型马氏体耐热钢特点
• T/P91、T/P92马氏体钢是SC、USC电厂重要的 一类材料，用于锅炉和汽轮机的许多部件，包括 锅炉管、联箱、管道、汽缸(F91/F92)等。对于锅 炉使用，主要包括蠕变强度和运行温度下的组织 稳定性、高的Ac1 温度、良好的焊接性能和低的 IV 型裂纹敏感性、抗蒸汽氧化能力、疲劳性能等。
在参数为600℃的超超临界机组中长期运行时，P91 钢焊缝 的脆化严重，而P92钢由于W 的加入促进了Laves 相的析出， 脆化倾向更大，因此为了超超临界机组运行和检修过程中 的安全，保证足够的焊缝韧性储备是必须的。但片面追求 高的冲击功，盲目提高焊后热处理温度是危险的，有可能 使接头的持久强度降低。焊缝的最低冲击功要求41J 是合 适的。值得注意的是，在焊接工艺评定时只要求进行常温 和高温短时拉伸性能测试是由于其测试容易实现，并非持 久强度不重要！同样，对塑韧性只要求进行冲击功测试也 是由于其测试简单，并不是其它指标不重要！在制订焊接 和热处理工艺时，要充分考虑到这些问题。
图5 P92 钢焊缝表面微裂纹
图6 P91、P92 钢焊接热循环示意图
4 现场热处理质量控制
• P91 钢在国内应用了十几年，对其焊接技术 已经基本掌握，这些经验可以直接应用到 P92、E911 和P122 钢焊接上，只是将焊接 材料和工艺参数调整即可。但在试验研究过 程中发现，P92钢焊缝的性能对工艺的敏感 性比P91 钢高，尤其是对热处理温度更为敏 感。而国内现场焊接与工艺评定结合比较松 散，特别是现场焊后热处理问题较大。为了 保证经过评定的焊接工艺能正确地应用到机 组建设中，对这些问题进行了分析并提出了 解决的措施。
与P92 钢匹配的焊接材料的化学成分与母材大致相当， 但为了提高焊缝韧性，成分设计上使熔敷金属的AC1 温度比母材要低。采用热膨胀法实测的Chromet 92、 MTS616、AL Cromocord 92 焊条电弧焊熔敷金属的 AC1 相变温度分别为786.5℃、802.0℃、799℃，氩 弧焊丝熔敷金属的AC1 相变温度更低些。AC1的差异 对焊缝金属回火稳定性产生较大的影响，AC1 高的焊 缝金属抗回火能力更强，AC1 低的焊缝金属在回火中
更容易丧失板条马氏体的形貌。焊后热处理温度不能 高于熔敷金属的AC1 温度。
。因此，P92 钢焊后热处理温度的上限以770℃为宜，不能 超过780℃。回火温度的下限需要试验确定，通过对上述三 种焊接材料熔敷金属回火效果的试验，表明当回火温度低 于750℃时，很难保证P92 焊缝的冲击韧性，（超（超临界 锅炉用钢及焊接技术协作网第二次论坛大会论文集19）击 功达到41J，延伸率和弯曲试验也难以合格。可见，新型马 氏体耐热钢的性能对组织异常敏感，其焊后热处理温度的 范围很窄。当采用上述焊接材料时，综合考虑P92 钢焊后 热处理温度的上、下限，厚壁管道的内外壁温差，SMAW、 SAW、TIG 工艺及其组合，现场热处理实际情况等因素， 确定P92 钢的焊后热处理温度为760± 10℃
这三种钢的高温强度比P91钢都有不同程度的提高，是 现阶段USC机组(蒸汽温度小于620℃)的联箱和高温蒸 汽管道的主要材料。下一代的9％-12%％Cr 钢是在这三 种钢的基础上再增加W 含量并添加Co、B、Ta （Ta矽 土 元素，功能：强化促使其他元素高温稳定性）等合金
元素来进一步提高钢的抗蠕变性能和抗氧化性能，如 NF12 和SAVE12 钢等，预计可以用到630℃-650℃。 新型马氏体耐热钢的微观组织为低碳回火马氏体，马氏 体板条特征明显，图1 显示了P122钢的金相组织，图2 是P91 钢在566℃、170MPa下持久断裂时间12493.3 小 时的透射电镜（TEM）成像，可以观察到第二相的形貌 和分布特征。
4.1 焊接接头的验收标准
• 在焊接材料和焊接工艺确定后，力学性能和 焊缝硬度只取决于焊后热处理温度和时间。 硬度表征的是材料抵抗变形或抵抗破裂的能 力，其本身并没有明确的物理意义，也不是 材料的一个独立的基本性能。但焊缝硬度一 定程度上能反映焊后热处理是否充分，也能 间接反映接头的力学性能。由于现场无法也 不允许对厚壁管道的焊缝取样进行性能测试， 所以硬度检验就显得尤为重要。图7 显示了 焊后热处理温度对熔敷金属硬度的影响。
蠕变中后期大尺寸Z 相Cr(Nb,V)N 的析出将使MX 相数量大为减少，后者的析出强化效果大大减弱。 图3 新型马氏体钢强化机制示意图
伴随着材料组织结构的退化，材料的性能逐步劣 化，即强度降低、脆性增大。图4 显示了T/P91钢 和T/P92 钢600℃时效后冲击功的变化情况，表2 是P91、P92、E911 和P122 四种材料运行10000 小时后冲击功的变化情况。可以看出，含W 的 P92、E911 和P122 钢的冲击功在一万小时内下 降显著，之后趋于稳定。尽管冲击功下降显著，
此外，由于焊材生产中化学成分的波动，特别是Mn、Ni 含量变化会对焊缝的相变温度产生较大的影响，比较理想 的情况是根据每一批次焊材的AC1 温度或者Mn、Ni 含量 来适当调整焊后热处理温度。在最新版的ASME 中，已经 提出了根据焊材Mn、Ni 含量调整热处理制度的要求。需 要特别指出的是，国内目前使用的一些P91、P92 钢焊接 材料由于设计理念不同，其AC1经实测仅在770℃左右， 应该参考焊材厂家推荐的回火温度（740℃左右），并进 行工艺评定验证。国内部分企业使用这些焊材，但仍然采 用760±10℃的回火温度，其技术风险应该引起足够的重 视。
• 作为电站高温部件，显然持久强度是其最为重要的性 能，特别是新型马氏体耐热钢，长期运行中的IV 型 裂纹会导致接头强度显著低于母材；另一方面，焊态 下马氏体钢的焊缝金属硬度高、韧性低，需要合理的 热处理来降低硬度，获得足够的韧性，避免运行和检 修中的开裂。对于反映焊缝韧性的室温冲击功指标， ASME 中并无要求，但在欧洲标准EN 1599:1997中 对P91 等给出了平均冲击功不低于47J、单值不低于 38J 的要求，德国标准DIN32525 规定壁厚大于 25mm 时，焊缝冲击功不低于40-50J（厚度不同）， 国内的《T/P91 钢焊接工艺导则》提出了41J 的最低 要求。
但超（超）临界锅炉用钢及焊接技术尚能满足使 用要求。
图4 时效对冲击功的影响
表 2 服役后冲击功的变化
• 钢种 • P122 • P92 • E911 • P91
运行前 100~125J 150J
180J 240J
运行1 万小时后 40J
70J 60J 180J（566℃运行）
2 焊接接头的性能要求
规程规定，焊接壁厚大于70mm 的管道时要进行 中间探伤，这一规定对及时消除焊缝根部缺陷曾 起过很好的作用。但是，随着焊接技术的进步， 焊缝根部存在需要返修的缺陷的可能性很小，中 间探伤似乎成为多余。进行中间探伤需要中断焊 接、后热处理、室温放置，这对P92 等马氏体钢 的焊接质量是极为不利的，应该取消。事实上， 近两年在P91、P92、P122 钢焊接时已经取消 了中间探伤这一过程。
超（超）临表1 9％-12％Cr 钢的典型化学成分
图1 P122 钢金相组织(200×)
图2 P91 钢第二相颗粒形貌
1.2 强化机制和运行组织稳定性
• 新型马氏体耐热钢之所以具有高的高温强度，得益于 其综合强化机制(图3 是综合强化机制示意图)，具体 有马氏体板条强韧化、位错强化、W、Mo 等合金元 素的固溶强化、B 的晶界强化等等。在高温、高压条 件下长期服役过程中，材料的组织结构将发生退化， 表现为马氏体板条的粗化、位错密度的降低、碳化物 颗粒长大、W、Mo合金元素的脱溶等等。P92 钢由 于含W，服役过程中容易析出Laves 相Fe2（Mo、 W），P122 钢中的Cu 更易促进Laves 相的形核和析 出。早期析出的细小Laves 相具有弥散强化作用，会 对W、Mo脱溶引起的固溶强化减弱有所补偿，但随 着Laves相的长大，其弥散强化作用会逐渐减弱甚至 丧失。
图7 热处理温度对焊缝硬度的影响
按照国内现行焊接质量验收规程，对合金含量大于 10wt%的钢种，经焊后热处理的焊缝硬度合格要求是小 于HB350 同时不超过母材的硬度加HB100。对P92 和 P91 钢，母材的典型硬度值一般为HB190-HB230，按 照该规程焊缝硬度达HB290-HB330 是合格的。然而通 过试验发现，对P92 钢的焊缝，尽管其冲击功还受到焊 材成分波动和焊接操作的影响，但硬度超过HB250HB260时，冲击功一般满足不了41J 的最低要求。为了
3.2 保温时间
• 随着焊后热处理保温时间的延长，回火效 果增加，但达到一定程度后，延长保温时 间的作用将不再明显。保温时间应根据管 道壁厚、加热温度、加热方式、保温散热 条件等来确定，实际效果需要进行试验验 证。总的来说，由于W 的加入，P92、 E911 和P122 钢的抗回火能力有所增强， 焊缝冲击功更难以提高，保温时间需要比 P91 钢长一些。
使硬度检验真正起到正确反映热处理效果的作用，提出 了焊缝硬度不超过HB250 的标准，同时提出HB180 的 下限要求（包括母材）。
3.3 焊后热处理时机
• P91、P92、E911 和P122 钢属于马氏体钢， 其马氏体转变开始温度Ms 在400℃左右，转 变终了温度Mf 为120-150℃。为了获得完全 的回火马氏体焊接接头，焊后不能立即进行 热处理，必须冷却到Mf 点以下的80-100℃并 保持一定时间，待马氏体转变完全后，再及 时升温进行焊后热处理。如果焊后热处理不 能及时进行，需进行后热(消氢)处理，并采取 特殊保护措施。其热循环曲线必须连续进行。
按照目前的表面打磨方式，磁粉探伤发现不了这 种表面微裂纹的存在，只有对焊缝表面进行粗抛 光，裂纹才能有效检出。经过大量试验分析，该 类裂纹既非常见的焊接热裂纹，也不是延迟裂纹 （氢致裂纹），可能是P91、P92钢焊缝的高应 力马氏体在潮湿环境作用下产生的应力腐蚀裂纹。 应力腐蚀开裂在奥氏体不锈钢中常见，但在马氏 体源自文库热钢中很少出现，而在P91、P92 钢焊缝中 产生应力腐蚀现象，与焊缝金属的较高的残余应 力有关，其产生的时机如图6 所示。在此，对厚 壁管道的中间探伤问题探讨 免除。
3 焊后热处理
• 作为焊接生产的重要组成部分，新型 马氏体耐热钢的焊后热处理非常关键。 其目的主要是消除焊接残余应力、提 高组织稳定性、改善焊接接头综合力 学性能、促使焊缝中氢的逸出等。
3.1 焊后热处理温度
• 焊后热处理温度的确定应综合考虑母材的AC1 温度、供 货状态的最终回火温度、熔敷金属的AC1 温度等，更重 要的是要依据焊接接头回火试验的结果来确定。回火温度 太低，达不到热处理的目的，回火温度过高，会使材料强 度特别是抗蠕变能力和高温持久强度显著降低。因此，在 满足焊后热处理效果的前提下，回火温度越低越好。以 P92 钢为例，其供货状态是正火加高温回火，通常的回 火温度为760℃-780℃，为了不使母材的性能受到过大破 坏，焊后热处理温度不能高于母材最终回火温度。