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类型TP92钢焊接工艺方案设计.doc

  • 上传人:fmgc7290
  • 文档编号:7097978
  • 上传时间:2019-05-05
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    TP92钢焊接工艺方案设计.doc
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    1、T/P92 钢焊接工艺方案设计包镇回 杨丹霞 1 、T/P92 钢焊接性简述T/P92 钢的标准化学成分和机械性能列入表 1 和表 2。欧洲开发的新型马氏体耐热钢E911 钢属于 T/P92 钢。日本开发的新型马氏体耐热钢NF616 钢属于 T/P92 钢,已列入 ASTM/ASME A 213 T91和 ASTM/ASME A335 P92 标准。表 1 T/P92 钢的化学成分C Si Mn Cr Ni Mo V W Nb N BT/P92 下限 0.07 - 0.30 8.5 - 0.30 0.15 1.5 0.04 0.03 0.001T/P92 上限 0.13 0.5 0.30 9.

    2、5 0.4 0.30 0.25 2.0 0.09 0.07 0.006表 2 T/P92 钢的机械性能屈服强度 抗拉强度 延伸率 ASME 标准 EN 标准钢 材MPa MPa % Akv(J) Akv(J)T/P92 450 620 20 27 411.1 T/P92 在 T/P91 钢的基础上加入了 1.7%的钨(W) ,同时钼(Mo)含量降低至 0.5%,用钒、铌元素合金化并控制硼和氮元素含量的高合金铁素体耐热钢,通过加入 W 元素,显著提高了钢材的高温蠕变断裂强度。在焊接方面,除了有相应的焊接材料,并由于 W是铁素体形成元素,焊缝的冲击韧性有所下降外,其余对预热、层间温度、焊接线能量,

    3、待马氏体完全转变后随即进行焊后热处理以及热处理温度、恒温时间的要求都是比较相近的。1.2 T/P92 钢中有关 C、S、P 等元素含量低、纯净度较高,且具有高的韧性,焊接冷裂纹倾向大为降低,但由于其钢种的特殊性,仍存在一定的冷裂纹倾向,所以焊接时必须采取一些必要的预防措施。1.3 T/P92 钢中添加 W 元素,促进了 铁素体的形成,使冲击韧性比 T/P91 有所降低,所以焊缝的冲击韧性与其母材、HAZ 和熔合线的韧性相比,也存在明显降低的问题。1.4 与 T/P91 钢相似,存在焊接接头热影响区“第四类”软化区的行为。焊接接头经过长期运行后,焊接断裂在远离焊缝区的软化带,此软化带强度明显降低

    4、。2、 T/P92 钢的应用2.1 T/P92 钢具有与 T/P91 优良的常温及高温力学性能。通过加入W 元素,显著提高了钢材的高温蠕变断裂强度,T/P92 钢的工作温度比 T/P91 钢高,可达 630。2.2 T/P92 钢中碳的含量保持在一个较低的水平是为了保证最佳的加工性能,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。在国内首台 USC 机组玉环电厂机组对主蒸汽管道的设计中,曾有两套方案,若采用 P91 钢材,其规格为Dn349103mm;若采用 P92 钢材,由规格可减为Dn34972mm。2.3 用于替代电

    5、厂锅炉的过热器和再热器的不锈钢(不锈钢焊接有严重的晶间腐蚀及与铁素体、珠光体钢等异种钢的焊接问题) ,用于极苛刻蒸汽条件下的集箱和蒸汽管道(主蒸汽和再热蒸汽管道) ,其热传导和膨胀系数也远优于奥氏体不锈钢。2.4 由于 T/P92 钢的含碳量低于 T/P91 钢材,是低碳马氏体钢,须在马氏体组织区焊接,其预热温度和层间温度可以大大降低,据国外资料研究,通过斜 Y 型焊接裂纹试验法测定的止裂预热温度为100-250左右。3 、T/P92 钢焊接接头质量的各种影响因素的分析3.1 影响 T/P92 焊接接头质量的主要因素及影响结果见表 14、各类影响因素控制措施的设计4.1 T/P92 工艺评定试

    6、验钢材的要求4.1.1 对 T/P92,目前进货渠道以进口管道为准,为确保母材的钢材质量,降低热裂或冷裂倾向,提高冲击韧性,首先必须保证母材的化学成分在受控范围内。所以进货时需严格把握材料进货关,必须提供钢材质量保证书,必要时进行相关的材料工艺试验,进行母材化学成分分析等一系列金相理化试验分析及硬度测试,来保证供应商供应的 T/P92 材料的加工、热处理的正确性和均匀性。表 11主要影响因素 主要内容 主要引发产生的缺陷或结果母材重要化学成分碳(C) 、钒(V) 、铌(Nb) 、锰(Mn) 、硅(Si) 、氮(N) 、硫(S) 、磷(P) ,钨(W)钼(Mo)元素的含量控制对焊接接头有重要影响

    7、1 易引起冷裂纹缺陷;2 S、P 等杂质元素及一些合金元素如 Ni 等易引起热裂纹缺陷、回火脆性以及蠕变脆化倾向增加;3 一些沉淀强化元素,如Nb、Al、N 等可产生一定的再热裂纹问题4 过量的钨含量,使冲击韧性和蠕变断裂强度大大降低焊接材料焊接材料的合理选用及焊接材料中化学成分的有效控制1成分影响与母材化学成分影响效果相同,尤其是不同焊材中镍的成分不同,对 AC1 点影响较大;2冷裂纹、热裂纹、再热裂纹3、冲击韧性低4、常温、时效后和高温力学性能达不到要求主要影响因素 主要内容 主要引发产生的缺陷或结果焊接方法不同焊接方法对接头的冲击韧性值及抗裂性有明显的差别1冲击韧性值偏低;2各类裂纹的敏

    8、感性增加坡口形状及尺寸选择合理的坡口形状及尺寸,调整焊缝成型系数引起接头产生未焊透、未熔合、夹渣等焊接缺陷预热温度及层间温度预热与层间温度关系到冷裂纹的产生及焊缝冲击韧性的要求,应严格进行控制,避免高温及特定温度点(如 550、475以及高温时间的长时间停留等1产生冷裂纹缺陷;2冲击韧性值低,引起断裂;3焊缝接头组织的烧损,得不到正常情况下的回火马氏体或索氏体组织充氩保护为防止根层焊缝金属氧化,从而保证根部焊接质量,提高冲击韧性值,充氩保护应持续 2-3 层以上1 根部接头发生氧化,使机械性能值降低2 根部出现多种焊接缺陷焊接线能量一个综合控制的焊接要素,从焊接电流、焊接电压、焊接速度共同控制

    9、,以达到较高的冲击韧性值,并有效地防止各类裂纹的产生1对冲击韧性影响极大;2产生冷裂纹及型裂纹加热方法及热电偶的布置有效地控制内外壁温差,保证加热温度的均匀性,要求内外壁温差控制在 20以内,从而提高冲击韧值与防止各类裂纹的出现1.冲击韧性值偏低;2产生冷裂纹、再热裂纹、型裂纹焊后冷却温度与保温时间严格控制升降温速度,控制组织转变,以得到理想的金相组织,从而保证机械性能1机械性能降低;2得不到回火马氏体组织或索氏体组织3残余奥氏体重新转变为脆硬的马氏体组织主要影响因素 主要内容 主要引发产生的缺陷或结果焊接操作工艺从焊接工艺上进行过程控制,严格按焊接工艺施工,从而保证机械力学性能、防止各类裂纹

    10、的产生1机械性能降低;2冲击韧性值偏低;3金相组织不符合;4产生冷裂纹、弧坑裂纹5产生多种其它常见的缺陷,如未焊透、未熔合、夹渣等4.2 T/P92 工艺评定试验焊材的要求4.2.1 对选取的焊接材料也必须严格把握其化学成分及各项力学性能指标,有质量保证书及使用说明书、焊条的烘干要求。限制各类杂质元素,如 S、P 的含量,及控制一些再热倾向元素的含量,如Nb、Ni、Si 等,保证焊接材料的化学成分与母材基本一致。4.2.2 选用的氩弧焊焊丝、焊条应与母材相匹配,选用时应注意化学成分的合理性,以获得优良的焊缝金属成分,组织和力学性能。4.2.3 焊缝金属的 Ac1 和 Mf 温度应与母材相当。4

    11、.2.4 首次使用的焊材应要求供应商提供详细的性能资料及推荐的焊接工艺(提供熔敷金属的 Ac1 温度以及焊后热处理温度、恒温时间) ,并提供常温、时效后和高温力学性能曲线。4.2.5 做好电焊条的保管、烘干及使用管理工作。4.3 焊接方法的影响及选用4.3.1 钨极氩弧焊(TIG)是广泛应用于小径管焊接中及中、厚壁管的根层打底焊。由于 TIG 焊的惰性气体 Ar 保护,使焊缝金属中的有害杂质降低,使焊接性得到改善,并使预热温度可降低 50,改善了焊接条件。4.3.2 根据国外研究提供的资料,TIG 焊、SMAW 焊、SAW、GMAW 焊均可保证冲击韧性值,一般 GTAW、GMAW 焊缝比较纯净

    12、,含氧量低,冲击韧性较高,SAW 及 SMAW 焊缝则较低,一般都低于母材的韧性。4.3.3 焊接方法对高温性能有一定的影响,根据对 T/P91 的研究,认为 TIG 所焊焊接头高温拉伸强度 R0.2(焊缝的 0.2%屈服强度指标)在试验的焊接方法中最高,SMAW 其次,SAW 最低,断裂发生在母材的热影响区(HAZ) 。4.3.4SMAW(手工电弧焊):焊接要控制所用焊条的药皮含水量,以防止氢致裂纹的出现。其焊缝性能比 TIG 要差,对焊接工艺措施要求需更严。4.3.5 埋弧焊(SAW):SAW 焊接工艺在有条件的接头位置和结构生产中生产率最高、最具优势的一种工艺方法。选用时应严格控制 Si

    13、含量和焊剂中的氢含量。在选择焊剂组合时,需考虑保证焊缝在最小回火时间(2h)内,有足够的 Ak 值; SAW 工艺的 HAZ 比 SMAW 和TIG 焊的宽,这点需另外重视。4.3.6 根据玉环电厂现场的焊接环境及结构,工艺采用 GTAW 和GTAW+SMAW 的焊接工艺,壁厚6mm 的小径薄壁管采用全氩焊接;壁厚6mm 的小径管和大径厚壁管采用 GTAW 打底,SMAW 填充和盖面。4.4 坡口形状及尺寸的设计4.4.1 一般 16mm 以下的薄壁管子,加工 V 型坡口,厚壁管加工双 V型坡口,易于加工,但根部偏窄,易产生夹渣。4.4.2 厚壁管 U 型坡口优点根部宽,易于操作不产生夹沟,但

    14、加工不易。4.4.3 尺寸符合图纸要求或DL/T869-2004要求。可适当增加对口间隙,采用摇摆法打底。4.4.4 T/P92 坡口尺寸推荐图见下图(A、B) (尺寸尽量符合玉环电厂现场焊口坡口设计尺寸,P92 工艺评定坡口也可采用综合型。4.4.5 坡口加工时,钝边不易过大,一般为 0.5-1.0mm,可有效地预防未焊透缺陷。薄壁管(16mm)坡口图 A 厚壁管(16mm)坡口图 B4.5 预热温度及层间温度的设定4.5.1 预热的作用可以降低焊缝金属的冷却速度,不仅可以有效地预防冷裂纹的倾向,而且可以预防热裂纹、氢致裂纹等的产生。4.5.2 T/P92 钢种是低碳马氏体钢,在马氏体组织区

    15、焊接,其预热温度和层间温度可以大大降低,据国外资料研究,通过斜 Y 型焊接裂纹试验法测定的止裂预热温度为 100-250,考虑 T/P92 钢焊接碳当量较高,焊接性较差,具有一定的冷裂纹倾向,推荐工艺评定试验的 GTAW 预热温度 150-200,焊条电弧焊填充并盖面预热温度为 200-250。4.5.3 T/P92 钢焊接过程中,层间温度对冲击韧性影响很大,过高的层间温度,会使焊缝金属碳化物沿晶间析出并生成铁素体组织,使韧性大大降低。国外资料推荐工艺评定试验选择最佳的层间温度为 200-300。4.5.4 T/P92 钢的焊接过程须严格监视和记录,对预热温度及层间温度的控制要随时跟踪记录,便

    16、于分析处理一些异常情况。4.5.5 由于 T/P92 热强钢焊接热影响区也有明显的软化带,易产生“型裂纹” 。软化带是接头的一个薄弱环节,软化带用热强系数(焊接接头软化带的高温持久强度与母材同一温度的持久强度的比值称作热强系数) 。热强系数的大小与材料有关,也与试验温度及试验时间有关。合金成分愈复杂的钢,热强系数愈低。试验温度愈高,试验时间愈长,热强系数愈低。故为了控制 IV 型裂纹,焊接时在保证焊接熔化良好,不产生焊接冷裂纹的基础上,应尽量不采用过高的预热温度及层间温度,不采用过大的焊接线能量,采取多层多道焊并避免过厚的焊道,努力使热影响区软化带变得窄一些,缩小其影响。4.6 充氩装置的设计

    17、4.6.1 内充氩保护是防止根部氧化的重要措施,除 TIG 充氩外,对T/P92 钢种根部至少要经过 SMAW2 至 3 层的充氩。4.6.2 充氩装置的制作P92 钢焊接,要求焊缝背面充氩保护,以避免焊缝部氧化。在设计充氩装置时考虑以下情况:1)需耐高温。充氩装置在对口前装入,要等焊接接头各项检验全部合格后才能取出,中间要经受预热、焊接、热处理过程,因此,充氩装置要求能耐高温。充氩装置在焊接及热处理过程中应保持完好,直至焊缝检验合格后才能取出。2)不仅打底时需做背面保护,焊条焊接第二、三层焊缝时,由于根部焊道仍保持较高的温度,仍需进行根部保护。3)考虑到焊缝有可能出现经检验不合格的情况,如果

    18、缺陷出现在根部或近根部位置,则焊缝进行返修焊接时,仍需充氩保护。4)在整个预热、焊接、热处理过程中,保留充氩装置,既可防止管内穿堂风,又可在焊接区域形成封闭气室,起到保温和减小内外壁温差的作用。5)充氩装置要具有较好的密封性,这主要是由于主汽管道直径较大,管内穿堂风也较大,如密封性不好,会影响保护效果并造成氩气浪费;另外,密封性越好,保温作用也就越好;6)充氩装置要易于安装的取出,并能固定牢固(尤其对横焊和斜焊口特别重要) ;7)制作简单,材料易找,成本低廉。4.6.3 现场充氩装置示意图1) 下图图 C 、D、E、F、G 充氩方式供现场参考。图 C图 D图 E图 F4.6.4 若使用高温可溶

    19、纸,可在充氩范围内两侧 250-300mm 处贴两层溶纸,焊前要检验管内氩气量是否足够,可用打火机引燃,如能自动熄灭,则证明充氩效果良好,可以施焊。4.6.5 现场主蒸汽管道与末级过热器联箱联接的焊口考虑到氩气消耗量及封堵工作量大,可采用局部充氩保护。可先在对口前,在焊口每侧使用贴粘两层易溶纸,焊口间隙用耐高温胶带粘牢,充氩可使用 6mm 的钢管充氩。4.6.6T/P92 钢 TIG 焊氩气采用纯氩,氩气流量选择为 8-15ml/min,内充氩流量选择为 15-25ml/min。4.7 焊接线能量参数设计4.7.1 焊接过程中采用较小的线能量,通过控制焊接熔池的体积和降低熔池温度来减小一次结晶

    20、晶粒尺寸,继而达到细化晶粒的作用,以此来有效地提高焊缝金属的韧性。从这个角度分析,脉冲 TIG 焊有着明显的效果。4.7.2 控制焊接线能量,可以有效地提高冲击韧性值。4.7.3 小线能量使“IV 型”区宽度降低,提高接头蠕变断裂强度,推迟因“IV 型”区存在面引起的“IV 型”蠕变断裂。4.7.4 控制焊接线能量的可行办法是采用多层多道焊,严格控制焊层的厚度,一般规定不大于所用的焊条直径,钨极氩弧焊打底的焊层厚度控制在 2.8-3.2mm 范围内。尽量减小摆动宽度(不超过 4 倍所用焊条直径) 。根据线能量公式 Q=IU/V(J/mm)进行综合调整,经推荐,任一焊道的焊接线能量控制在 200

    21、0J/mm 的范围内,能保证焊缝金属有较高的冲击韧性值。4.8 焊后热处理工艺设计4.8.1 加热方法及热电偶布置4.8.1.1 P92 管材加热必须采取远红外电阻加热,T92 可采用炉式整体加热或中频加热。4.8.1.2 焊前预热由热处理工实施。4.8.1.3 焊前预热可以防止冷裂纹,减少焊接应力。4.8.1.4 预热采用电加热,加热器布置如图,加热器宽度,从对口中心算起,每侧不小于管子壁厚的 3 倍。热处理保温宽度如图,应满足从焊缝中心算起,每侧不小于壁厚的 5 倍。 (符合 DL/T819-2002 标准要求) 预 热 加 热 器 布 置 图 4.8.1.5 使用热电偶测温,预热时热电偶

    22、应放置在焊接坡口的边沿且数量不小于 4 个(如上图所示) ,热电偶与加热器之间应有隔热装置,一个在高温点 a 和 b,另一个在低温点 c 和 d,这样可以有效地控制内外壁温差的影响,保证内外壁温差在 20之间,从而有效地预防冷裂纹的产生以及保证冲击韧性的要求。4.8.1.6 用绳状或履带式加热器包扎时,空出焊缝部位,保温材料包扎时,也同样空出焊缝部位,但必须覆盖整个加热面。如果采用绳状加热器,包扎缠绕时应当紧凑平齐,以便加热均匀。加热器的安置包扎,上、下部应紧密。4.8.1.7 厚度大于 35mm 的焊接接头预热时的升温速度应符合公式25025/壁厚 /h 计算要求,且不大于 150/h。4.

    23、8.2 PWHT 热处理过程的设计4.8.2.1 后热处理在焊接过程被迫停止或焊后未能及时进行热处理,应作后热处理,其温度为 300-350,恒温时间不小于 2h,其加热范围与热处理要求相同。以此确保扩散氢的充分逸出。4.8.2.2 残余奥氏体完全转变的温度控制P92 焊接完成后,不能快速冷却至室温,P92 的 Mf(马氏体终止转变温度)点为 120,因此设定在焊接完成后,焊缝金属缓冷至 100-80, ;这样可使残留的奥氏体组织完全转变为马氏体组织。避免在 PWHT(热处理)后这些残余奥氏体转变成脆而硬的未回火马氏体组织。并且有利于释放焊接残余应力,避免氢致应力腐蚀裂纹的产生。小径管 T92

    24、 焊后允许缓冷至室温再进行热处理。4.8.2.3 焊后热处理温度、升降温速度和保温时间的影响与控制1) 回火参数:通过利用回火参数(P),它由热处理温度和保温时间按下式计算而得:(P)=T(20+logt)10 -3,式中 T 为绝对温度(K) ;t 为保温时间(h) 。经试验证明,并综合考虑焊材的熔敷金属 A c1 点,T/P92 钢热处理温度选择 76010,保温时间按 25mm,1h 计算,P92 钢热处理恒温时间最少不得少于 4h;对 T92 管,按壁厚每毫米 5 分钟计算,且不小于 1h。2)热处理范围内,任意两点间的温差应小于 20,以满足焊缝韧性要求。3)升降温速度控制热处理升降温速度不易太快,以免影响组织的转变。对 T/P92钢一般控制在 150/h 以下。4)热电偶的布置(5G、6G 位置) 。焊缝外壁 12 点、3 点、6 点、9点位置各布置 1 支热电偶,其中 12、6 点两支为控温点,3、9 两支为监控点,为控制内外壁温差,建议在内部 6 点位置布置一支热电偶作监控用。如下图 G图 G5)焊接热处理工艺曲线图如下图5、结论通过对影响 T/P92 钢焊接性的各类因素的分析与研究,并制定相应的控制措施与实施方案,对保证 T/P92 钢焊接质量有着重要的意义。

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