USC機(jī)組耐熱鋼P(yáng)92焊接接頭力學(xué)性能

李新梅，張　晶，杜寶帥，劉　睿

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250003；2.山東大學(xué)材料液態(tài)結(jié)構(gòu)及遺傳性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250061）

USC機(jī)組耐熱鋼P(yáng)92焊接接頭力學(xué)性能

李新梅1，張晶2，杜寶帥1，劉睿2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250003；2.山東大學(xué)材料液態(tài)結(jié)構(gòu)及遺傳性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250061）

通過沖擊試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)并結(jié)合掃描電鏡觀察，研究熱處理前后P92鋼焊接接頭的韌性和硬度變化，結(jié)果表明：P92鋼焊態(tài)接頭韌性較差、硬度較高，經(jīng)過焊后熱處理后焊接接頭的沖擊韌性明顯提高、硬度顯著下降。焊后熱處理能夠明顯改善P92鋼焊接接頭的性能，而較大的焊接熱輸入是導(dǎo)致P92鋼焊接接頭性能差的主要原因。

USC機(jī)組；P92鋼；韌性；硬度

0　前言

超超臨界（USC）機(jī)組因具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢成為目前火力發(fā)電的必然趨勢。USC機(jī)組的快速發(fā)展首先得益于耐高溫性能更好材料的研發(fā)和應(yīng)用，P92鋼作為一種新型細(xì)晶強(qiáng)韌化鐵素體耐熱鋼，因具有較高的高溫強(qiáng)度和蠕變性能、良好的耐高溫腐蝕和抗氧化性能，成為目前超超臨界機(jī)組主蒸汽管道及高溫再熱蒸汽管道等重要承壓部件的首選材料[1]。P92鋼是在P91鋼的基礎(chǔ)上通過降低Mo含量、加入1.5％～2.0％的W，形成了以W為主的W-Mo復(fù)合固溶強(qiáng)化；同時(shí)復(fù)合利用Nb、V合金元素形成彌散分布的MX相、B元素的晶界強(qiáng)化，形成了一種性能優(yōu)良的新型鐵素體耐熱鋼[1-4]。

在USC機(jī)組中P92鋼部件主要依靠焊接方式進(jìn)行連接，焊接冶金過程的特殊性決定了焊接接頭的組織性能與母材相比有較大差別，而焊接工藝和熱處理參數(shù)又會(huì)對焊接接頭的組織性能產(chǎn)生較大的影響，因此P92鋼適宜的焊接工藝是決定其安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，一直以來都是研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)[5-8]。由于目前對P92鋼的焊接性認(rèn)識(shí)并不充分[9-11]，關(guān)于P92鋼適宜的焊接工藝仍在繼續(xù)探索和深入開展。本研究在前期研究P92鋼焊接接頭微觀組織的基礎(chǔ)上[12]，開展P92鋼焊接接頭力學(xué)性能研究，解析沖擊韌性和硬度變化的根本原因，為完善P92鋼適宜的焊接工藝提供技術(shù)數(shù)據(jù)支持，對確保USC機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

1　試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用P92鋼規(guī)格為φ455 mm×70 mm，供貨狀態(tài)為正火+高溫回火，焊接材料選用德國蒂森公司開發(fā)專用焊條Thermanit MTS616，規(guī)格為φ2.5 mm和φ3.2 mm，其化學(xué)成分如表1所示。

表1　試驗(yàn)材料化學(xué)成分Tab.1Chemical composition of test material ％

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用P92鋼采用焊條電弧焊（SMAW），焊前預(yù)熱250℃～300℃，焊接電流110～130 A，焊層厚度不大于焊條直徑，焊接時(shí)采用多道多層焊，層間溫度嚴(yán)格控制在250℃～300℃。焊接完成后，截取20 mm后試塊放入電阻爐中進(jìn)行高溫回火處理，回火規(guī)范如圖1所示。

圖1　P92鋼焊接接頭熱處理曲線Fig.1Heat treatment curve of P92 steel welded joint

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分別加工焊態(tài)和熱處理后的P92鋼焊接接頭夏比V型缺口沖擊試樣，依據(jù)GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)方法》在室溫下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備為JB-30B沖擊試驗(yàn)機(jī)。利用JSM-6610LV掃描電子顯微鏡觀察沖擊試樣斷口形貌。采用320HBS-3000型數(shù)顯布氏硬度計(jì)測試焊接接頭的布氏硬度，壓頭直徑2.5 mm，載荷187.5 kN，加載時(shí)間15 s。

2　試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1沖擊韌性

熱處理前后P92鋼焊接接頭沖擊功如圖2所示，焊態(tài)焊縫金屬?zèng)_擊功很低，僅有7 J，說明焊縫處于嚴(yán)重的脆化狀態(tài)，經(jīng)熱處理后焊縫韌性提高，達(dá)到31.7 J。焊接熱影響區(qū)韌性遠(yuǎn)比焊縫的好，經(jīng)過熱處理后的熱影響區(qū)沖擊功值最高（74 J）。

圖2　P92鋼焊接接頭（10 mm×10 mm×55 mm）沖擊功Fig.2Impact energy figure of P92 steel welded joint

P92鋼焊接接頭沖擊斷口擴(kuò)展區(qū)形貌如圖3所示，焊態(tài)焊縫斷裂形式為解理斷裂（見圖3a），經(jīng)熱處理后斷口中含有少量的準(zhǔn)解理形態(tài)（見圖3b）；焊接條件下熱影響區(qū)斷口形貌主要為解理+準(zhǔn)解理斷裂（見圖3c），熱處理后斷裂形式為準(zhǔn)解理（見圖3d）。

由于焊接時(shí)采用的熱輸入量較大，因此P92鋼焊態(tài)焊縫金屬脆化嚴(yán)重，經(jīng)熱處理后，過飽和的馬氏體發(fā)生析出相析出，降低了馬氏體晶格的畸變程度，同時(shí)馬氏體板條內(nèi)的位錯(cuò)發(fā)生滑移纏結(jié)和聚集，降低板條內(nèi)位錯(cuò)密度，明顯改善焊縫韌性，但由于形成的晶粒尺寸粗大，其沖擊功值但仍未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的40 J。焊接熱影響區(qū)沖擊斷裂面包含了粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和部分相變區(qū)等組織，其沖擊功值是各區(qū)組織的綜合反映，因此熱影響區(qū)的韌性遠(yuǎn)好于焊縫，尤其是經(jīng)過熱處理后的熱影響區(qū)，其沖擊功值最高。

圖3　P92鋼焊接接頭沖擊試樣斷口形貌Fig.3Fracture morphology of impact specimen of P92 steel welded joint

2.2焊接接頭的硬度

不同狀態(tài)P92鋼焊接接頭各區(qū)域的硬度如圖4所示。沿厚度方向相同區(qū)域的硬度值相差不大，母材的硬度值最低，焊態(tài)焊縫金屬硬度高于母材（見圖4a），焊接熱影響區(qū)隨經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)峰值溫度升高硬度值急劇增加，其中熔合區(qū)硬度最高。熱處理后焊接接頭各區(qū)域硬度都有明顯的降低（見圖4b），尤其是焊縫金屬，硬度降低幅度最大。

圖4　P92鋼焊接接頭的硬度分布Fig.4Hardness distribution of P92 steel welded joint

P92鋼焊接過程中冷卻速度較快，產(chǎn)生較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效果，另一方面粗大的柱狀晶形成了尺寸較大的馬氏體板條束和板條，導(dǎo)致焊態(tài)焊縫金屬硬度遠(yuǎn)高于母材。在焊接熱影響區(qū)內(nèi)，峰值溫度越高，析出相溶解的越多，其固溶強(qiáng)化效果愈強(qiáng)，因此硬度值也會(huì)越高，尤其是熔合區(qū)由于被加熱到半熔融狀態(tài)，晶界熔化導(dǎo)致晶粒內(nèi)部原子半徑較大的合金元素向熔合區(qū)擴(kuò)散，引起硬度最高。經(jīng)熱處理后P92鋼焊接接頭各區(qū)域硬度明顯降低，焊態(tài)時(shí)硬度越高，過飽和度越大，固溶強(qiáng)化效果越強(qiáng)，回火過程中析出相析出速度越快，硬度降低幅度越大。

3　結(jié)論

（1）P92鋼焊態(tài)焊縫脆化嚴(yán)重，熱處理后韌性明顯改善但仍達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值；熱影響區(qū)沖擊功遠(yuǎn)高于焊縫，熱處理后韌性最好。

（2）P92鋼焊態(tài)接頭焊縫金屬的硬度遠(yuǎn)高于母材，經(jīng)熱處理后焊接接頭各區(qū)域硬度明顯降低，焊態(tài)時(shí)接頭各區(qū)域硬度越高，熱處理后硬度降低幅度越大。

（3）焊后熱處理能夠明顯改善P92鋼焊接接頭的性能，而較大的焊接熱輸入是導(dǎo)致P92鋼焊接接頭性能差的主要原因。

[1]楊富，章應(yīng)霖，任永寧，等．新型耐熱鋼焊接[M]．北京：中國電力出版社，2006．

[2]李益民，范長信，楊百勛，等．大型火電機(jī)組用新型耐熱鋼[M]．北京：中國電力出版社，2013．

[3]瓦盧瑞克·曼內(nèi)斯曼鋼管公司．T/P92鋼手冊[A].超超臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)論文集[C]．蘇州：蘇州熱工研究院有限公司，2005：284-305．

[4]Richardot D，Vaillant J C，Arbab A，et al．The T92/P92 Book[S]．Boulogen，Vallourec&Mannesmanntubes，2002．

[5]趙勇桃，張韶慧，董俊慧，等．焊后熱處理對P92鋼焊接接頭組織及力學(xué)性能的影響[J]．金屬熱處理，2015，40（7）∶33-36.

[6]楊露，黃安國，楊格，等．超超臨界機(jī)組用T/P92鋼焊接性能研究現(xiàn)狀[J]．電焊機(jī)，2014，44（5）：154-160．

[7]屈國民，牛靖，胡彬，等．回火溫度對P92鋼焊接接頭組織和性能的影響[J]．熱加工工藝，2014，43（9）：44-47．

[8]劉福廣，李太江，王彩俠，等．焊后熱處理溫度對P92鋼焊縫顯微組織和力學(xué)性能的影響[J]．動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2011，31（10）：83-87．

[9]侯志強(qiáng).超超臨界機(jī)組P92鋼焊口超標(biāo)缺陷分析[J].焊接技術(shù)，2013，42（2）：60-64.

[10]陳君平，楊文峰，劉建屏，等.P91/P92鋼管道對接焊縫根部裂紋的CIVA仿真分析[J].華北電力技術(shù)，2015（7）：12-16.

[11]李孝露，何山，李以善.在用檢驗(yàn)結(jié)果對P92鋼的焊接工藝優(yōu)化研究[J].焊接技術(shù)，2015，44（3）：48-51.

[12]李新梅，張忠文，李華東，等．新型耐熱鋼P(yáng)92焊縫金屬微觀組織研究[J].熱加工工藝，2014，43（17）：192-194.

Mechanical properties of heat-resistance steel P92 welded joint for USC unit

LI Xinmei1，ZHANG Jing2，DU Baoshuai1，LIU Rui2
（1.Shandong Electric Power Research Institute，Ji'nan 250003，China；2.Key Lab of Liquid Structure and Heredity of Materials，Ministry of Education，Shandong University，Ji'nan 250061，China）

Toughness and hardness ofP92 steel welded joint before and after heat treatment were studied by impact test,hardness test and scanning electron microscopy(SEM).The results showthat P92 steel welded joint has lowimpact toughness and high hardness.The impact toughness is obviously increased and hardness is significantly decreased on P92 steel welded joint after heat treatment.Post welding heat treatment(PWHT)can significantlyimprove the performance ofP92 steel welded joint，and the main reason for the poor performance ofP92 steel welded joint is the great weldingheat input.

ultra-supercritical unit；P92 steel；toughness；hardness

TG457.1

A

1001－2303（2016）05－0077-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.17

2015-12-19

李新梅（1980—），女，山東菏澤人，博士，高級工程師，主要從事電站新型耐熱鋼焊接技術(shù)的研究工作。