高溫再熱蒸汽管道P92鋼焊接缺陷分析

靳彤，王強，安洪亮，馮瑞，王新偉

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1 序言

P92鋼是20世紀90年代由日本新日鐵公司在P91鋼的基礎上通過增加W含量（質量分數）至1.8%，減少Mo含量至0.5%而研發生產的，使其蠕變斷裂強度和使用溫度進一步提高，具有低的熱膨脹系數，低成本的優勢和優異的綜合性能而成為新一代超超臨界電站機組的理想用鋼[1]。

P92鋼作為超超臨界機組應用的新型耐熱鋼材料，常用于高溫、高壓主蒸汽管道等部件。它比其他鐵素體合金鋼具有更強的高溫強度和蠕變性能，可以減輕鍋爐和管道部件的質量；同時這種材料的抗熱疲勞性、熱傳導系數和膨脹系數優于奧氏體不銹鋼，且抗腐蝕性和抗氧化性能也很強。因而P92材料允許更高的運行參數（溫度、壓力），從而提高了機組的熱效率。

P92鋼管道的母材和焊接接頭都是馬氏體組織，其韌性較低，尤其是接頭微觀組織的不均勻性及由此引起的蠕變性能下降是其弱點[2]。因此，P92鋼的焊接難度大、工藝要求嚴格，P92鋼管道的焊縫缺陷多數是以微小裂紋類缺陷為主，易被忽視，留下重大安全隱患，其危害性往往較大。因此，準確判斷缺陷的性質，避免危害性缺陷的產生，是P92鋼焊接的關鍵。本文選取高溫再熱蒸汽管道P92鋼焊接缺陷的實例為對象，對其缺陷的類型、性質及原因進行了分析討論，為防止P92鋼管道焊接缺陷的產生提供了參考。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

某1000MW超超臨界機組，高溫再熱蒸汽管道材質為：SA335-P92，規格為：φ890mm×70mm。機組設備安裝，管對接采用TIG+SMAW的焊接方法。焊接材料為鎢極氬弧焊絲ER90S-G、φ2.4mm和焊條E9018-G、φ3.2mm。

（1）化學成分 采用機械加工方法，自母材（管材）端部取樣，依據GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對10Cr9MoW2VNbBN（對應SA335-P92）的要求[3]，對母材各項指標進行復驗，項目包括：化學成分、室溫拉伸及室溫沖擊。

母材化學成分分析結果符合G B/T 5310—2 0 1 7 《高壓鍋爐用無縫鋼管》中表3、表4 對10Cr9MoW2VNbBN（對應SA335-P92）的成分要求。焊接材料為鎢極氬弧焊絲ER90S-G、φ2.4mm和焊條E9018-G、φ3.2mm。焊材產品說明書顯示均為熔敷金屬的化學成分例值，故進行熔敷金屬化學成分檢測，焊絲和焊條的熔敷金屬化學成分檢測結果均與產品說明書例值基本相當。母材及焊材化學成分檢測結果見表1。

（2）力學性能 沿母材橫向（圓周方向）截取φ 10m m圓棒試樣，分別進行20℃、200℃、400℃、600℃的拉伸試驗，試驗結果全部符合GB/T 5310—2017的要求。隨著試驗溫度的升高，母材的屈服強度和抗拉強度呈降低趨勢；母材的斷后伸長率在400℃時處于較低水平，在600℃時大幅回升。拉伸試驗結果見表2。

表1 P92鋼管材及焊材化學成分與標準要求值對照（質量分數） （%）

表2 P92鋼管材的拉伸試驗結果

沿母材橫向（圓周方向）截取沖擊試樣（10mm×10mm×55mm），試樣采用標準的V型缺口。在室溫的環境下，測得三次沖擊試驗結果分別為103J、83J、73J，平均值為86J；GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求值為≥27J。沖擊試驗結果符合標準要求值。

2.2 焊接工藝

焊接工藝采用GTAW+SMAW。鎢極氬弧焊絲為ER90S-G、φ2.4mm，焊條為E9018-G、φ3.2mm，主要焊接參數見表3，焊后熱處理曲線如圖1所示，管道焊接坡口形式如圖2所示。

表3 焊接參數

圖1 焊后熱處理曲線

2.3 試驗方法

首先采用數字超聲波檢測方法對P92鋼管道的焊口進行無損檢測；其次對超標缺陷部位進行宏觀檢測；最后利用OLYMPUS GX51光學金相顯微鏡對缺陷的類型、組織特征進行觀察。

圖2 管道坡口形式

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

（1）超聲波檢測結果 采用數字超聲波雙面雙側檢測方法對焊口進行無損檢測，依據DL/T 820—2002《管道焊接接頭超聲波檢驗技術規程》進行，探傷采用B級檢驗級別[4]，并依據DL/T 868—2014《焊接工藝評定規程》進行焊口質量驗收，合格級別為I級[5]。檢測結果表明：焊口內部存在三處斷續分布長度超標缺陷（Ⅲ級），焊口質量不合格。超標缺陷標記位置如圖3所示。

（2）宏觀檢驗結果 采用機械加工方法，沿焊縫橫截面解剖，對三處超標缺陷進行觀察，缺陷在不同截面上形態和深寬位置并不一致，無明顯的分布規律，顯示為孤立點狀缺陷，缺陷位置具有隨機性和斷續性，與超聲波檢測結果相吻合，如圖4所示。

（3）微觀檢驗 通過對缺陷進行金相分析，發現缺陷類型為裂紋、氣孔和夾渣，缺陷類型的微觀形貌如圖5所示。缺陷呈斷續、錯位式分布，在一定范圍內斷續分布長度超標，在裂紋、氣孔及夾渣中都發現了氧化物。

在接頭截面上進行組織觀察，檢測區域依次為近外表面、1/4壁厚、1/2壁厚、3/4壁厚、近內表面，不同厚度位置的金相組織未見明顯差異，焊縫及熱影響區中均未見裂紋、無過熱組織、無淬硬馬氏體組織，焊縫金相組織為回火索氏體，仍保持原馬氏體位向特征，未見明顯δ-鐵素體。微觀金相檢驗結果符合DL/T 868—2014要求。焊縫金相組織形貌如圖6所示。

圖3 超標缺陷標記位置

圖4 超標缺陷在焊縫中的位置示意

圖5 焊縫中超標缺陷類型

圖6 焊縫金相組織形貌

3.2 結果分析與討論

1）P92鋼焊接的常見缺陷類型有夾渣、未熔合和裂紋，超標氣孔缺陷較為少見，氣孔缺陷的產生一般與電弧周圍生成的H2和CO等有關。焊縫中氣孔斷續分布長度超標，主要與安裝現場條件較差、焊接工藝執行不到位等因素有關。

2）厚壁P92鋼焊接坡口角度較小，在焊接順序不合理的狀況下，很容易在坡口等位置出現尖角或夾溝[6]，造成層間打磨難度較大，易產生夾渣等缺陷。因此，坡口熔合線及焊道間圓滑過渡能夠減少焊縫中出現死角、夾溝等，有效避免夾渣的形成。同時在焊接過程中，必須重視層間清渣工作，防止夾渣缺陷的產生。

3）P92鋼焊縫中易出現微小裂紋缺陷，主要是焊接過程中焊條收弧時產生的弧坑裂紋[7]。P92鋼管道的焊縫中出現的裂紋，主要與焊接熱輸入過大、預熱不足及收弧質量不良等因素有關，尤其收弧不良，形成弧坑，焊縫凝固收縮后期，液態金屬補充不足，將引發微裂紋，即弧坑裂紋。焊接熱輸入過大、預熱不足均將造成焊縫區域應力過大，焊條焊接時，采用擺動快速薄層的運條方式，焊條的擺動寬度范圍控制在8～10mm，焊層厚度＜2.5mm，收弧點保證液態金屬填滿弧坑，可有效降低弧坑裂紋發生的風險。

4） P92鋼焊接接頭的強度及韌性是評價焊接接頭質量的重要方面，較大的焊接熱輸入可以導致P92鋼焊接接頭性能變差，尤其焊縫的沖擊韌性，即便是通過焊后的高溫回火，也很難使得焊縫的韌性達到標準中的規定。合理的焊接熱輸入對焊口的質量起到至關重要的作用，在焊接工藝允許的范圍內，采用較小的焊接熱輸入，有效控制層間溫度，并嚴格按照工藝要求進行焊前預熱和焊后熱處理，能夠有效保證焊縫的各項性能符合標準要求。

4 結束語

1）再熱蒸汽管道P92鋼焊縫中超標缺陷與焊接工藝控制不嚴格有關，均屬焊接缺陷，類型為斷續、錯位式分布的裂紋、氣孔和夾渣。

2）厚壁P92鋼管道的焊接，采用合理的焊道布置、較小焊接熱輸入、快速擺動運條方式、提高焊條收弧質量等手段，可有效降低焊接缺陷發生的風險。

3）P92鋼淬硬傾向較大，焊口強制組對、焊接冷速過大、熱處理不及時等情況下，焊縫易產生冷裂紋，嚴格控制焊接熱輸入、層間溫度、做好預熱及焊后熱處理等，可有效降低冷裂風險。