新型馬氏體耐熱鋼G115焊接及焊后熱處理工藝研究

王登第，毛春生，李平，苗慧霞，柴茂海，劉磊，王能淼，黃振濤，楊志鵬，王偉

中國電建集團山東電力建設第一工程有限公司 山東濟南 250100

1 序言

從2006年起，國家鋼鐵研究院依托國際合作項目“650℃蒸汽參數超超臨界火電機組鍋爐鋼品種研發和性能研究”，開展了Cr含量（質量分數，下同）為9%、12%、15%的650℃耐熱鋼成分優化和品種篩選的探索研究，并確定了發展wCr=9%的650℃馬氏耐熱鋼的方向和基本化學成分體系。從2009年起，依托國家“973計劃”中的“耐高溫馬氏體鋼的組織穩定性基礎研究”課題，開展了wCr=9%的650℃馬氏體耐熱鋼的高溫組織穩定性的基礎研究，提出了650℃馬氏體耐熱鋼的“選擇性強化設計理論”，成功開發出10Cr9W3Co3VNbCuBN原型鋼。從2012年起，依托“863計劃”中的“先進超超臨界火電機組關鍵鍋爐管開發”項目，開展了G115（08Cr9W3Co3VNbCuBN）鋼厚壁大口徑管的研發。

2016年，電力規劃設計總院受國家能源局委托，召開了“650℃超超臨界燃煤發電技術可行性研討會”，經過多方專家討論認為，目前建設630℃參數超超臨界機組已基本成熟，而G115鋼成為當前我國（也是世界）首臺630℃超超臨界機組主蒸汽管道的唯一候選材料。G115鋼密度為7.897g/cm3，抗拉強度≥660MPa，屈服強度≥580MPa，伸長率≥20%，母材硬度為190～250HBW，室溫沖擊吸收能量≥27J，相變點溫度為：Ac1＝800℃，Ac3＝890℃，Ms＝375℃，Mf＝255℃。試驗數據顯示，G115 鋼與T/P91、T/P92、SAVE12AD鋼相比，具有優異的組織穩定性和持久強度[1]，其許用應力更高，同時具有更為良好的抗蒸汽氧化腐蝕性能。G115 鋼可以用于超（超）臨界鍋爐的集箱、蒸汽管道、受熱面管子等部件，以及類似工況的受壓元件。同時，在電站檢修機組中也可以采用G115鋼替代目前的P92鋼管，管道的壁厚可大幅度減薄，極大地降低焊接難度。在同參數同管徑的情況下，管道設計壁厚可減少25%、重量減少約50%，推廣應用前景非常廣闊[2]。

2 研究內容

2.1 G115鋼焊接性研究

G115鋼是在9C r-3W-3C o系基礎上發展起來的，合理優化B、N微量元素配比，同時添加Cu元素，其化學成分見表1，嚴格控制其他有害元素上限水平，5個有害元素含量控制要求見表2。

表1 G115鋼管化學成分（質量分數） （%）

表2 有害元素含量控制要求（質量分數）（%）

由于G115鋼合金化程度高，其B、S含量低，Mn含量高，這些因素共同決定了其在施焊冷卻過程中，隨著溫度的降低導致產生的低熔點共晶物減少。又由于其自身線膨脹系數小，G115鋼的熱裂紋敏感性不大，斜Y形坡口試驗結果驗證了該鋼材沒有再熱裂紋傾向。焊接冷裂紋敏感性主要是由淬硬傾向決定的，影響淬硬傾向的主要因素是化學成分。根據G115鋼材的斜Y形坡口試驗情況可看出，該鋼材有較大的冷裂傾向，因此需要嚴格執行預熱工藝。

焊接熱循環對焊接接頭熱影響區的晶粒長大有重大的影響，特別是緊鄰焊縫的熱影響區。當冷卻速度較慢時，在焊接熱影響區會出現粗大的塊狀鐵素體和碳化物組織，使焊接接頭出現鐵素體，造成接頭強度不足、塑性下降；當冷卻速度較快時，由于產生了粗大的馬氏體組織，所以會使焊接接頭硬度過高，塑性下降。因此，需要嚴格控制焊接及焊后熱處理過程中的熱循環。焊接過程中，焊接層間溫度不超過250℃，防止熱輸入過大；焊后需要保證馬氏體充分轉變；焊后熱處理需要控制適當的降溫速度，以保證組織轉變符合要求。

G115鋼ww=2.4%～3.1%，由于W的熔點較高，因此在焊接過程中要充分考慮其均勻過渡，避免出現夾渣情況，并考慮焊接接頭綜合質量，建議優先使用鐵芯過渡的焊條。

G115鋼的合金含量較高，特別是wCr=8.5%～9.5%，根部氬弧焊打底時，極易產生背面氧化現象，降低焊接接頭的性能。因此，在制定焊接工藝時，需要充分考慮合適的焊接工藝和有效的保護措施，防止根部產生氧化。同時，在填充第一層時容易發生燒穿，也需要嚴格控制焊接參數。

2.2 G115鋼焊接材料選擇

根據G115鋼的合金成分和力學性能（見表3），結合目前G115鋼潛在可用的焊接材料情況，優先選擇Chromet933、G115專用焊接材料進行焊接工藝研究。本試驗選擇了國內焊接材料廠家研發的G115鋼專用焊接材料。

表3 G115鋼專用焊接材料化學成分與力學性能

2.3 G115鋼焊接工藝研究

根據G115鋼專用焊接材料試焊情況，其焊絲、焊條工藝性能較好。焊絲焊縫成形情況良好，焊縫表面干凈無雜物；焊條起弧容易，藥皮燃燒穩定，熔池保護效果好，脫渣性較好，且無黏條現象。結合以往公司研發的“高合金鋼大徑厚壁管道焊接關鍵技術”，以及G115鋼各金相相變點、G155鋼專用焊接材料推薦工藝工況[3]，制定的G115鋼焊接參數見表4。

2.4 G115鋼焊接接頭熱處理工藝研究

根據圖5所示的G115鋼連續冷卻組織轉變圖（CCT曲線）可得出其相變點溫度為：A c1＝800℃，Ac3＝890℃，Ms＝375℃，Mf＝255℃。

圖1 G115鋼CCT曲線

結合公司“高合金大徑厚壁管道焊接關鍵技術”，最終制定G115鋼焊接接頭熱處理工藝。G115鋼焊接接頭焊接完畢后，使用保溫棉包覆焊縫區域，并利用預熱時的熱電偶和加熱器控制降溫，待焊接接頭溫度降至80～120℃，保溫2h后自然冷卻，拆除預熱時的加熱器和熱電偶，重新安裝加熱器和熱電偶。

焊后熱處理采用中頻感應加熱方式進行，加熱器寬度以焊縫為中心每側不小于5倍壁厚，升降溫速度為（6250/壁厚）℃/h，恒溫溫度為760℃±10℃，恒溫時間按照壁厚計算為5mm/min，保溫厚度為40mm，保溫寬度每側7倍壁厚，感應線圈與管道間隙為10～80mm，管子兩頭用鐵皮封堵以減少散熱，感應線圈和保溫棉布置如圖2所示。

圖2 G115鋼焊接接頭中頻感應熱處理感應線圈和保溫棉布置

3 G115鋼焊接接頭焊接性能試驗

G115鋼焊接接頭在焊后熱處理合格后，進行無損檢測試驗，檢測合格后按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》等相關要求進行拉伸、彎曲、沖擊、硬度等性能試驗及檢測。

3.1 拉伸試驗

G115鋼焊接接頭拉伸試驗結果見表5。由表5可看出，各拉伸試樣抗拉強度均≥640MPa，說明選用CHG-G115＋CHH767焊接材料焊接，其接頭強度能夠滿足要求。

表5 G115鋼焊接接頭拉伸試驗結果

3.2 彎曲試驗

根據管道規格，該焊接接頭彎曲試驗全部采用側彎，經過試驗表面無裂紋，結果如圖3所示。

圖3 G115鋼焊接接頭側彎試驗結果

3.3 沖擊試驗

為了充分驗證G115鋼焊接接頭韌性，考慮在焊接接頭截面的內層、中層、外層分層取焊縫及熱影響區、母材沖擊試樣進行試驗。根據沖擊試驗結果發現，焊縫及熱影響區沖擊吸收能量基本一致，其數值基本≥41J，但有個別數值在27～41J之間，但均符合材料的設計值，表明材料沖擊韌度良好。

同時，為了進一步加強焊接材料驗證，進行焊接材料堆焊焊接沖擊試驗，發現焊絲堆焊焊接試樣的沖擊韌度較高，而焊條堆焊的焊接試樣沖擊吸收能量與上述焊接接頭沖擊試驗中焊縫及熱影響區數值基本一致。

3.4 硬度檢測

根據T/CISA 003—2017、T/CSTA 00017—2021、BTJG-008—2015相關G115鋼制作標準，其母材硬度值為190～250HBW，參考DL/T 869－2021、DL/T 438－2023有關規定，其正常焊縫熱處理后硬度值應為185～270HBW，為了更好地反映焊接接頭的硬度情況，選擇截取焊接接頭斷面分層進行硬度檢測。

通過硬度檢測，母材從外層到內層的硬度數據在195～250HBW之間；熱影響區從外層到內層的硬度數據在195～240HB之間；熱影響區從外層到內層的硬度數據在210～255HBW之間。以上數據可間接說明，G115鋼焊接接頭熱處理工藝制定合理。

3.5 金相試驗

G115鋼為馬氏體耐熱鋼，其金相組織如圖4所示。

圖4 G115 鋼金相組織

G115鋼焊接接頭的金相組織應為回火馬氏體[4]，為了更好地研究焊接接頭各部位的金相組織情況，對G115鋼焊接接頭分外層、中層、內層進行分層試驗。焊縫外層、中層、內層及近縫區母材的金相組織如圖5所示。

圖5 焊縫外層、中層、內層及近縫區母材的金相組織

從圖5可知，焊接接頭、近縫區母材金相組織均為回火馬氏體，與原始母材的金相組織一致，表明焊接工藝及熱處理工藝制定合理。

4 結束語

通過研究，采用G115鋼專用焊接材料，并結合已有的“高合金大徑厚壁管道焊接關鍵技術”，形成一套完整的G115鋼焊接及熱處理技術，為G115鋼的推廣應用做好技術儲備，也可為國內外630℃及以上超超臨界機組的新型材料施工提供借鑒，并為后續高效節能機組安裝提供了施工經驗。