闫侯霞

(内蒙古能源发电金山热电有限公司，内蒙古 呼和浩特 010106)

SA335-P92钢是在已有的P91钢的基础上发展而来，通过加入Mo、W、N、V、Nb等元素并控制其加入量，采用复合的、多元的强化手段[1～2]。控制Mo的含量为0.30%～0.60%，控制W的含量为1.50%～2.00%，从而在组织中达到W-Mo复合固溶强化效果。加入N元素达到间隙固溶强化效果，同时，N元素与加入的V、Nb形成碳氮化物达到弥散沉淀强化效果。控制B的含量为0.001%～0.006%达到晶界强化效果[3～5]。通过W-Mo复合固溶强化、间隙固溶强化、弥散沉淀强化、晶界强化等复合-多元强化手段，P92钢成为新型耐热合金钢被广泛应用到电力工程建设中[6]。

与P91钢相比，P92钢具有比较明显的性能优势，特别是在高温性能方面。当温度低于400℃时，P92钢的延伸率和断面收缩率与P91大致相当。在温度400℃时，两者的力学性能也大致相同；当温度高于600℃时，P92钢的持久强度开始高于P91钢；当温度达到650℃时，P92钢的持久强度是P91钢的1.6倍。此外，P92钢还具有优良的韧性及加工性能、较好的抗蒸汽氧化性能，略高于P91钢的抗高温腐蚀性能[7～9]。

P92钢作为替代P91钢的新材料，其化学成分、物理性能以及力学性能均进行过全面测试。不仅如此，为了使P92钢在工程实际中达到广泛的应用，焊接材料研发生产厂家也针对P92的化学成分、力学性能开发了相应的焊接材料[10]。同时对这些焊接材料的焊缝熔敷金属进行了包括化学成分和常规力学性能实验分析。不同的生产厂家生产的焊接材料往往焊接性和焊接接头使用性能不尽相同。随着我国超超临界机组大规模投运，作为主蒸汽管道用钢的P92应用越加广泛。在工程实际中，需要针对现场的工程实际制定有针对性、恰当的焊接工艺[11～15]。因此，开展P92钢焊接工艺评定并对其焊接性进行研究是十分必要的。

1 试验材料及方法

选用P92钢母材的规格为Φ273×40mm。焊接材料包括焊丝、焊条两种。其中，焊丝型号：ER90S-G，规格：Φ2.4mm；焊条型号：E9018-G，规格：Φ2.5mm、Φ3.2mm、Φ4.0mm。焊接设备采用唐山松下焊机，型号YC-400TX。

焊接方法选用手工钨极氩弧焊(GTAW)打底，手工电弧焊(SMAW)盖面。焊缝总厚度：GTAW5.5mm、SMAW34.5mm。焊前预热、后热及气体保护。焊后在760℃±10℃保温热处理3小时，炉冷到300℃后空冷到室温。钨极类型和尺寸为WCeФ2.5mm，电流衰减时间为3s～5s。

焊接过程中，无论焊接位置2G还是5G，均需要两名焊工实施对称焊接完成(见图1、图2)，层间温度通过手持远红外测温仪以及控温仪联合监测，严格控制焊接热输入。

图2 P92钢对称焊接(5G)

2 试验结果及分析

2.1 P92钢焊接工艺评定结果及分析

根据DL/T868-2014《焊接工艺评定规程》的规定，P92钢管的规格选用Φ273×40mm，加工成长度为300mm的标准试件。加工后的试样严格按照规程相关规定进行焊接组装。在进行试样点固焊时，要把“定位块”点固在焊件坡口内，而且点固焊的数量不得少于3块(见图3)。“定位块”的材质要采用P92钢或表面堆焊P92熔敷金属的低碳钢，表面堆焊的熔敷金属不得少于两层，厚度不得小于5mm。焊接过时，施焊至“定位块”处时，去掉“定位块”，再将焊点用角磨机磨掉，不得留有焊接疤痕。组装结束后，根据制定的焊接工艺参数进行焊接。焊接完成后，对焊件进行检测及评价。

图3 “定位块”点固焊位置

焊接工艺评定的准则是制定评定合理的焊接工艺，避免焊接接头产生焊接缺陷。在工程实际应用过程中，为了高质量、高效率地保证焊接质量和整体结构质量，有必要对新型耐热钢P92的焊接性进行分析。P92这种新型耐热钢焊接性的主要问题是焊接冷裂纹。因此，对P92的焊接性主要通过冷裂纹试验进行。

经过多次焊接试验，拟选用表1中的焊接工艺参数进行焊接。

表1 P92钢的焊接工艺参数

依据表3对试样进行了焊接，焊接后的试件见图4。焊接结束后，对焊件进行外观检验及无损检验。检验结束后，对焊件进行试样加工，为拉伸检验、弯曲试验以及微观金相检验制备试样。

图4 经过焊接后的试件

2.2 P92钢规范参数条件下焊接工艺评定检验

依据规程DL/T868-2014《焊接工艺评定规程》的规定，Φ273mm×40mm焊接后需要进行的检测项目包括外观检验、射线检验、拉伸检验、弯曲试验以及微观金相检验5项，本项目为了对工艺评定内部缺陷的掌握，增加了焊件的断口检验。

2.2.1 外观检验。外观检验也叫“VT”检验，英文名称“Visual Test”，即为看见的、视觉上的检验，是一种焊缝的宏观检验方法。这种检验是以视觉观察为主，有时候也借助低倍放大镜和焊缝检验尺。

经过外观检验发现，焊件表面焊道均匀，成型美观，不存在气孔、裂纹、烧穿、焊瘤、弧坑等缺陷。

2.2.2 无损检验。无损检测是在不破坏构件性能和完整性的前提下，对金属构件的某些物理性能和微观结构进行检测，识别金属构件表面和内部各种缺陷的技术。本项目主要采用射线照相法进行无损检测。射线照相是一种利用X射线穿透试样，胶片记录信息的无损检测方法。该方法是最基本、应用最广泛的无损检测方法 通过检验结果表明P92钢在规范的工艺参数条件下焊缝中未见缺陷，焊接结果合格。

2.2.3 断口检验。断口检验是用来判断焊缝内部是否存在缺陷的一种检验方法。可以在焊接接头力学试验后的断口上观察，也可以在焊接接头拟检验的截面表面开一沟槽，用压力机压断后观察断口。可以判断金属是塑性破坏或是脆性破坏，检验断口处是否有焊接缺陷。本项目采用的是第二种检测方法。首先，在焊缝表面开一沟槽；然后，在断口机进行试验。从断口表面可以看出，断口呈塑性断裂，焊缝断口处未见缺陷，断口试验结果合格。

2.2.4 拉伸检验。拉伸检验是用来评定焊缝或焊接接头强度和塑性性能的试验方法。根据规程规定，在钢管的对称位置取下相应尺寸的试样，加工成标准试样后在万能试验机上进行拉伸检验，拉伸结束后，根据测量的力值计算试样的抗拉强度是否符合工艺评定的相关要求。经检验，焊件的抗拉强度性能(1-1：684MPa和685MPa，1-2：688MPa和689MPa)均大于母材的下限值(620MPa)，符合规程规定“同种材料焊接接头每个试样的抗拉强度不应低于母材抗拉强度规定值的下限”的要求，因此，拉伸试验结果合格。

2.2.5 弯曲检验。弯曲试验用于评定焊接接头的塑性，能反映焊接接头各区域的塑性差异，揭示焊接缺陷，评定熔合区的焊接质量。试验过程严格按照规程规定进行。根据弯曲试验后试样的表面状况，将面弯和根弯试样弯曲到规定的180℃角度后，各试样的拉伸表面焊缝和热影响区的任何方向均不存在长度大于3mm的裂纹缺陷。试样边角未发现夹渣等内部缺陷引起的裂纹。因此，弯曲试验结果合格。

2.2.6 金相检验。金相检验是焊缝的一种显微检验。显微检验是在50倍以上(一般为100倍～1 500倍)的显微镜下进行的，用于分析焊接接头各区域的金相组织和显微缺陷。微观检验的样品应具有代表性，对观察表面进行粗磨、抛光、腐蚀后进行显微镜观察。显微检验可以确定焊接接头各部位的显微组织特征和晶粒尺寸，从而推断焊缝和热影响区的冷却速度和力学性能，确定所选用的焊接材料和焊接方法是否合适，焊接工艺和焊接规范是否正确，并在此基础上提出改进方案。也可用于检测微观缺陷(气孔、夹渣、裂纹等)和结构缺陷(如合金钢、白口铸铁的淬火组织、钢中的氧化物和氮化物夹杂物、过烧现象等)。从图5和图6焊缝及热影响区组织可以看出，焊缝金相组织由马氏体、残余奥氏体和析出相组成，焊缝及热影响区无裂纹、过烧及过热引起的组织异常，符合标准要求，焊缝组织合格。

图5 焊缝及热影响区处的组织(2G)

图6 焊缝及热影响区处的组织(5G)

结合上述工艺评定结果，P92钢规范的焊接工艺参数推荐如下：焊接位置2G时，GTAW时，电流110A～115A，电压11V～12V，氩气流量15L/min，背面氩气流量25L/min，焊接速度80mm/min～85mm/min；SMAW时，电流80A～155A，电压21V～23V，氩气流量15L/min，背面氩气流量6L/min，焊接速度140mm/min～145mm/min。

焊接位置5G时，GTAW时，电流100A～115A，电压12V～14V，氩气流量15L/min，背面氩气流量20L/min，焊接速度35mm/min～40mm/min；SMAW时，电流80A～90A，电压23V～25V，氩气流量15L/min，背面氩气流量6L/min，焊接速度90mm/min～120mm/min。

2.3 P92钢焊接性分析

斜Y型坡口试板的约束焊缝对试验焊缝根部和近缝区有较大的约束，常用于评价钢板近缝区和匹配焊接材料在一定预热温度下形成的焊缝的冷裂倾向。

试验符合《GB/T 4364-2013斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》的要求。试验中的试样是采用Ф273×40mm的管子加工而成的。试件的形状和尺寸按照规程要求进行。室温下准备进行焊接的斜 Y 坡口试验的试样照片(见图7)，焊接结束经过48h焊缝开裂的照片(见图8)。观察预热120℃和150℃截面，预热在120℃时接头有明显的裂纹，裂纹贯穿整个焊缝。150℃预热以及200℃预热的条件下的焊缝未出现裂纹。Y型坡口拘束试验结果表明：SA-335P92钢含碳量低，硫、磷等杂质元素控制严格。具有一定的焊接冷裂纹倾向的，焊接时必须相应地采取一些预防措施，如需要一定的预热及层间温度等。

上述试验结果表明，在150℃的预热温度条件下即可防止冷裂纹的发生。考虑到实际生产条件和产品结构的复杂性，推荐产品焊接时，钨极氩弧焊的预热温度≥150℃，焊条电弧焊的预热温度≥200℃。

3 结束语

获得SA335-P92钢规范的焊接工艺参数。焊接位置2G时，GTAW时，电流110A～115A，电压11V～12V，氩气流量15L/min，背面氩气流量25L/min，焊接速度80mm/min～85mm/min；SMAW时，电流80A～85A，电压21V～23V，氩气流量15L/min，背面氩气流量6L/min，焊接速度140mm/min～145mm/min。

焊接位置5G时，GTAW时，电流100A～115A，电压12V～14V，氩气流量15L/min，背面氩气流量20L/min，焊接速度35mm/min～40mm/min；SMAW时，电流80A～90A，电压23V～25V，氩气流量15L/min，背面氩气流量6L/min，焊接速度90mm/min～120mm/min。

SA335-P92钢的焊接性能表明，该材料具有一定的焊接冷裂纹倾向。当预热温度≥150℃时，可避免冷裂纹的产生。考虑到实际生产条件和产品结构的复杂性，建议手工钨极氩弧焊预热温度≥150℃，手工焊条电弧焊的预热温度≥200℃。