田力男, 张丰收, 李俊峰, 白 丽, 王 鲁, 乔立捷, 冯可云

(1. 华电电力科学研究院有限公司, 浙江 杭州 310030;2. 河南华电金源管道有限公司, 河南 郑州 451162)

08Cr9W3Co3VNbCuBN (G115)钢是国内研发的一种新型马氏体耐热钢,于2017年12月通过了全国锅炉压力容器标准化技术委员会组织的市场准入评审。G115钢通过“选择性强化”设计理念,在P92钢的基础上提高了固溶强化元素W的含量,增添了Co元素和沉淀析出强化元素Cu,通过合理控制B、N、Al元素的配比,实现了钢在高温下的复合强化[1-2]。G115钢是目前能用于630 ℃蒸汽温度等级的唯一非奥氏体耐热钢,其最高工作壁温可达650 ℃[3]。

埋弧自动焊(SAW)是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法,焊接熔深和焊接效率都远高于手工电弧焊,并具有无弧光、少烟尘、劳动保护好等诸多优点。一直是国内配管、修造单位对电站大直径厚壁管道进行工厂化预制的首选焊接方法[4]。

本文对大口径厚壁G115钢管进行埋弧自动焊及焊后热处理后发现,焊缝的冲击吸收能量低于DL/T 868—2014《焊接工艺评定规程》对9%～12%Cr马氏体耐热钢不得小于41 J的规定。焊缝的冲击性能直接关系到管道服役的安全性,必须对造成冲击性能低的原因进行分析,并提出修复措施。

1 SAW焊接过程

原材料采用规格为OD530 mm×115 mm的G115钢管,焊接材料采用针对G115钢研发的焊材,氩弧焊丝牌号为GTR-W93,埋弧焊丝牌号为GWR-W93,焊剂为GXR-93,表1为G115钢和GWR-W93埋弧焊丝的化学成分。为保证根部质量和后续埋弧焊的进行,先用钨极氩弧焊(GTAW)进行打底,预热温度控制在200～220 ℃。打底完成后,埋弧焊的最高层间温度控制在不超过300 ℃。焊接完成后,先冷却到255 ℃并恒温2 h以实现马氏体的充分转变,然后再进行350 ℃×2 h的后热消氢处理。图1为G115钢管SAW焊接的坡口形式及尺寸。

表1 G115钢和GWR-W93埋弧焊丝的化学成分(质量分数,%)

2 焊后热处理

G115钢属于高合金马氏体耐热钢,焊态组织为马氏体,熔融状态的焊缝金属在快速冷却过程中,Cr、W、V、Nb等溶质元素来不及形成碳化物析出而只能固溶于焊缝金属中,使焊缝的硬度提高,韧性降低,因此必须经回火处理后方可服役。在回火处理过程中,溶质元素形成碳化物从马氏体中析出,马氏体位错密度降低,得到的回火马氏体组织具有优良的综合力学性能。

相比于碳钢和低合金钢,9%～12%Cr类高合金钢需要较高的回火温度,如P91/P92钢的焊后回火温度一般仅低于熔覆金属Ac1点20～30 ℃[5]。由于G115钢的焊接实践还很不充分,未获得新研制埋弧焊丝的有效Ac1数据,因此只能根据G115钢母材CCT曲线[6](如图2所示)来确定实际回火温度。从图2可知,G115钢的Ac1点为800 ℃, 故确定实际回火温度为(785±5) ℃,保温时间为14 h。采用整体热处理方式,回火设备采用RSQ-15-11型箱式燃气热处理炉,升温速率≤60 ℃/h, 降温速率≤90 ℃/h, 内外壁温差控制在≤5 ℃范围内, 降温至300 ℃以下可不控温。

图2 G115钢的CCT曲线[6]

3 焊缝力学性能

在G115钢785 ℃回火后的焊缝和焊接热影响区上各取6个冲击试样,试样取自图3所示的试块3(图中③⑥⑨为钟点方向记号,表示水平固定位置焊接时的定位标记)。冲击试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm,开有2 mm V型缺口。使用JB-300J型半自动冲击试验机,按照DL/T 868—2014标准进行室温冲击试验,结果如表2所示。从表2可知,G115钢焊缝(Weld zone,WZ)和热影响区(Heat affected zone,HAZ)的冲击吸收能量均小于DL/T 868—2014标准规定的最低值41 J的要求。

表2 G115钢焊缝和热影响区的冲击吸收能量(J)

沿焊缝厚度方向分上下两层共加工4个横向侧弯试样,试样取自图3所示的试块2。横向侧弯试样尺寸为57.5 mm×10 mm×260 mm,使用WEW-600D型微机屏显式液压万能试验机,按照标准DL/T 868—2014进行横向侧弯试验,弯曲角度为180°。试验结果有两个试样开裂,一个为约2 mm的裂纹,另一个为小于1 mm的裂纹,开裂处均位于焊缝区,侧弯试样的开裂与焊缝冲击性能低的结果相吻合。

图3 焊缝取样位置图

采用TIME 5306型便携式里氏硬度计按照DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》对G115钢焊缝沿圆周方向(90°、180°、270°、360°)检测4个位置的硬度,测得焊缝平均硬度值为185 HBW。焊接热处理后临近母材(Base metal,BM)的平均硬度值为176 HBW,可见G115钢焊接接头热处理后焊缝的硬度高于邻近母材,这一结果在一定程度上也解释了侧弯试验开裂于焊缝上而不是邻近母材上的现象。

4 分析与讨论

G115钢管SAW焊接后进行磁粉、超声及X射线检测均未发现内外部焊接缺陷,因此可以排除是焊接缺陷导致的焊缝冲击性能不足,因此重点分析焊接方法、焊接材料及焊后热处理制度的变化所产生的影响。

4.1 焊接方法对冲击性能的影响

P91/P92钢的焊接实践表明,焊接时层间温度要尽可能低,以控制一次结晶奥氏体的晶粒尺寸,从而保证得到细晶的马氏体组织,因此G115钢手工电弧焊时采取的层间温度不宜超过250 ℃,但在SAW时,如果层间温度还要保持不超过250 ℃,则在整个SAW过程中必须经常暂停降温,无法保证连续作业,所以将SAW的最高层间温度提高到不超过300 ℃,而更高的层间温度可能对冲击性能带来不利影响。

文献[7]给出了相同条件下P92钢钨极氩弧焊(GTAW)、手工电弧焊(SMAW)及埋弧自动焊焊缝的一组冲击性能,据此进行比较(如图4所示)可以看出,氩弧焊焊缝的冲击性能最好,手工电弧焊的冲击性能可满足DL/T 868—2014要求,而埋弧自动焊的冲击性能最差。正因为SAW焊接热输入量大,层间温度控制上限不得不有所提高的特点,对SAW焊缝的焊后热处理就显得更为重要。

图4 P92钢不同焊接方法焊缝的冲击性能

4.2 焊材Ac1温度分析

如前所述,由于研发的新型G115钢埋弧焊丝产品还未最终定型,其出厂文件仅提供了化学成分,而没有提供焊丝的Ac1温度,所以实际的焊后回火温度无法根据焊丝的Ac1温度来确定,而仅是根据G115钢母材的CCT曲线来推定的。为分析造成焊缝冲击韧性不足的原因,本文采用JMatPro软件,通过输入焊丝的化学成分,对其Ac1点进行了热力学模拟计算,计算结果见图5,从图5中得到熔覆金属的Ac1计算值为777.76 ℃,低于G115钢母材的Ac1点。

图5 G115钢埋弧焊丝的JMatPro模拟计算结果

从表1可以看出,与G115钢母材相比,埋弧焊丝材料提高了Ni元素的含量,Mn含量接近母材成分的上限,W、Co元素含量与母材成分的下限值相当,这种做法是为确保焊缝金属的综合力学性能。由于Ni和Mn都是降低Ac1点的元素, W和Co是提高Ac1点的元素,因此定性而言,埋弧焊丝材料的Ac1温度应该低于G115钢母材。这一定性分析结论与上述热力学模拟计算结果是吻合的。

4.3 焊后回火温度分析

热处理过程设定恒温温度785 ℃,从热处理实际测温记录看出,工件实际回火温度范围在780～790 ℃,比热力学数值模拟计算的Ac1值高出近20 ℃。图6为G115钢785 ℃回火后焊缝和母材的显微组织,可见焊缝存在淬火马氏体与其他少量非马氏体组织组成的不完全相变组织,如图6(a)标记区域所示,这说明实际回火温度确实高于Ac1导致焊缝在回火时进入了两相区。而母材中未观察到这种异常组织,如图6(b) 所示。

图6 G115钢785 ℃回火后焊缝(a)和母材(b)的显微组织

一般地,9%Cr钢在回火温度不超过Ac1点时,回火温度越高,保温时间越长,可以在保证强度的基础上有效提高焊缝金属的冲击性能。这是因为在Ac1点下,随着回火温度升高,淬火马氏体的过饱和固溶度下降,析出的碳化物增多,而且碳化物又不至于在此温度下粗化长大。所以在拟定焊后热处理工艺时,回火温度的选取应尽量贴近而不超过Ac1温度,并延长保温时间,以期得到良好的冲击性能。但是,如果实际回火温度超出Ac1点,处于Ac1～Ac3之间,则可能会产生以下几方面的效应:①形成的含有淬火马氏体的不完全相变组织会使强度提高、韧性下降。②在Ac1～Ac3温度范围内,回溶合金元素增多,固溶强化作用增加,沉淀强化作用减少,而固溶强化的增加使强度提高、韧性下降,沉淀强化的减少使强度下降、韧性提高。③马 氏体的亚结构及位错密度下降,使得强度下降、韧性提高。④回火温度超过Ac1时,过长的保温时间很可能使碳化物发生长大和粗化,从而使强度和韧性均下降。这几种效应同时起作用,难以量化分析,可通过表3的形式进行总结分析。

表3 回火温度超过Ac1点所产生的效应对9%Cr钢冲击性能的影响

综上所述,G115钢SAW焊接及785 ℃回火后冲击性能低于标准规定的原因是:焊缝的回火温度是按照G115钢的CCT曲线确定的,而这一温度超出了熔覆金属的Ac1点,由此产生的不完全相变组织、固溶强化作用增加、沉淀强化作用减少、亚结构位错密度降低及碳化物长大粗化等多种效应综合作用,此消彼长,最终表现为焊缝的冲击性能降低。

5 对韧性不足的热处理修复

5.1 修复措施

针对因回火超温造成焊缝韧性不足的问题,可通过正火后重新进行回火予以调整修复,合适的正火温度既要保证全部奥氏体化和碳化物充分回溶,又不能因温度太高造成晶粒粗大。文献[6, 8]研究认为,G115钢有3个关键的正火温度:1040、1080和1140 ℃。1040 ℃以下正火时有大量析出相未回溶;1080～1140 ℃正火时还剩少许残余析出相未回溶,仍能有效钉扎晶界,阻止晶粒长大,晶粒尺寸变化缓慢;1140 ℃以上正火时析出相完全回溶,失去钉扎晶界作用,晶粒尺寸大幅度增加。因此,制定的正火温度为(1080±5) ℃,保温时间为3 h,升温速度≤60 ℃/h,300 ℃以下可不控制升温速率,冷却方式为空冷至室温。再根据焊缝金属Ac1计算值重新制定回火温度为(770±5) ℃,保温时间为6.5 h,升温速度≤60 ℃/h,300 ℃以下可不控制升温速率,冷却方式为空冷至室温。正火+回火热处理在高温电阻炉内进行,电阻炉精度为±5 ℃。

5.2 修复后的焊缝性能

G115钢重新正火和回火后,切取10 mm厚、77 mm长的全壁厚(115 mm)焊接接头试块,分别测试焊缝、热影响区及母材不同区域的硬度值,结果如表4所示。可以看出,通过正火和回火处理后,焊缝、热影响区及母材的硬度分布均匀。

表4 G115钢经重新正火和回火后焊缝、热影响区及母材硬度(HBW)

图7为G115钢重新正火和回火后焊缝内侧、中心和外侧的显微组织,均为板条状回火马氏体,未观察到如图6(a)所示的不完全相变组织。

图7 G115钢重新正火和回火后焊缝的显微组织

G115钢重新正火和回火后焊缝和热影响区不同区域的冲击吸收能量如表5所示。与表2相比,重新正火和回火后焊缝和热影响区的冲击吸收能量大幅提高,分别比修复前提高约3.3倍和5.9倍,均远高于DL/T 868—2015要求。

表5 G115钢正火加回火后焊缝和热影响区的冲击吸收能量(J)

6 结论

1) 由于G115钢SAW焊接后的回火温度高于熔覆金属的Ac1点,产生的不完全相变组织、固溶强化作用增加、沉淀强化作用减少、亚结构位错密度降低及碳化物长大粗化等多种效应交互作用,最终导致焊缝的冲击性能低于标准要求。

2) 通过1080 ℃×3 h正火+770 ℃×6.5 h回火的热处理修复,可使G115钢焊缝的冲击性能得到大幅提升,满足标准要求。

3) G115钢SAW焊接所用埋弧焊丝GWR-W93的化学成分相对于母材而言,Ni含量提高,Mn含量接近母材上限,而W、Co含量与母材下限相当,从而使熔覆金属的Ac1温度比母材低约20 ℃。

4) 制定焊后热处理工艺时,不仅要考虑母材的Ac1温度,还要尽可能获得焊接材料的Ac1温度,必要时可通过热力学数值计算等手段进行有效模拟。