CN103008855B - 模拟产生p92钢焊缝金属微细裂纹方法 - Google Patents

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王娟
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Abstract

本发明公开了一种模拟产生P92钢焊缝金属微细裂纹方法，（1）分析实际焊接过程中焊接热输入和拘束应力；（2）加工P92钢试验试块，开“U”型坡口，坡口底部预留20mm厚度以增大试块的拘束应力；（3）试块底部贴三组高温应变片并与应力测试仪相连；（4）焊前对试块坡口两侧上部施加拉应力，通过应力测试仪测试试块底部达到100MPa-150MPa压应力值，然后焊接，焊接过程中固定外加拉应力值，使试块受到相对稳定的外加拘束应力；（5）步骤（4）中的焊接为焊条电弧焊，焊后高温回火处理；（6）利用相共振、TOFD或超声方法检测焊缝内部裂纹。该方法研究现场实际条件下P92钢焊缝金属微细裂纹形成的工艺、组织和力学等因素，以便于找出微细裂纹的防止措施，提出实际焊接条件的焊接技术和方法。

Description

模拟产生P92钢焊缝金属微细裂纹方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其是一种模拟产生P92钢焊缝金属微细裂纹方法。
背景技术
目前，超临界机组已是世界上发展比较成熟的先进发电技术，由于其节能和环保独特优势在火力发电中得到了广泛应用，成为中国火力发电的主要发展趋势。目前我国已建成的超超临界火电机组中，大量采用了P92铁素体型耐热钢，该钢因具有较高的高温强度和抗蠕变性能，被广泛应用于超超临界机组的联箱和主蒸汽管道。
虽然P92钢在我国超超临界机组中已得到了广泛应用，并在设计、制造加工、焊接安装和运行监督等方面积累了一些经验，但是主汽管道配管制作和安装过程中，于P92钢的焊缝金属内部普遍产生了大量微细裂纹，与传统的焊缝金属热裂纹和延迟裂纹不同，该类裂纹是焊缝金属在冷却过程中产生的低温脆性裂纹，裂纹长度较短，长宽比小，对机组安全稳定运行形成威胁。然而国内制造厂家和电力建设安装单位进行的P92钢焊接工艺评定中，没有发现焊缝金属中容易形成该类裂纹，使得按规程评定合格的焊接工艺难以适应实际的生产条件和安装工况，成为超超临界机组建设和修复技术中亟待解决的问题。为弄清实际焊接过程中该类裂纹产生的机制，必须通过模拟试验再现裂纹产生的工艺、组织和力学等因素，找出适宜生产条件、安装工况和修复条件的焊接工艺，避免在实际焊接条件下P92钢焊缝金属形成微细裂纹。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种在模拟产生P92钢焊缝金属微细裂纹方法，以研究现场实际条件下P92钢焊缝金属微细裂纹形成的工艺、组织和力学等因素，便于找出微细裂纹的防止措施，提出适用于实际焊接条件的焊接技术和方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种模拟产生P92钢焊缝金属微细裂纹方法，步骤如下：
（1）分析实际焊接过程中焊接热输入和拘束应力；
（2）加工P92钢试验试块，并在试块上开“U”型坡口，坡口底部预留20mm厚度以增大试块的拘束应力；
（3）试块底部贴三组高温应变片并与应力测试仪相连；
（4）焊前对试块坡口两侧上部施加拉应力，通过应力测试仪测试试块底部达到100MPa-150MPa压应力值，然后焊接，焊接过程中固定前述外加拉应力值，使试块受到相对稳定的外加拘束应力；
（5）焊后试块冷却至室温2h，然后高温回火处理；
（6）磨光焊缝表面，利用相共振、TOFD或超声方法检测焊缝内部裂纹，再切割裂纹所在剖面，观察裂纹的数量、形态和尺寸。
所述步骤（4）中的焊接为焊条电弧焊，焊条规格Φ3.2-Φ4mm，焊接电流110A-150A，双道多层焊，焊层厚度4.0mm-6.5mm，焊前预热200℃-250℃，层间温度为200℃-300℃。
所述步骤（5）中的高温回火规范为：由室温以90℃/h升温至750-770℃，保温5小时，然后以90℃/h降温至300℃空冷。
TOFD（Time of Flight Diffraction Technique的简称），中文译名为衍射时差法超声检测技术。
鉴于P92钢生产实际中所遇到的大量细小裂纹问题，考虑到制造和安装单位在管道焊接过程中承受比工艺评定更大的拘束应力，试验中采用拘束应力试验方法，焊前对P92钢焊接试块预先加载一定的应力，并在焊接过程中保持试验应力，使焊缝受到拉伸应力作用，诱导产生低温脆性微细裂纹。
本发明的有益效果是，基于P92钢焊缝金属微细裂纹产生因素，本发明模拟P92钢焊缝金属产生裂纹的条件，通过拘束应力试验方法使焊缝金属产生微细裂纹，为深入研究P92钢焊缝金属微细裂纹产生机制和防治措施提供重要的技术支持，并为P92钢制定焊接工艺和焊接接头的监督方法提供可靠依据。
附图说明
图1（a）、图1（b）分别是P92钢模拟裂纹试样受力及坡口示意图；
图2是P92钢焊后热处理曲线；
图3是P92钢焊接试样照片；
图4是P92钢焊接试样坐标图；
图5（a）是实验室制备的P92钢焊缝金属裂纹显微照片；图5（b）是现场实际P92钢接头焊缝金属裂纹显微照片；
图6是本发明应用的试验设备示意图；
图7是施力板结构示意图；
其中，1-施力板；2-螺栓；3-施力点；4-坡口；5-试块；6-应变片；7.螺孔，8-导线；9-应力测试仪；10-数据线；11-计算机，12-角焊缝。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1-图5所示，实验室制备P92钢焊缝金属微细裂纹方法，步骤如下：
（1）分析实际焊接过程中焊接热输入和拘束应力；
（2）加工P92钢试验试块，并在试块上开“U”型坡口，坡口底部预留20mm厚度以增大试块的拘束应力；
（3）试块底部贴三组高温应变片并与应力测试仪相连；
（4）焊前对试块坡口两侧上部施加拉应力，通过应力测试仪测试试块底部达到100MPa-150MPa压应力值，然后焊接，焊接过程中固定外加拉应力值，使试块受到相对稳定的外加拘束应力；
（5）步骤（4）中的焊接为焊条电弧焊，焊条规格Φ3.2-Φ4.0mm，焊接电流110A-150A，双道多层焊，焊层厚度4.0mm-6.5mm，焊前预热200℃-250℃，层间温度为200℃-300℃，焊后试块冷却至室温2h，高温回火处理；高温回火规范为：由室温以90℃/h升温至750℃-770℃，保温5小时，然后以90℃/h降温至300℃空冷。
（6）磨光焊缝表面，利用相共振、TOFD或超声方法检测焊缝内部裂纹，再切割裂纹所在剖面，观察裂纹的数量、形态和尺寸。
图1（a）、图1（b）中的F表示拉应力。P92钢模拟焊缝金属裂纹的焊接试样见图3。磁粉探伤检测焊缝表面无裂纹；利用相共振、TOFD和超声无损探伤方法检测焊缝内部裂纹位置和数量如图4和表1所示，图4中，A、B、C、D、E、F分表示试块的上、下、左、右、前、后面，表示h—距A面的距离；b—距E面的距离；l—距D面距离。机加工裂纹所在的横截面，裂纹形态见图5(a)，与图5(b)现场实际焊缝金属裂纹形态基本一致。
表1P92钢焊缝金属裂纹位置分布表
本发明应用到的设备如下：如图6、7所示，包括一个上部开有“U”型坡口4的P92钢试块5，与坡口中心线平行的试块5两侧上端部分别焊接一块施力板3，试块5与施力板3焊接焊缝12如图6所示。两块施力板1之间通过上下两对平行且对称的共四个螺栓2相连。试块5的底部贴有应变片6，应变片6通过导线8与应力测试仪9相连，应力测试仪9通过数据线10与计算机11相连。每块施力板1上均设有四个螺孔7，两块施力板1之间通过四个螺栓2穿过相对应的螺孔7相连。
应用时，先加工2块施力板1，施力板1材质为低合金耐热钢，规格为400mm×200mm×（40mm-60mm）；再在施力板1钻4个螺孔7。耐热合金钢固定螺栓4个，规格为M30×150。应力测试仪1台，高温应变片数片，笔记本电脑一台，用于定量测试试块底部的应力值。P92钢试块5上面加工“U”型坡口4。将施力板1焊接于试块5，试块5底部贴应变片6，固定上部一对螺栓2于施力板1上，对施力板1相向施加顶力，通过应力测试仪9测试试块底部应力值，达到100MPa-150MPa压应力值数值后用下部的一对螺栓2固定外加应力，施力点3如图6所示。通过现有焊接工艺，在拘束应力条件下焊接试块5。磨光焊缝表面，利用相共振、TOFD或超声方法检测焊缝内部裂纹，切割裂纹所在剖面，观察裂纹的数量、形态和尺寸。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种模拟产生P92钢焊缝金属微细裂纹方法，其特征是，步骤如下：
（1）分析实际焊接过程中焊接热输入和拘束应力；
（2）加工P92钢试验试块，并在试块上开“U”型坡口，坡口底部预留20mm厚度以增大试块的拘束应力；
（3）试块底部贴三组高温应变片并与应力测试仪相连；
（4）焊前对试块坡口两侧上部施加拉应力，通过应力测试仪测试试块底部达到100MPa-150MPa压应力值，然后焊接，焊接过程中固定外加的拉应力值，使试块受到相对稳定的外加拘束应力；
（5）焊后试块冷却至室温2h，然后高温回火处理；
（6）磨光焊缝表面，利用相共振、TOFD或超声方法检测焊缝内部裂纹，再切割裂纹所在剖面，观察裂纹的数量、形态和尺寸。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤（4）中的焊接为焊条电弧焊，焊条规格Φ3.2-Φ4mm，焊接电流110A-150A，双道多层焊，焊层厚度4.0mm-6.5mm，焊前预热200℃-250℃，层间温度为200℃-300℃。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤（5）中的高温回火规程为：由室温以90℃/h升温至750℃-770℃，保温5小时，然后以90℃/h降温至300℃空冷。
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