CN113070635A - 一种针对长期服役p92钢返修的焊接热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种针对长期服役P92钢返修的焊接热处理工艺，属于刚材修复技术领域。本发明所采用的焊接工艺中，在焊接与母材接触的第一层熔覆金属时，焊接热输入明显增大。这主要是因为在较大热输入下，焊接过程中热循环的峰值温度更高。受焊接温度的影响，热影响区内，尤其是粗晶区内的较大析出物，在此温度下重熔，析出物的重溶后形成的饱和固溶体在后续冷却及热处理中会重新析出细小弥散的碳化物，最终在弥散强化及第二相强化的作用下使热影响区冲击韧性提高，通过该工艺，可以使焊接接头尤其是焊接热影响区的冲击韧性相对母材有较大提高，该项发明的推广应用对保证焊接接头性能进而保障机组安全稳定运行尤其重要。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对长期服役P92钢返修的焊接热处理工艺，属于刚材修复技术领域。
背景技术
目前，为适应机组高蒸汽参数机组运行要求，机组高温部件用材料需满足以下几点要求：较好的加工性能、较低的热膨胀系数、抗热疲劳性、良好的焊接性能和高的性价比。P92钢具有较好的高温强度和高温抗氧化性，更低的线膨胀系数，更好的抗热疲劳性且不易产生晶间腐蚀，是超超临界1000MW机组高温部件用主要材料。
但是，该材料在长期服役后(一般50000h以上)母材的冲击韧性严重降低。这是由于长期的高温条件下服役相当于长时间的时效过程，高温条件下其显微组织没有发生退化，对其强度的影响不大。P92钢母材本身存在大量的弥散分布的析出相，而长期时效会导致析出相发生熟化，即大量的小尺寸析出相消失，而边界处能量较高的析出物长大，这一过程中本来起到弥散强化的析出相聚集在晶界反而容易成为承载载荷时的起裂源。因而降低了材料的韧性，材料的冲击韧性严重降低。
冲击韧性是表征材料抵抗冲击断裂的能力，韧性是P92钢的一个重要指标。
现有针对P92钢的焊接工艺多为针对未长期服役的P92新材料。未长期服役的(新的)P92钢一般经过TMCP(热控轧制加工)过程，保证了其具有较小的晶粒度，在弥散强化的作用下进一步降低其晶粒尺寸，细晶强化的作用更强，所以具有较高的冲击吸收功。ASTMA335中P92钢供货态的冲击韧性参考值为140J。
因此，常规的P92更换或修复制定的焊接热输入(主要指焊接电流)多采用多层多道焊接的小热输入方式。有研究表明：冲击吸收功与材料的析出物状态相关，当材料中有大量的析出物析出、聚集之后，大尺寸的析出物在承载载荷时最容易成为起裂源，导致材料更容易断裂，在宏观层面就表现为材料冲击韧性降低。因此若采用常规焊接工艺焊接长期服役的P92钢，会因为较小热输入下焊接热循环温度偏低，不能对母材中的析出物很好的熔解，在后续的凝固及焊后热处理时，析出物就不能弥散分布在材料基体中，冲击韧性得不到提高。
常规修复方案中，不考虑此时P92母材冲击韧性下降的问题，一般都将其按照未长期服役的P92钢材对待。由于相变组织、应力复杂，焊接热影响区是焊接接头的性能薄弱区域，尤其对于P92钢，失效一般都从热影响区发生，因而需要专门制定焊接工艺用以提高焊接热影响区的性能，尤其是冲击韧性。
由于以往的焊接工艺，对于该类材料的更换或返修并不制定特殊的焊接工艺，这就会导致焊接接头尤其是热影响区的冲击韧性较差，达不到相关标准要求。
有鉴于上述的缺陷，本发明以期创设一种针对长期服役P92钢返修的焊接热处理工艺，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种针对长期服役P92钢返修的焊接热处理工艺。本发明所采用的焊接工艺中，在焊接与母材接触的第一层熔覆金属时，焊接热输入明显增大。这主要是因为在较大热输入下，焊接过程中热循环的峰值温度更高。受焊接温度的影响，热影响区内，尤其是粗晶区内的较大析出物，在此温度下重熔，析出物的重溶后形成的饱和固溶体在后续冷却及热处理中会重新析出细小弥散的碳化物，最终在弥散强化及第二相强化的作用下使热影响区冲击韧性提高，通过该工艺，可以使焊接接头尤其是焊接热影响区的冲击韧性相对母材有较大提高，该项发明的推广应用对保证焊接接头性能进而保障机组安全稳定运行尤其重要。
本发明的一种针对长期服役P92钢返修的焊接热处理工艺，具体处理步骤为：
(1)坡口准备
焊接前在待修复段刚材两端表面机械打磨出两个相同尺寸的倒梯形坡口，对坡口进行打磨清理干净，直至出现金属的光亮光泽，坡口内部以及边缘不能存在裂纹、毛刺等明显的缺陷，坡口两侧15cm之内对水、油氧化皮污物进行去除处理；
(2)预热
焊接前，对待焊区进行预热，预热温度不低于200℃，道间温度不超过250℃；
(3)焊接
首先向坡口母材整体表面熔覆第一层焊接金属，然后将熔覆第一层焊接金属打磨清理干净，随后，将坡口内部剩余部分进行填充焊接，填充焊接完毕后，最后进行盖面焊接操作；
(4)马氏体转变
为使焊缝马氏体组织充分转变，焊接完成后，立即将温度降至80～100℃，保温1～2h；
(5)焊后热处理
焊后热处理高温回火过程中控制加热速度不大于120℃/min，保温时间统一为6h，保温完成之后断电在保温棉的包裹下缓慢冷却至室温；
(6)无损检测
焊后接头经表面渗透检测、内部超声检测、布氏硬度检测合格后即可。
进一步的，所述熔覆第一层焊接的焊材规格为
进一步的，所述的熔敷第一层焊接电流为170～180A，焊接电压为24～28V。
进一步的，所述填充焊接的焊材规格为
进一步的，所述填充焊接的电流为96～100A，焊接电压为22～25V。
进一步的，所述盖面焊接的焊材规格为
进一步的，所述盖面焊接的电流为112～128A，焊接电压为21～25V。
进一步的，所述焊后回火温度为750℃。
进一步的，所述保温棉的包裹下缓慢冷却至室温的具体方法是：保温棉覆盖缓慢冷却至100℃后再进行空冷。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明针对长期服役P92钢返修的焊接热处理工艺所采用的焊接工艺中，在焊接与母材接触的第一层熔覆金属时，焊接热输入明显增大。这主要是因为在较大热输入下，焊接过程中热循环的峰值温度更高。受焊接温度的影响，热影响区内，尤其是粗晶区内的较大析出物，在此温度下重熔，析出物的重溶后形成的饱和固溶体在后续冷却及热处理中会重新析出细小弥散的碳化物，最终在弥散强化及第二相强化的作用下使热影响区冲击韧性提高，通过该工艺，可以使焊接接头尤其是焊接热影响区的冲击韧性相对母材有较大提高，具有广阔的应用前景。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某个实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明第一层整体熔覆示意图；
图2是本发明焊接修复流程图；
图3是本发明长期服役P92钢焊接修复后热处理温度曲线；
图4是SEM下长期服役P92钢析出物电镜图；
图5是SEM下返修后粗晶区析出物形貌电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
正式焊接前需对待焊区进行预热，预热温度不低于200℃，道间温度不超过250℃。正式焊接的焊接工艺参数见表1。首先，在焊接与母材接触的第一层熔覆金属时，采用直径4.0mm的焊条，焊接电流178A，先整体将待焊区熔覆一层，如图1。其次，采用直径3.2mm的焊条，焊接电流100A，继续完成内部焊缝的填充的焊接，填充采用较小电流主要是考虑到减小热输入，细化焊缝组织，保障焊缝性能。第三，采用直径3.2mm的焊条，焊接电流115A，完成最后盖面层焊接。
表1长期服役P92钢补焊焊接工艺参数
焊后热处理工艺
对补焊后的试样先缓慢降温至80～100℃并保持1～2h，该步作用是让焊缝组织进行马氏体转变形成马氏体组织。随后立即对焊接区及附近母材进高温回火热处理。高温回火热处理不但可以使马氏体组织产生回复，消除部分残余应力，而且可以生成回火马氏体，降低焊缝硬度，提高综合力学性能。焊后回火温度选择750℃，根据DL/T 819火力发电厂焊接热处理规程和修复设备的壁厚确定。
实施例1
选取某电厂服役时间超过50000h的主蒸汽管道作为本次焊接修复的试验材料，规格：
材质：P92。
焊接前，在主蒸汽管道外层、中层、内层分别取3组试样进行室温冲击试验。试验结果见表2。
表2母材冲击性能
由以上结果可知：管道外层的平均冲击吸收功为21.5J，中层的平均冲击吸收功为24.16J，内层的冲击吸收功为24J，整体冲击吸收功的差别并不大，而ASTM A335中P92钢供货态的冲击韧性参考值为140J，与长期服役后母材的测量值差距较大，因而长期服役之后P92钢母材发生了脆化。这是由于材料在高温服役的过程中容易发生组织退化且析出物发生熟化等现象，最终会影响材料的冲击韧性。
长期服役P92钢化学成分表3所示。试验使用焊材为
的ThermanitMTS616焊条和
的Thermanit MTS616焊条，焊材成分见表4。Thermanit MTS616采用钢芯过渡合金元素的方式，其合金元素成分通过钢芯熔化融入焊缝金属中，由于P92中含有部分的难熔元素，其与药皮过渡的焊条相比，钢芯过渡更容易使焊缝内的合金元素分布均匀。
表3服役P92钢化学成分
表4焊材化学成分
焊接修复流程图2所示，待焊区采用机械打磨方式修磨出坡口，保证坡口底部圆滑过渡，无焊接死角，坡口形式如图1所示，焊接位置平焊。
具体焊接工艺：
1)坡口准备
焊接前在管段上距离较远的不同部位制作两个相同尺寸的坡口，坡口形状见图1。对坡口进行打磨清理干净，直至出现金属的光亮光泽，坡口内部以及边缘不能存在裂纹、毛刺等明显的缺陷，坡口两侧15cm之内对水、油氧化皮等污物进行处理。
2)预热
焊前预热方式为远红外陶瓷加热带，管道内外分别进行热电偶固定，控温热电偶距离坡口不超过30mm。层间测温采用手持式红外测温仪试试检测层道间温度。
3)焊接
为验证第一层采用较高热输入对焊接接头热影响区粗晶区冲击韧性有较大提高，将试验分为试验组和对照组。
焊接试验所用焊机为山大亚太逆变式焊弧机ZX7-400STG，当预热温度提升至预定温度后，保温1h以保证管道温度均匀后进行手工电弧焊填充。
首先，打底时将对照组采用
的焊条，焊接电流178A，按照图1方式将原母材整体熔覆一层焊缝金属。然后将第一层焊缝金属打磨清理干净，随后，采用
的焊条，在焊接电流100A条件下，将剩余部分填充。填充完毕后，将电流调整为115A，进行最后盖面操作。
对照组除第一层熔覆时与试验组不同外，剩余填充层和盖面层均与试验组相同。对照组第一层熔覆时也采用
的焊条，焊接电流100A。
4)马氏体转变
为使焊缝马氏体组织充分转变，焊接完成后，立即将温度降至80～100℃，保温2h。
5)焊后热处理
焊后回火热处理使用中央控制柜控制的柔性陶瓷电阻加热片，加热的同时要对管道的两端进行密封处理，防止管道穿堂风造成热量的损失以及内外壁产生温差。高温回火过程中控制加热速度不大于120℃，保温时间统一为6h，保温完成之后断电在保温棉的包裹下缓慢冷却至室温，具体热处理工艺见图3。
6)无损检测
焊后接头经表面渗透检测、内部超声检测、布氏硬度检测均合格。
7)取样试验
将试验组补焊区沿由外向内方向分为上部、中部、下部，在三个部位分别取v型冲击试样进行室温夏比冲击试验，V型坡口开在热影响区粗晶区。试验结果见表5.
表5试验组焊接热影响区粗晶区冲击试验结果
表6试验组焊接热影响区粗晶区冲击试验结果
焊接之后试验组热影响区粗晶区的冲击吸收功均高于焊接前母材冲击吸收功，对照组热影响区的冲击吸收功与原母材相当。由于冲击吸收功与材料的析出物状态相关，当材料中有大量的析出物析出、聚集之后，大尺寸的析出物在承载载荷时最容易成为起裂源，导致材料更容易断裂，表现为冲击韧性差。由于较小热输入下对析出物的熔解作用更小，则小热输入下冲击吸收功均低于大热输入下的冲击吸收功，因此表现为冲击吸收功较小，冲击韧性较差。
在扫描电镜下观察长期服役后P92钢母材(见图4)及长期服役P92钢返修后的热影响区析出物可知：原始母材SEM图像中晶界和亚晶界上观察到少量较大颗粒的析出物和晶内弥散分布小颗粒析出物。长期服役后，在母材晶界、亚晶界上观察到大量亮白色析出物，而且析出物尺寸均较大，析出物平均尺寸达到0.078μm2；返修以后在晶界及晶粒内部均存在细小析出物，但晶粒内部的细小析出物呈弥散分布状态。不同的组织决定不同的性能，正是由于返修后热影响区析出物在较大的峰值温度下重溶，形成饱和固溶体，随后形成的饱和固溶体在后续冷却及热处理中会重新析出细小弥散的碳化物，如图5，热影响区性能在弥散强化和第二相强化的作用下，冲击韧性大幅提高。这也从微观层面揭示了最终返修后热影响区冲击韧性提高的原因。
综上所述，采用本发明的焊接工艺参数，可显著提高长期服役P92钢焊接接头热影响区，尤其是粗晶区的冲击韧性。这对火电机组长期服役P92钢焊接返修的工艺制定具有重要的指导意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种针对长期服役P92钢返修的焊接热处理工艺，其特征在于具体处理步骤为：
(1)坡口准备
焊接前在待修复段刚材两端表面机械打磨出两个相同尺寸的倒梯形坡口，对坡口进行打磨清理干净，直至出现金属的光亮光泽，坡口内部以及边缘不能存在裂纹、毛刺等明显的缺陷，坡口两侧15cm之内对水、油氧化皮污物进行去除处理；
(2)预热
焊接前，对待焊区进行预热，预热温度不低于200℃，道间温度不超过250℃；
(3)焊接
首先向坡口母材整体表面熔覆第一层焊接金属，然后将熔覆第一层焊接金属打磨清理干净，随后，将坡口内部剩余部分进行填充焊接，填充焊接完毕后，最后进行盖面焊接操作；
(4)马氏体转变
为使焊缝马氏体组织充分转变，焊接完成后，立即将温度降至80～100℃，保温1～2h；
(5)焊后热处理
焊后热处理高温回火过程中控制加热速度不大于120℃/min，保温时间统一为6h，保温完成之后断电在保温棉的包裹下缓慢冷却至室温；
(6)无损检测
焊后接头经表面渗透检测、内部超声检测、布氏硬度检测合格后即可。
2.根据权利要求1所述的一种针对长期服役P92钢返修的焊接热处理工艺，其特征在于：所述熔覆第一层焊接的焊材规格为
3.根据权利要求1所述的一种针对长期服役P92钢返修的焊接热处理工艺，其特征在于：所述的熔敷第一层焊接电流为170～180A，焊接电压为24～28V。
4.根据权利要求1所述的一种针对长期服役P92钢返修的焊接热处理工艺，其特征在于：所述填充焊接的焊材规格为
5.根据权利要求1所述的一种针对长期服役P92钢返修的焊接热处理工艺，其特征在于：所述填充焊接的电流为96～100A，焊接电压为22～25V。
6.根据权利要求1所述的一种针对长期服役P92钢返修的焊接热处理工艺，其特征在于：所述盖面焊接的焊材规格为
7.根据权利要求1所述的一种针对长期服役P92钢返修的焊接热处理工艺，其特征在于：所述盖面焊接的电流为112～128A，焊接电压为21～25V。
8.根据权利要求1所述的一种针对长期服役P92钢返修的焊接热处理工艺，其特征在于：所述焊后回火温度为750℃。
9.根据权利要求1所述的一种针对长期服役P92钢返修的焊接热处理工艺，其特征在于：所述保温棉的包裹下缓慢冷却至室温的具体方法是：保温棉覆盖缓慢冷却至100℃后再进行空冷。
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- 2021-04-06 CN CN202110367469.9A patent/CN113070635A/zh active Pending
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