新型耐熱鋼焊接及新技術(shù)

1、新型耐熱鋼焊接接頭可靠性及焊接新技術(shù)伯樂蒂森（上海）上海貿(mào)易有限公司新型耐熱鋼的常見焊接質(zhì)量問題焊接缺陷冷裂紋-焊縫微裂紋，低匹配裂紋，低硫鋼裂紋熱裂紋-火口裂紋，焊道中心裂紋(面狀缺陷)再熱裂紋-T/P22，T/P23，T/P24，G102熱應(yīng)力裂紋-根部裂紋，焊縫中心裂紋，返修焊裂紋（補(bǔ)焊裂紋）氣孔-氬弧打底焊氣孔，焊縫氣孔焊縫沖擊韌度比較低，而且不穩(wěn)定ASME，EN沖擊標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，焊縫易脆化-焊材成分、應(yīng)變脆化，回火脆化，相變脆化、焊接工藝（預(yù)熱、層溫、線能量、熱處理、操作技術(shù) ）3 異種鋼焊接易發(fā)生裂紋及早期失效焊材匹配、碳遷移、蠕變強(qiáng)度、蠕變裂紋4 焊接接頭蠕變斷裂強(qiáng)度大大低于母材比

2、母材低20-40%，40-60%5 高溫長(zhǎng)期運(yùn)行壽命降低，易發(fā)生早期失效蠕變強(qiáng)度，附加應(yīng)力，碳遷移，熱處理，AC1溫度，氧化疲勞，、型蠕變裂紋， 型疲勞裂紋 發(fā)生早期失效蠕變裂紋的實(shí)例美國(guó)美國(guó)P91P91集葙環(huán)縫運(yùn)行早期失效調(diào)查結(jié)果：集葙環(huán)縫運(yùn)行早期失效調(diào)查結(jié)果：一 共調(diào)查14條集葙環(huán)焊縫：未發(fā)生早期失效的環(huán)焊縫有9條，占65。發(fā)生集葙環(huán)焊縫型開裂早期失效的有5條，占35。二 發(fā)生環(huán)焊縫型開裂早期失效集葙的分類：過熱器集葙有2條環(huán)焊縫失效。再熱器集葙有3條環(huán)焊縫失效。三 發(fā)生集葙早期失效的制造公司：B&W公司有3條環(huán)焊縫失效。FW公司有2條環(huán)焊縫失效。高溫再熱管焊接區(qū)高溫再熱管焊接區(qū)蠕

3、變損傷案例蠕變損傷案例有有100多個(gè)管座角焊縫在多個(gè)管座角焊縫在P91集箱焊接熱影響區(qū)發(fā)生斷裂集箱焊接熱影響區(qū)發(fā)生斷裂運(yùn)行時(shí)間6萬小時(shí)P91集箱與集箱與P91端蓋環(huán)焊縫焊接熱影響區(qū)發(fā)生端蓋環(huán)焊縫焊接熱影響區(qū)發(fā)生型開裂型開裂運(yùn)行-3.65萬小時(shí)冷啟動(dòng)-72次熱啟動(dòng)-469次T23集箱與集箱與T23管座角焊縫搭接處易發(fā)生微裂紋管座角焊縫搭接處易發(fā)生微裂紋P91彎頭因熱處理不當(dāng)發(fā)生開裂彎頭因熱處理不當(dāng)發(fā)生開裂P91集箱上的集箱上的T23管座運(yùn)行后發(fā)生焊接熱影響區(qū)脆斷管座運(yùn)行后發(fā)生焊接熱影響區(qū)脆斷異種鋼焊接接頭早期失效實(shí)例異種鋼焊接接頭早期失效實(shí)例異種鋼焊接接頭早期失效實(shí)例異種鋼焊接接頭早期失效實(shí)例P

4、91P22異種鋼低匹配焊接接頭的早期失效裂紋異種鋼低匹配焊接接頭的早期失效裂紋 運(yùn)行運(yùn)行20002000小時(shí)后外表面開裂小時(shí)后外表面開裂 1 1接管裂紋長(zhǎng)接管裂紋長(zhǎng)38mm38mm， 4 4# #接管裂紋分別長(zhǎng)接管裂紋分別長(zhǎng)76mm76mm及及114mm114mm異種鋼焊接接頭運(yùn)行早期失效實(shí)例異種鋼焊接接頭運(yùn)行早期失效實(shí)例 內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)焊接內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)焊接 熱熱 影響區(qū)裂紋影響區(qū)裂紋P91+P22異種鋼低匹配焊接接頭的異種鋼低匹配焊接接頭的 焊縫根部裂紋焊縫根部裂紋異種鋼焊接接頭運(yùn)行早期失效實(shí)例異種鋼焊接接頭運(yùn)行早期失效實(shí)例集葙上異種耐熱鋼大管座焊口運(yùn)行裂紋的返修集葙上異種耐熱鋼大管座焊口運(yùn)行裂紋的返

5、修異種鋼環(huán)焊縫運(yùn)行早期失效實(shí)例異種鋼環(huán)焊縫運(yùn)行早期失效實(shí)例焊接接頭早期失效的特征、原因及影響焊接接頭早期失效的特征、原因及影響焊縫和焊接接頭中出現(xiàn)細(xì)晶粒軟化區(qū)（低硬度區(qū)）發(fā)生、型蠕變（疲勞）裂紋高溫、低應(yīng)力條件下蠕變斷裂強(qiáng)度和塑性顯著降低焊接接頭蠕變斷裂強(qiáng)度比母材降低20-40，40-60電廠高溫運(yùn)行條件下易發(fā)生焊口開裂，即早期失效型蠕變裂紋：發(fā)生在焊縫中的蠕變裂紋型蠕變裂紋：發(fā)生在焊縫中的蠕變裂紋型蠕變裂紋：發(fā)生在焊縫中的蠕變裂紋向焊接熱影響區(qū)擴(kuò)展型蠕變裂紋：發(fā)生在焊縫中的蠕變裂紋向焊接熱影響區(qū)擴(kuò)展型蠕變裂紋：發(fā)生在粗晶區(qū)的蠕變裂紋型蠕變裂紋：發(fā)生在粗晶區(qū)的蠕變裂紋(再熱裂紋再熱裂紋)型蠕變

6、裂紋：發(fā)生在細(xì)晶粒軟化區(qū)的蠕變裂紋型蠕變裂紋：發(fā)生在細(xì)晶粒軟化區(qū)的蠕變裂紋型蠕變裂紋：發(fā)生在熔合區(qū)的蠕變裂紋型蠕變裂紋：發(fā)生在熔合區(qū)的蠕變裂紋型蠕變型蠕變-疲勞裂紋：發(fā)生在母材應(yīng)力集中處的疲勞裂紋疲勞裂紋：發(fā)生在母材應(yīng)力集中處的疲勞裂紋焊接接頭蠕變裂紋的分類焊接接頭蠕變裂紋的分類 熔合區(qū)裂紋熔合區(qū)裂紋疲勞裂紋疲勞裂紋美國(guó)焊接鋼管縱焊縫上發(fā)生的蠕變裂紋美國(guó)焊接鋼管縱焊縫上發(fā)生的蠕變裂紋焊縫中細(xì)晶粒軟化區(qū)焊縫中細(xì)晶粒軟化區(qū)(圖中黑線區(qū)圖中黑線區(qū)) -型蠕變裂紋型蠕變裂紋發(fā)生在焊縫中的發(fā)生在焊縫中的型蠕變裂紋型蠕變裂紋和熔合區(qū)中和熔合區(qū)中型蠕變裂紋型蠕變裂紋發(fā)生在焊接熱影響區(qū)的型蠕變裂紋發(fā)生在融合區(qū)

7、的型蠕變裂紋先在晶界或夾雜物產(chǎn)生孔穴，然后連接成裂紋先在晶界或夾雜物產(chǎn)生孔穴，然后連接成裂紋焊接接頭蠕變斷裂強(qiáng)度比母材降低焊接接頭蠕變斷裂強(qiáng)度比母材降低40-60%蠕變?nèi)渥?疲勞交互作用使疲勞交互作用使P91接頭壽命降低到接頭壽命降低到P22水平水平蠕變?nèi)渥?疲勞交互作用降低壽命疲勞交互作用降低壽命75%以上以上單純熱模擬不能正確反映焊接接頭真實(shí)的蠕變斷裂強(qiáng)度焊縫硬度大大高于母材，AC1-AC3加熱區(qū)的硬度最低Hardness profiles of creep samples; welded joint (P911 / Thermanit MTS 911)010203040506070809

8、0Length of specimen mm165175185195205215225235245255265Hardness HV 10Base metalWeld metalHAZHAZfusion linefusion lineSMAW-vertical70 MPa, 650C, 4295 hfracture face VALLOUREC & MANNESMANN TUBES850-950溫度區(qū)間加熱后蠕變斷裂強(qiáng)度（斷裂時(shí)間）顯著降低蠕變集中-蠕變脆化-蠕變壽命顯著降低P92焊接接頭蠕變斷裂強(qiáng)度大大低于母材P92鋼中增加W,Co,B含量之后，焊接接頭的蠕變斷裂強(qiáng)度顯著提高P92鋼

9、中添加硼元素可以顯著提高細(xì)晶粒軟化區(qū)的蠕變斷裂強(qiáng)度Fracture location of crossweld sample; P911 / SMAW Thermanit MTS 911; 650C, 70 MPa, 4295 hrsBasemetalHAZWeldmetalHAZ VALLOUREC & MANNESMANN TUBES焊接材料和焊接工藝優(yōu)化馬氏體耐熱鋼焊接冷裂紋敏感性馬氏體耐熱鋼焊接冷裂紋敏感性馬氏體耐熱鋼焊接的突出特點(diǎn)是焊縫和熱影響區(qū)會(huì)發(fā) 生馬氏體相變馬氏體相變會(huì)改變氫的分布馬氏體相變會(huì)發(fā)生體積膨脹，降低焊接應(yīng)力馬氏體相變會(huì)發(fā)生組織細(xì)化，有利于提高焊縫及焊接熱影響

10、區(qū)的沖擊韌度焊接過程的自回火作用有利于恢復(fù)馬氏體組織韌性所以，馬氏體鋼焊接冷裂紋頃向比較低，可以顯著降低焊接預(yù)熱溫度低匹配焊條焊接低匹配焊條焊接F11或或T91鋼產(chǎn)生的焊接熱影響區(qū)冷裂紋鋼產(chǎn)生的焊接熱影響區(qū)冷裂紋R407焊條打底焊焊條打底焊HAZ裂紋裂紋R407焊條焊接管座焊條焊接管座HAZ裂紋裂紋R407焊條焊接角焊縫焊條焊接角焊縫HAZ裂紋裂紋R317焊條焊接管座焊條焊接管座HAZ裂紋裂紋HR817F11P22 圖 6 高匹配焊縫對(duì)焊接接頭氫分布的影響MF11/F12R817圖 5 高匹配焊縫不產(chǎn)生高氫帶圖3 低匹配焊縫產(chǎn)生高氫帶相變氫致裂紋原理相變氫致裂紋原理HHHHHHHHF11/F1

11、2R407HAZR407HAZP22F11H高氫帶圖4 低匹配焊縫對(duì)焊接接頭氫分布的影響相變低應(yīng)力相變低應(yīng)力(壓應(yīng)力壓應(yīng)力)焊接原理焊接原理采用高強(qiáng)匹配焊接材料可以降低焊接應(yīng)力、提高疲勞強(qiáng)度，降采用高強(qiáng)匹配焊接材料可以降低焊接應(yīng)力、提高疲勞強(qiáng)度，降低焊接冷裂紋敏感性低焊接冷裂紋敏感性硫含量對(duì)氫的影響硫含量對(duì)氫的影響回火參數(shù)回火參數(shù)(P)對(duì)高鉻馬氏體耐熱鋼硬度的影響對(duì)高鉻馬氏體耐熱鋼硬度的影響如何提高焊縫沖擊韌度如何提高焊縫沖擊韌度優(yōu)化焊接材料化學(xué)成分-C,Mn,Ni,Nb,N焊芯過渡的高堿度焊條高堿度焊劑降低焊接輸入熱量降低焊接預(yù)熱溫度降低層間溫度多層多道焊薄層焊,寬擺焊提高焊后熱處理溫度和保

12、溫時(shí)間焊縫必須完全轉(zhuǎn)變馬氏體組織之后才能進(jìn)行熱處理H_011123Heat control during welding and PWHT- condition for P 911 and P 92Time02004006008001000Temperature 250 300760Heating rate80 120/hCooling rate100 150/h 400cooling in still air+10 - 10 slowcooling rate20 100preheatingweldingand soakingnecessary cooling down after weldi

13、ngor soaking2 - 4 hH_011123Influence of the flux basicity to the C- burn- outwire3,73,12,61,81,3Basicity acc. Boniszewski00,020,040,060,080,10,12C- content %Thermanit MTS 616Marathon 543Influence of the PWHT-condition to the toughness of the all weld metal for P92 VALLOUREC & MANNESMANN TUBESSMA

14、W: Thermanit MTS 616; : 4,0 mm 1234567Holding time h010203040506070CVN JPWHT: 760C/1400FPWHT: 750C/1382FPWHT: 740C/1364F1234567Holding time h010203040506070CVN J 4,0 mm; Pos. 3G up 4,0 mm; Pos. 3G up Influence of bead formation on impact properties at pwht 760weavedbeadsstringerbeadsPWHT- equipment

15、vs. impact energy; PWHT at 75073073574074575075576076577014,014,214,414,614,815,015,215,415,615,816,0Zeit in StundenTemperatur in CKanal 1Kanal 2Kanal 3Kanal 4Kanal 5Kanal 6Kanal 7Kanal 8Kanal 9Kanal 10Kanal 11Kanal 12Kanal 13Kanal 14Kanal 15Kanal 16Kanal 17Kanal 18Kanal 19Kanal 20Kanal 21Kanal 22Ka

16、nal 23Kanal 24Kanal 25Kanal 27Temperature Time hPWHT- issue/ actual thermal condition of heat treatment eqipment furnaceSMAW: Thermanit MTS 616; : 4,0 mm 1234567Holding time h010203040506070CVN JPWHT: 760CPWHT: 750CPWHT: 740C26個(gè)熱電偶溫差20 Possible locations for temp. measuringthermocouple回火參數(shù)及t8/5對(duì)沖擊韌性

17、的影響0102030405060708090100P5.9513.614.615.716.717.718.719.720.220.521.121.921.422.122.422.8回火參數(shù)(P=T(lgt+20)x10-3)沖擊值(J)t8/5=13st8/5=20st8/5=60s9Cr-1Mo鋼回火參數(shù)對(duì)沖擊韌性的影響鋼回火參數(shù)對(duì)沖擊韌性的影響采用比較低的焊接預(yù)熱溫度即使不熱處理沖擊值也比較高AC1AC3MSMF4003503002501231 45焊道間的自回火作用時(shí)效對(duì)焊縫沖擊韌度的影響時(shí)效對(duì)焊縫沖擊韌度的影響時(shí)效后焊縫沖擊韌度大大低于母材時(shí)效后焊縫沖擊韌度大大低于母材鋼材PWHT沖擊

18、 (J)平均系數(shù)T91供貨態(tài)母材104.108.1021051.0760 x6hTIG:44.30.40380.36760 x6hTIG+MIG48.44.50470.45P91供貨態(tài)母材226.228.232291.0760 x6hSMAW-5G96.116.1201110.48760 x6hSMAW-2G128.138.1461370.60E911供貨態(tài)母材178.170.1651711.0760 x6hSAW78.52.103780.46P92 供貨態(tài)母材161.137.1521501.0760 x6hSAW58.28.26370.25E911,P122母材時(shí)效后沖擊韌度顯著降低母材時(shí)效

19、后沖擊韌度顯著降低鋼材鋼材溫度溫度供貨狀態(tài)供貨狀態(tài)熱處理后熱處理后10103 3h h時(shí)效時(shí)效3 310103 3h h時(shí)效時(shí)效系數(shù)系數(shù)E911E911600600148.150.154148.150.154平均平均151151156.154.154156.154.154平均平均15515558.60.6258.60.62平均平均606042.38.4442.38.44平均平均41410.270.27鋼材鋼材溫度溫度供貨狀態(tài)供貨狀態(tài)PWHTPWHT500h500h時(shí)效時(shí)效5000h5000h時(shí)效時(shí)效系數(shù)系數(shù)T122T122650650158.152.162158.152.162平均平均1571

20、57- -90.100.10890.100.108平均平均999944.42.4444.42.44平均平均43430.270.27Aging treatment at 600; SMAW all weld metal for P92 and E911(x103)0510152025303540Holding time h 01020304050607080CVN J at + 20CSMAW: Thermanit MTS 616 / Thermanit MTS 911; : 4,0 mm1PWHT: 750C/2 hPWHT: 750C/4 h38600600時(shí)效對(duì)時(shí)效對(duì)P92P92及及E91

21、1E911鋼鋼SMAWSMAW全焊縫金屬?zèng)_擊韌性的影響全焊縫金屬?zèng)_擊韌性的影響(x103)0510152025303540保溫時(shí)間保溫時(shí)間 h 01020304050607080沖擊沖擊CVN J + 20SMAW: Thermanit MTS 616 / Thermanit MTS 911; 4,0 mm1PWHT: 750/2 hPWHT: 750/4 h38鐵素體異種鋼焊接鐵素體異種鋼焊接蒂森公司異種鋼焊接經(jīng)驗(yàn)鐵素體鋼與奧氏體鋼焊接大口徑管：先在鐵素體鋼堆焊鎳基過渡層熱處理用鎳基焊條焊接不預(yù)熱，不熱處理小口徑管：直接用鎳基焊條焊接熱處理鐵素體鋼與鐵素體鋼的異種鋼焊接焊接碳遷移與焊接接頭早

22、期失效無關(guān)可用高、中、低匹配焊材焊接焊后熱處理溫度應(yīng)符合兩種母材要求我國(guó)鐵素體異種耐熱鋼焊接經(jīng)驗(yàn)過去經(jīng)驗(yàn)選焊材：低、中匹配焊后熱處理應(yīng)符合兩種母材要求碳遷移是早期失效的主要原因采用鋼102作為T22，12Cr1MoV與T91，T92，T122異種鋼焊接接頭的過渡段新經(jīng)驗(yàn)采用高匹配焊材可以實(shí)現(xiàn)不預(yù)熱焊接高匹配焊接接頭的焊接熱影響區(qū)沖擊韌度好焊態(tài)沒有碳遷移，熱處理之后出現(xiàn)了天球儀碳遷移，高溫運(yùn)行1萬小時(shí)之后脫碳層逐漸消失，所以，碳遷移不降低焊接接頭10萬小時(shí)蠕變斷裂強(qiáng)度異種鐵素體耐熱鋼焊接接頭運(yùn)行早期失效的主要特征是、型蠕變開裂，而不是脫碳層采用T23作為T22，12Cr1MoV與T91，T92，

23、T122異種鋼焊接接頭的過渡段異種鋼焊接接頭焊態(tài)沒有碳異種鋼焊接接頭焊態(tài)沒有碳遷移遷移熱處理之后產(chǎn)生脫碳層和增熱處理之后產(chǎn)生脫碳層和增碳層碳層用低匹配焊材不預(yù)熱焊接，用低匹配焊材不預(yù)熱焊接，易產(chǎn)生易產(chǎn)生HAZ裂紋裂紋用高匹配焊材不預(yù)熱焊接，用高匹配焊材不預(yù)熱焊接，不產(chǎn)生焊接裂紋不產(chǎn)生焊接裂紋高溫長(zhǎng)期運(yùn)行后脫碳層消失，運(yùn)行失效試樣中發(fā)現(xiàn)細(xì)晶粒組織高溫長(zhǎng)期運(yùn)行后脫碳層消失，運(yùn)行失效試樣中發(fā)現(xiàn)細(xì)晶粒組織123小口徑管異種鋼接頭持久爆破小口徑管異種鋼接頭持久爆破F11+12Cr1MoV失效分析失效分析F11+12Cr1MoV失效分析失效分析發(fā)現(xiàn)異種鋼接頭的發(fā)現(xiàn)異種鋼接頭的型開裂（熔合區(qū)型開裂（熔合區(qū)界

24、面開裂界面開裂，氧化疲勞裂紋氧化疲勞裂紋）提高焊接接頭蠕變斷裂強(qiáng)度新技術(shù)提高焊接接頭蠕變斷裂強(qiáng)度新技術(shù)F11+P22異種鋼焊接接頭異種鋼焊接接頭,580,十萬小時(shí)蠕變斷裂強(qiáng)度十萬小時(shí)蠕變斷裂強(qiáng)度R407 (化學(xué)成分低匹配，蠕變斷裂強(qiáng)度低匹配化學(xué)成分低匹配，蠕變斷裂強(qiáng)度低匹配) R507 (化學(xué)成分中匹配，蠕變斷裂強(qiáng)度低匹配化學(xué)成分中匹配，蠕變斷裂強(qiáng)度低匹配) R817(化學(xué)成分高匹配，蠕變斷裂強(qiáng)度高匹配化學(xué)成分高匹配，蠕變斷裂強(qiáng)度高匹配)1.2144MPa53.43MPaP22母材母材R8171.2944MPa56.96MPaP22母材母材R5071.2944MPa56.64MPaP22母材母

25、材R407蠕強(qiáng)系數(shù)蠕強(qiáng)系數(shù)P22,580平均蠕強(qiáng)平均蠕強(qiáng)接頭接頭580蠕強(qiáng)蠕強(qiáng)斷裂部位斷裂部位焊條焊條焊接接頭蠕變斷裂強(qiáng)度減弱系數(shù)焊接接頭蠕變斷裂強(qiáng)度減弱系數(shù)鋼材牌號(hào)溫度母材105蠕強(qiáng)接頭105蠕強(qiáng)蠕強(qiáng)系數(shù)來源國(guó)外P916000.6-0.4P1255064270.4212Cr1MoV580104350.37F11+P225804453.431.21G102600921181.14ctT9162545.2654.60.82hgT91600-0.65sgP915501411310.90dgP915751001240.80dgP92600131970.74P92625101970.96sgT1226

26、5064.137.40.58hg40100100010000100000時(shí)間時(shí)間( (小時(shí)小時(shí)) )20200 設(shè)計(jì)許用應(yīng)力設(shè)計(jì)許用應(yīng)力 - 100P91異種耐熱鋼焊接接頭脫碳層 對(duì)蠕變斷裂強(qiáng)度影響示意圖應(yīng)力應(yīng)力 Mpa608098MPa57MPa45MPa90MPaa12018014077MPa母材母材同種接頭同種接頭異種接頭異種接頭環(huán)縫橫向應(yīng)力環(huán)縫橫向應(yīng)力設(shè)計(jì)許用應(yīng)力設(shè)計(jì)許用應(yīng)力Creep Tests on T/P92 Welds at 600CThermanit MTS 61610100100010100100010000100000Time (h)Stress (MPa)SMAWSAW

27、T/P92_Eval. 2004 +/- 20%600Creep Tests on T/P92 Welds at 625CThermanit MTS 61610100100010100100010000100000Time (h)Stress (MPa)SMAWSAWT/P92_Eval. 2004 +/- 20%625Creep Tests on T/P92 Welds at 650CThermanit MTS 61610100100010100100010000100000Time (h)Stress (MPa)SMAWSAWT/P92_Eval. 2004 +/- 20%Open Symbol: Running Test650C 新型耐熱鋼可以實(shí)現(xiàn)不預(yù)熱焊接 部分耐熱鋼可以實(shí)現(xiàn)焊后不熱處理 焊接熱裂紋可以通過改進(jìn)焊接坡口和排道方法消除 采用高匹配焊材焊接異種鋼，焊接冷裂紋傾向小 異