如何選用馬氏體耐熱鋼的焊條

如何正確選用馬氏體耐熱鋼的焊條

張佩良

0、前言

近幾年來，我國興建了一大批超臨界、超超臨界大型火電機組，大量選用了P91、P92、P122等新型馬氏體耐熱鋼，用于電站鍋爐的主蒸汽管道、再熱器管道、過熱器管道、過熱器集箱和再熱器集箱等等。

我國在上個世紀90年代中期就開始焊接P91鋼主蒸汽管道，由于缺乏焊接技術資料，沒有焊接技術相關標準和焊接生產經驗，焊接生產過程中出現了許多焊接質量問題。筆者組織并參加了電力行業標準“DLS007-92”和“DL/T869-2004火力發電廠焊接技術規程”的起草和修訂工作，也多次赴現場調查并解決焊接質量問題，深刻體會到“焊接技術規程”和認真執行“焊接技術規程”的重要性，它是提高焊接質量、保證焊接工作順利進行的重要保證，是電廠安全可靠運行的重要依據。

目前，在電建安裝和檢修焊接工作中，仍以鎢極氬弧焊和焊條電弧焊為主，尤其是現場安裝焊接工作量比較大，而且主要是采用電焊條，因此充分掌握電焊條的特性，優化焊接工藝和焊工操作技能水平，對于提高焊接質量極為重要。為了保證P91鋼的焊接質量和電站設備長期安全、可靠運行，選用合適的焊接材料、焊接工藝和焊后熱處理工藝至關重要。

1、首先談談如何選用P91鋼的電焊條

1.1 相關規程與標準的規定

DL/T869-2004規程內3.3.2.2條款中規定：焊接電站設備耐熱鋼時，對焊接材料的選用應符合以下基本條件：

1）焊縫金屬的化學成份和力學性能應與母材相當

2）焊接材料熔敷金屬的下臨界點（Ac1）應與母材相當（不低于10℃） 3）焊接工藝性能良好

其中 2、3 兩款規定大家都很容易理解，但對1款應該有更深入的理解。

高溫合金鋼焊材不僅常溫力學性能和化學成份與母材相當，特別是電站鍋爐受壓件強度設計時，要綜合考慮高溫性能、蠕變性能、抗腐蝕性能，其中包括持久強度、蠕變強度、抗氧化性能、抗高溫蒸汽腐蝕性能和抗煙氣腐蝕等性能，這些性能都是保證電站鍋爐安全運行的重要性能，更要與母材相匹配，這樣才能保證焊接接頭與管道同壽命，有利于電站鍋爐長期在高溫、高壓條件下安全運行，有利于焊接接頭不會發生早期失效。

1.2 優選電焊條

1）目前，P91焊材主要是由國外進口，經過篩選，多數電建單位和電廠選用德國伯合樂焊接技術 公司蒂伯品牌的Thermanit Chromo 9V（E9015-B9）電焊條（以下簡稱9V焊條）。

2）9V焊條的化學成份和機械性能完全符合標準要求，見表1、表2。

表1 P91鋼材和9V焊條典型化學成份

表2 P91鋼材和9V焊條的機械性能

1）Thermanit Chromo 9V焊條(E9015-B9)是焊芯過渡主要合金元素的手工電弧焊條，其它合金配方合理，因而焊縫成分均勻，焊接操作工藝性比較好，焊接接頭性能可靠。

2）9V焊條化學成分與母材相當，常溫、高溫性能完全符合ASME標準、歐洲EN標準、電力“DL/T869-2004”規程和“T91/P91鋼焊接工藝導則”的技術要求。。

3）熔敷金屬的Mn+Ni

4）焊接性比較好，焊接裂紋敏感性小。采用斜y 坡口焊接裂紋試驗方法，P91試板厚度30mm，用9V焊條焊接，只要預熱100℃就可以防止焊接裂紋。

5）焊條的焊接工藝性能良好，焊接操作工藝性也比較好。有比較恰當的焊縫沖擊韌度，焊縫沖擊值≥47J，符合歐洲EN標準要求，也符合我國電力標準的有關規定。

6）于上世紀90年代開始，對蒂伯品牌焊材進行了大量蠕變斷裂強度試驗，試驗結果表明，在標準規定的使用溫度范圍內，蒂伯焊材的蠕變斷裂強度與母材相當。其蠕變試樣的試驗值均符合EN標準規定，因而能保證高溫性能達到使用要求。（按有關規定，“必須有>3.5萬小時以上的蠕變斷裂強度試驗數據才能外推105小時蠕變斷裂強度”）

2、選擇P92鋼焊材之我見

2.1 P92 新型馬氏體耐熱鋼焊條的應用

國內已投產的第一臺1000MW華能玉環發電廠的超超臨界機組，其主蒸汽管道采用了P92新型馬氏體耐熱鋼(1995年納入ASTM A335、1996年納入ASME SA335 標準)。其后相繼投入運行的山東鄒縣電廠、上海外高橋電廠等1000MW超超臨界機組的主蒸汽管道也采用了P92新型馬氏體耐熱鋼。 2.2 相關標準與規程的規定

選用P92鋼電焊條時，應該符合“ASME 標準”、歐洲“EN 標準”、“DL/T869-2004規程”和“T/P92鋼焊接指導性工藝”。 2.3 優選電焊條

鑒于國內首批選用P92鋼，如何保證焊接質量，如何選擇與之相匹配的焊材、如何確定合適的焊接工藝和焊后熱處理工藝是焊接P92主蒸汽管道的關鍵。

目前，我國尚無P92鋼專用焊材。綜合分析試驗結果，最后決定選用德國伯合樂焊接技術公司的鋼芯過渡合金元素的焊條。

2.4 蒂伯品牌焊條的成分和機械性能

蒂伯品牌Thermanit MTS 616（E9015-G）牌號手工電焊條和手工鎢極氬弧焊絲的化學成分和機械性能見表3和表4。

表3 P92鋼材和焊條典型化學成份

表4 P92鋼材和焊材的機械性能

3、Thermanit MTS 616 牌號焊材的主要特點

3.1 選用伯合樂焊接技術公司蒂伯品牌焊接材料完全符合DL/T869- 004 火力發電廠焊接技術規程節3.3.2.2 焊接材料選用的三個基本條件：即

1）MTS 616 焊條和焊絲的焊縫金屬化學成份和力學性能與母材相當 2）MTS 616 焊條的熔敷金屬下臨界點（Ac1）為800℃,與母材相當 3）MTS 616 焊條、焊絲和焊劑的焊接工藝性能良好。

3.2 MTS 616 焊材不僅化學成分與母材相當，常溫、高溫性能也與母材相當

3.3 MTS 616 焊材熔敷金屬的Mn+Ni

3.5 MTS 616 焊材工藝性能良好，焊接操作工藝性比較好，埋弧焊的脫渣性非常好。

3.6 MTS 616 焊材有比較適當的焊縫沖擊韌度，焊縫沖擊值≥41J，符合歐洲EN標準要求，也符合我國電力標準的有關規定。

3.7 于上世紀90年代開始，對蒂伯品牌MTS 616等焊材進行了大量蠕變斷裂強度試驗，試驗結果表明，在標準規定的使用溫度范圍內，蒂伯焊材的蠕變斷裂強度與母材相當。其蠕變試樣的試驗值均符合EN標準規定，因而能保證高溫性能達到使用要求。（按有關規定，“必須有>3.5 萬小時以上的蠕變斷裂強度試驗數據才能外推105小時蠕變斷裂強度”）

4、幾點體會

筆者參與我國制定電力行業焊接標準的起草和修訂工作，體會頗深，深知DL5007-92 和

DL/T869-2004 火力發電廠焊接技術規程等標準的重要性。但是，目前新型耐熱鋼發展非常快，特別是馬氏體耐熱鋼的大量應用，需要補充制定新的規程，以滿足電站鍋爐焊接需要。在制定“T91/P91鋼焊接工藝導則”和“T/P92鋼焊接指導性工藝“文件過程中“，吸收了國內外各個方面的焊接經驗，很有啟發。 4.1 希望采用焊芯過渡合金元素的電焊條

根據焊條制造方法和合金元素過渡形式可以分為兩種類型電焊條，一種是以焊芯過渡合金元素為主的焊芯過渡合金元素焊條（簡稱焊芯過渡焊條），另一種是以藥皮過渡合金元素為主的藥皮過渡合金元素焊條（簡稱藥皮過渡焊條）。兩種類型焊條的特點不同，焊縫的性能也不同。

有必要詳細分析一下焊芯過渡合金元素焊條和藥皮過渡合金元素焊條的特點，以及在焊接生產過程中出現焊接問題的幾個實例。

1）上個世紀70年代初，我國開始焊接F11鋼管道，最初采用藥皮過渡的69-新1 號電焊條，焊接工藝性非常好，深受焊工歡迎。但是，金相檢驗發現焊縫中有金屬夾雜物、微裂紋及少量網狀鐵素體組織等缺陷，導致焊接接頭質量不合格，最后不得不緊急進口焊芯過渡焊條，才解決了上述焊接質量問題。藥皮過渡合金元素焊條易造成焊縫中合金元素分布不均勻，產生金屬夾雜物和微裂紋，如果焊接規范不當，還會造成焊縫沖擊值下降，Aku只有8-10J。。藥皮過渡合金元素的P91、P92、P122電焊條，由于藥皮過渡的合金元素較多，且W 的含量高達1.5-2%，W 的熔點高達3410℃，對焊接工藝要求嚴格，曾經發現焊縫成份偏析和金屬夾渣等特殊現象，勢必對焊接接頭的后期安全運行有所影響。我國焊接F11鋼時就曾多次發現過類似的情況而導致焊口返修。為了電站設備安全運行起見，希望采用焊芯過渡合金元素的電焊條。

2）80年代中期某電廠焊接F12主蒸汽管道,采用藥皮過渡的電焊條，焊接時熱輸入量大，焊條大擺動，焊層比較厚（超過焊條直徑加2毫米的規定），導致焊縫出現鐵素體組織，雖然經過高溫回火，沖擊值仍然低于合格標準，因而不得不割掉4個焊口進行返工。

90 年代后期某電廠采用藥皮過渡焊條和大規范焊接，也發生了同上述類似的焊接質量問題。

3）關于P92馬氏體耐熱鋼焊條化學成分和性能的選擇國內某研究院對國外幾個牌號P92鋼的手工電焊條進行了熔敷金屬的化學成份，力學性能、下臨界點（Ac1）金相檢驗等大量分析對比試驗。其中MTS 616焊條是試驗焊條中唯一的焊芯過渡焊條，熔敷金屬的合金成份過渡均勻，焊縫組織為全馬氏體。 4.2 認真做好焊接工藝評定

認真做好焊接工藝評定，在焊接工藝評定的基礎上編制好焊接作業指導書（或作業卡），根據作業指導書進行焊工培訓和指導焊接生產。在嚴格執行P92鋼焊接、熱處理熱循環工藝。 4.3 注意控制好焊接工藝參數

1）正確選擇焊接電流：焊芯過渡焊條和藥皮過渡焊條的最佳焊接電流是不一樣的，為了焊條不發紅，焊芯過渡焊條的最佳焊接電流比藥皮過渡焊條的最佳焊接電流約低20-30%。

2）優化馬氏體耐熱鋼焊接予熱溫度、層間溫度和熱輸入量：過去焊接馬氏體耐熱鋼時，都選擇比較高焊接予熱溫度、層間溫度和熱輸入量，例如F12鋼的焊接預熱溫度為350-450℃,焊縫組織粗大，焊縫沖擊值比較低，容易發生焊接微裂紋。優化焊接工藝參數試驗之后，P91、P92的焊接預熱溫度可以降低到200℃，層間溫度可以降低到250℃，焊接熱輸入量可以降低到10KJ/mm2，焊接質量比較滿意。 3）馬氏體耐熱鋼焊接結束必須冷卻到 100℃,保溫1-2小時之后才能進行焊后熱處理。

4）焊接 P91、P92馬氏體耐熱鋼一般推薦選取760℃±15℃進行焊后熱處理，藥皮過渡焊條推薦焊后熱處理溫度應選取740-750℃,視焊縫化學成分而定。而焊芯過渡焊條的推薦焊后熱處理溫度應選取760-780℃。 4.4 改進焊接操作和焊接管理

1）為使電力行業焊接同行推廣先進的P92焊接工藝， 國電焊接信息網組織有關專業人員編寫了“T/P92鋼焊接指導性工藝”供業內同行參考。

2）原來要求“一道焊縫采取兩次探傷“的方法生產效率低，可以進一步改進，在嚴格執行焊接工藝規程的基礎上，可采取“一氣”干完的方式，實踐證明，這種方法可以取得很好的技術經濟效果，焊接質量比較好。某研究院的一份研究報告也極力推薦此類作法。

3）加強焊接質量管理和焊接檢驗，對于厚度超過70毫米的P92大口徑管道，經過建設單位、監理單位和施工單位三方同意，實行有效的旁站監督。

4）已投產的華能玉環、山東鄒縣、華能營口、上海外高橋超超臨界機組，都是采用MTS 616電焊條焊接主蒸汽管道，圓滿完成了任務，無損檢驗一次合格率都在99%以上。 4.5 正確選用焊條和焊接、熱處理工藝

正確選用焊條和焊接、熱處理工藝是提高主蒸汽管道焊接接頭可靠性和安全性的有力保證。為此極力推薦選用焊芯過渡焊條、焊接工藝和焊后熱處理工藝。 4.6 高溫持久強度

據悉，蒂伯P92焊材的高溫試驗已進行到7萬多小時，再過幾年就可拿出實際使用溫度下的10萬小時真實高溫蠕變斷裂強度數據（而不是外推蠕變斷裂強度數據），這對我們選擇焊材是很重要的。國內外多個廠家的蠕變斷裂強度試驗時間比較短，仍以3000~10000小時試驗數據外推105小時蠕變斷裂強度，試驗結果不可靠，而蒂伯品牌焊材是按歐洲先進技術標準規定進行試驗，試驗時間必須≥35000小時才能外推105小時蠕變斷裂強度，據介紹，目前試驗已經進行到近70000小時，而且，焊材的蠕變斷裂強度與母材相當，所以使用蒂伯焊材更加安全、可靠、放心。

綜上所述，考慮到發電廠鍋爐管道長期安全運行的重要性，必須做到焊縫與管道同壽命，焊接P91新型馬氏體耐熱鋼時，不宜選用藥皮過渡的電焊條。為了保證焊接接頭的蠕變斷裂強度，建議選用焊芯過渡合金元素的Thermanit Cheomo 9V焊條是合適的。

焊接P92新型馬氏體耐熱鋼時，也不宜選用藥皮過渡的電焊條。同樣為了保證焊接接頭的蠕變斷裂強度，建議選用焊芯過渡合金元素的Thermanit MTS 616焊條是比較合適的。

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