SA-335_P91马氏体耐热钢焊接工艺研究_刘玉祥.pdf

2q23 年3 月第2 期 大型铸锻件HEAVY CASTING AND FORGING March 2023 No.2 SA-335 PJl 马氏体耐热钢焊接工艺研究刘 王祥1 张小丽杨云杰2 匡启平3(I 森松（江苏）觅工有限公 司上海分公 司，上泡201323;2 上泡森松工程技术有 限公司，上海201323;3 森松（汀苏）堇工有 限公司，汀苏 南通226532)摘要 介绍了SA-335 P91 马 氏体耐热钢 的化学成分及力学性 能、冶金性 能 以及正火 回火热处珅温度对材料性能的影响。对SA-335 P91 钢 的焊接 性以及焊缝 马 氏体组织转变进行 了分析。焊接工 艺计定试验根据产品制造 的需求，进行GTAW+SAW 焊接试验，根据焊材熔敷金属 中镖 钻元 素 的含散，确定合理 的焊后热处理工艺，最终纾力学性能试验，得到 了力学性能 良好 的焊接接头，焊接接头硬度倌满足标准 的要求，焊缝 微观组织为回火马氏体。关键词：SA-335 IXJI;焊接；GTAW+SAW;焊后热处埋；力学性能；微观组织中图分类号：TG44 文献标志码：A Study on Welding Process of SA-335 P91 Martensitic Heat Resistant Steel Liu Yuxiang,Zhang Xiaoli,Yang Yunjie,Kuang Qiping Abstract:This paper introduces the chemical composition,mechanical prope 巾es and metallurgical properties of SA-335 P9 l martensitic heat-resistant steel and the effect of normalizing+tempering temperature on material prope 巾es.The weldab 山ty of SA-335 P9 l steel and the ma1tensitic transformation of weld have been analyzed.According to the requirements of product manufacturing,the GTA W+SAW welding test has been carried out.According to the content of nickel and manganese in the deposited metal of the welding material,the reasonable post-weld heat treatment process has been determined.Finally,through the mechanical property test,the welded oint with good mechanical properties has been obtained.The hardness value of the welded joint meets the requirements of the standard,and the microstructure of the weld is tempered martensite Key words:SA-335 P91;welding;CTAW+SAW;post-weld heat treatment;mechanical prope 巾es;microstructures SA-335 P91 马氏体耐热钢最初是 由美 国橡树岭国家实验室在20 世纪50 年代为克林奇河反应堆项 目研发的材料1-2 J。在20 世纪80 年代，行业内对SA-335 P91 钢高温力学性能的进一步了韶后，使其在亚临界和超临界电站锅炉的再热器、过热器栠箱、蒸汽管道中得到了应用叮。SA-335 P91 钢具有 良好 的抗硫化和抗氧化性能，材料 自身又具有较高的强度，使其在炼油化工行业中逐渐得到了应用。SA-335 P91 钢的焊接利焊后热处理是设备制造的关键技术，为了保证焊接接头工艺性能和力学性能 良好，需要更充分地 了解SA-335 P91 钢的焊接性能以及焊后热处理工艺。1 SA-335 P91 耐热钢材料介绍1.1 化学成分及力学性能P91 马氏体耐热钢管材标准满足ASME II 卷A 篇SA-335 标准的要求，热处理供货状态为正火回火 热 处 理，其 基 体 组 织 为 回火 马 氏体。SA-335 标准中对于P91 耐热钢又分 出了Type 1 收稿 日期：2022.09-27 作者简 介：刘工祥(1988 )，男，焊绥工程师，国际焊接工程师，主要从事压力容器焊接热处理工艺工作。26 型和Type 2 型。相对于Type I 型的SA-335 P91 耐热钢，Type 2 型的化学成分限制得更加严格，使其具有更高的抗蠕变性能，其具体化学成分及力学性能如表l 表2 所示。I.2 冶金性能SA-335 P91 钢具有较高的悴硬性，冶金研究表明，SA-335 P91 钢 基 体 组 织 如 果 希 望 获 得100%的马氏体组织，从奥氏体化温度冷却至室温时，其临界冷却速率须不低于0.2C/ssJ。根据其化学成分的下限，SA-335 P91 钢下转变温度Ac1 最低可达785C,大多数情况下，其Ac1 温度在800-830C 之间，Ac3 温度在891-94lC 之间。为 了获得合适 的强度和 良好 的冲击韧性，SA-335 P91 钢正火温度在1040-I080C 范围，回火温度不低于732c,通常其 回火温度在760-780C。为了允许设备在较高温度下进行焊后热处理，以获得可接受的焊缝金属的硬度，需要适当地提高原材料的回火温度。较高的回火温度会提高韧性，但会一定程度地降低抗拉强度、屈服强度以及延伸率。SA-335 P91 钢 回火温度通常不应超过785C,即超过下转变Ac1 温度，超过Ac1 温度进入材料的两相区温度区间后，将降低材料的DOI:10.14147/ki.51-1396/tg.2023.02.010刘玉样：SA-335 P91 马氏体耐热钢焊接工艺研究2023 年第2 期表I SA-335 P91 Type 2 钢熔炼化学成分（质量分数，%)4 Table 1 Chemical composition of SA-335 P91 Type 2 steel in melting(mass fraction,%)化学元素C Mn s I S1 Cr Mo N1 V:-lb B Zr 标川 成分0 08 O.12 0.3 0.5,SQ_ 005,SQ_ 02 0.2 O.4 8.0 9.5 夏85 I.05,SQ_ 20 0.180.25 0.060.l,SQ_ 001,SQ_ 01 试验材料成分0.10 0.44 0.004 0.011 0.32 8.5 0.93 0.15 0.21 0.084 0.0005 化学元素I;-./Al Al T,w Cu Sb As Sn Pb B。标川 成 分:il.035-0.07;,4,0,S:0.02,S:0.01 冬0.05 冬0.1 冬0.003 冬0.01 冬0.01 冬0.001 试验材料成分0.0465 4.227 0.011 0.002 0.04 0.001 0.006 0.0018 0.0007 0.0005)l.00225 表2 SA-335 P91 Type 2 钢 力学性能4 Table 2 Mechanical properties of SA-335 P91 Type 2 Steel，抗拉强度1 屈服强度1 断后伸长牛匾，晶一晶一腥力学性能。SA-335 P91 钢正火 回火后所获得的回火马氏体组织，具有M23 C6 碳化物以及富钥、令 厄 氮的沉淀碳化物，这些碳化物的存在提高了SA-335 P91 钢的抗蠕变断裂强度6)。1.3 材料硬度要求ASME SA-335、SA-213 管材标准以及SA-182 锻件标准对P91 钢明确了硬度要求，不但要求了硬度的上限值，下限值也提出了要求，硬度控制在190-250HBW(196-265HV)。过去标准中仅对P91 钢的硬度上限值进行 了要求，然而在工程实践中发现，IX/I 钢硬度值偏低时，往往高温蠕变强度不足，究其原因是不当的热处理工艺导致的，因此近年来标准中，增加了P91 钢硬度下限值的要求。2 材料焊接 性分析2.I 冷裂纹SA-335 P91 钢基体组织为回火马氏体，具有较高的悴硬性，对焊接冷裂纹极其敏感。按照式(I)进行CE 碳当植计算，其碳当量高达2.11%,相 比1.25 Cr-I Mo-Si、2.25Cr-l Mo 以及2.25Cr-IMo-V 等Cr-Mo 钢，其冷裂纹倾 向更加严重。为了防止焊接冷裂纹的产生，焊前必须采取预热措施，焊后进行消氢处理。CE=C Mn Cr+Mo+V Cu+Ni+6 5 15(I)2.2 热裂纹焊接热裂纹是山千杂质元素的偏析以及在焊接应力共同的作用下，在接近固相线温度，产生的沿晶裂纹，这种焊接裂纹主要是 由千钢中的硫利磷等低熔点杂质元素形成的。钻元素对硫的亲和力大于铁，在大多数情况下，猛的加入将成功地消除热裂纹。此外，石 士 和钥等低熔点化合物元素的存在也会产生焊接热裂纹。如果硫、磷、石 上 钥等元素含董过高，热裂纹可能成为SA-335 P91 钢焊接的一个问题，然而SA-335 P91 钢的焊接试验和工程实践经验表 明，未 曾出现焊接热裂纹 的间题7。2.3 再热裂纹再热裂纹也称为消应力裂纹或者焊后热处理裂纹，是焊接工件暴露于焊后热处理高温下或者是在高温服役工况下产生的热影响区或焊缝金属的晶间裂纹。该裂纹 区域表现出较低 的断裂韧性，主要是由于碳化物沉淀导致的基体强化，残余杂质元素沿晶界偏析导致的晶界脆化，同时因焊接应力释放产生的蠕变变形集中于晶界，造成的开裂。SA-335 P91 钢对硫、磷、1i 肌 锡、梯、令 必等杂质元素含鼠控制的极低，避免了这些杂质元素沿晶界析出，减小了再热裂纹的倾向。2.4 焊缝的马氏体转变SA-335 P91 钢的马氏体转变终 了点M 温度比较低，在93C 左右，为了保证焊缝 中的组织为马氏体组织，焊后需要将焊件冷却至so-100c 进行保温，使其尽可能完成马氏体转变8 l。如若马氏体组织转变不完全，会有奥氏体组织残留，残留的奥氏体组织为亚稳态组织，在焊后热处理温度下会发生分解，形成高硬度的马氏体，导致硬度不合格，并增加了延迟裂纹的倾向。3 焊接材料的要求9 SA-335 P91 钢焊接材料 的化学成分及力学性能满足AWS 以及ASME 标准的要求，常用的焊接方法对应的焊接材料如表3 所示。3.1 焊材中微董元素的作用SA-335 P91 钢除了令 礼 钥、饥主要合金元素外，还添加了氮、年 泉、年 孟九忙 硅等微董元素。氮元素可以与碳形成碳氮化合物，提高材料的抗蠕变性能以及持久强度。在常温下，氮化合物的存在提高了屈服强度与抗拉强度，但会降低延展性和27 2023 年第2 期 大型铸锻件冲击韧阻铢和猛元素的添加，可以提高材料的强度和冲击韧性。钥元素与碳有较强的亲和力，形成碳化锐，提高抗蠕变性能。硅元素作为脱氧剂的存在，防止焊接过程中产生气孔，然而过高的硅含最会严重降低冲击韧性。表3 P91 钢焊接材料Table 3 Welding materials of P91 steel 焊接方法焊材标准焊材劭号鸽极氢弧焊AWS A5.28;ER90S-B9 GTAW ASME SF AS.28 焊条电弧焊AWS AS.5;E9015-B9、E9016-B9、SMAW ASME SFA5.5 E9018-B9 埋弧焊AWS AS.23;EB9/焊剂SAW ASME SF AS.23 药芯气