P91与P22低匹配材料的焊接接头研究

武云龙，徐祥久，2

1.哈尔滨锅炉厂有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150046

2.高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室 黑龙江哈尔滨 150046

1 序言

因为国内电站锅炉超临界、超超临界技术的发展迅速，对材料的要求也不断提升，所以SA-335P91（以下简称P91）大口径钢管在国内外火力发电机组中得到了广泛应用。在国外的锅炉项目中，采用ASME标准的材料居多，因此在过热器集箱及管道等结构中常见P91和SA-335P22（以下简称P22）材料异种钢焊接接头。目前，国内外对异种钢焊接多采用与P91母材化学成分相当的高匹配焊材。

P91属于马氏体耐热钢，具有优良的高温强度和抗高温氧化性[1，2]，但由于合金元素含量较高，因此焊接性较差。P22中含有Cr、Mo、Mn等合金元素，淬硬性显著提高，焊接过程中很容易导致热影响区硬化、焊后冷裂纹的产生[3，4]。P91和P22异种钢的焊接接头容易出现淬硬倾向并产生裂纹，接头区域容易出现碳迁移的问题。因为熔合区化学成分差异较大，所以熔合区两侧容易产生增碳和脱碳现象，P91侧产生粗大的碳化物，P22侧形成较宽的脱碳层，形成低强度脆性接头。因此，研究P91与P22焊接接头的性能，了解其接头的组织形貌，对于国内外锅炉机组的应用具有重要意义和实用价值。

2 试验材料及方法

（1）试验材料 试验采用φ324mm、壁厚为24mm的P91和P22大口径管进行异种钢对接及接头性能研究，其力学性能见表1。

表1 两种钢管的力学性能

（2）试验方法 本试验采用E60-B3等级焊材，采用手工氩弧焊（M-GTAW）封底，焊条电弧焊（SMAW）填充盖面的焊接方法，焊后进行（745±15）℃×5h消除应力退火处理。试验主要焊接参数见表2。

表2 主要焊接参数

根据NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》的要求[5]，制备焊接接头的拉伸、弯曲等试样并进行常温力学性能测试；对焊接接头微观组织进行观察和分析；按照标准GB/T 4338—2006《金属材料高温拉伸试验方法》的要求[6]，制备焊接接头的高温拉伸试样，分别进行450℃、500℃、550℃、600℃不同试验温度下的高温力学性能测试。

3 试验结果

（1）金相组织 图1所示为200倍金相显微镜下焊接接头的微观组织。由图1可知，在P91和P22异种钢焊接接头的焊缝区为综合性能优良的回火贝氏体，还有少量的回火马氏体。P91侧热影响区为晶粒细小的回火马氏体组织，P22侧热影响区为贝氏体和铁素体，晶粒尺寸相对粗大。

图2所示为P91侧熔合线附近的组织形貌，由图2可知，在紧邻P91母材侧的焊缝区域中出现带状分布的铁素体带状区域。产生铁素体带状区域的原因主要是焊缝一侧由于C元素迁移造成的[7]。

图1 焊接接头的微观组织（200×）

图2 熔合线附近组织形貌

（2）常规力学性能 根据标准NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》的取样要求，制备焊接接头的拉伸、弯曲和冲击试样并进行常温力学性能测试，抗拉强度分别为526MPa、520MPa，均高于表1中P22母材抗拉强度的下限值，而且断裂位置均在P22母材上，说明焊接接头强度满足使用要求。

在经180°弯曲试验后，焊接接头的4个横向侧弯试样的弯曲受拉面及其棱角上均未发现任何开口缺陷，焊接接头表现出优良的塑性。弯曲试样外观形貌如图3所示。

图3 弯曲试样外观形貌

按图4所示测试位置进行硬度检测，在两侧母材、两侧热影响区和焊缝5个区域内各测试3点，硬度检测结果见表3。

图4 硬度测试位置

表3 焊接接头硬度检测结果 （HV10）

（3）高温拉伸试验 按照GB/T 4338—2006《金属材料高温拉伸试验方法》的要求加工高温拉伸试样。试验温度分别为450℃、500℃、550℃、600℃。表4为P91和P22异种钢焊接接头在不同温度下的高温拉伸试验结果，其中屈服强度值满足标准要求。

表4 焊接接头高温拉伸试验结果

4 结束语

在P91与P22异种钢的焊接中，选用化学成分、力学性能与P22等级材料相匹配的焊接材料（即低匹配原则）获得的焊接接头，各项力学性能指标均可以满足要求。450～600℃下的高温抗拉强度、屈服强度也满足标准要求。在接头区域的焊缝组织为性能优良的回火贝氏体+少量回火马氏体，但是在P91侧热影响区中形成了较宽范围的铁素体带，如果作为电站锅炉承压部件并长期运行，会存在一定隐患。