P92钢集箱对接焊缝缺陷分析和修复

蒋林弟

摘   要：随着火力发电机组不断向高参数、大容量和节能环保方向发展，P92钢越来越普遍应用于超超临界机组的主蒸汽管道、锅炉过热器和再热器集箱等关键部件。该文针对某电厂1 000 MW超超临界机组P92钢集箱焊缝存在不同程度超标缺陷的情况，经过对现场各种影响因素分析以及相应的检测检验，找出缺陷产生的原因，提出针对性的修复方案，对焊缝进行彻底的消缺处理，最终返修焊口和后续的P92钢焊口全部合格，使焊接质量得到有效控制。

关键词：P92钢;对接焊缝;缺陷分析

中图分类号： TG441                文献标志码：A

0 引言

P92钢是以9Cr-0.5Mo-1.8W为主要成分，添加定量的强碳化物形成元素V、Nb，严格控制B、N含量而得到的新型马氏体耐热钢，是蒸汽温度580℃～620℃的超超临界机组高温受热面和主蒸汽管道等关键部件的首选材料[1]。P92钢属低碳细晶强韧性热强钢，高温强度高，具有优异的高温蠕变性能和优良的抗氧化性能，热物理参数也有很大优势。在焊接特性方面，P92钢存在一定的焊接裂纹敏感性，具有明显的淬硬倾向;具有明显的时效倾向;P92钢焊缝冲击韧性偏低;P92钢对焊接和热处理规范参数非常敏感，对焊接热输入的控制、对预热和层间温度的控制要求都比较高。因此，P92钢的特性决定了其焊接施工中必须严格执行经评定合格的焊接和热处理工艺，才能确保获得性能优良的焊接接头。

某电厂新建1 000 MW超超临界锅炉P92钢集箱焊接期间，检查发现部分集箱对接焊缝存在较多的超标缺陷，经过缺陷焊缝现场解剖和对各种影响因素的深入分析以及相应的检测检验，找出缺陷产生的原因，提出有针对性的修复技术方案，对焊缝进行彻底的消缺处理，以确保锅炉集箱安全、可靠的運行。

1  P92钢焊接概况

该1 000 MW超超临界机组塔式锅炉水压范围内P92钢焊口主要分布于高温过热器、高温再热器和屛式过热器等高温部件的出口集箱，在焊接施工期间，对已完成的P92钢焊口进行超声波检测时，发现部分焊口存在较多的超标缺陷，初步判定为面积型缺陷：层间夹渣、气孔等。经过现场对缺陷焊缝车削解剖后，结果显示缺陷多数为夹渣纹、弧坑裂纹和气孔。缺陷发生的部位在坡口根部15 mm～20 mm以上和接近焊缝表面约20 mm以下区域，沿焊缝整个周长断续或连续分布。

2 原因分析

2.1 材料因素分析

2.1.1 原材料情况分析和检验

集箱原材料P92钢母材经过表面质量及内部质量检查以及金相和硬度检验，符合相关规范要求;集箱上的设备焊口出厂前经第三方检测确认合格;P92钢焊接材料，各个批号的焊材质保书入场前已经验收确认，并进行了外观质量及标识检查，焊材的复验报告也符合要求;确认原材料合格。

2.1.2 P92钢合金含量的影响

从P92钢材料成分看，合金含量在10%以上，合金含量高，焊接熔池黏度高，容易产生气孔、夹渣和未焊透等工艺缺陷;此外，P92钢含有的钨元素（1.8%）熔点较高，容易在收弧处富集，如果操作不当容易形成夹渣和弧坑裂纹。

2.2 工艺因素分析

2.2.1 焊前预热和层间温度控制

P92钢具有明显的淬硬倾向，焊前预热可有效防止焊缝产生冷裂纹。但是预热温度过高或过低均会对焊接接头产生不利影响，过高则焊缝晶粒长大变脆冲击韧性降低，过低则容易产生夹渣[2]。现场P92钢焊接预热时，大口径厚壁管内外壁温差很大，焊前预热的温度范围又比较苛刻，外壁达到预热温度，内壁往往还没达到，预热温度偏低容易使焊缝产生气孔和夹渣;而层间连续施焊时，温度急剧升高，层间温度很容易超过规定的上限，过高的层间温度使焊缝金属高温停留时间长，晶粒长大变脆，焊接接头冲击韧性降低，也是产生裂纹的一个主要因素。

2.2.2 焊接规范参数

P92钢焊接规范参数要求小线能量、多层多道、宽摆薄层焊，控制焊接热输入对保证P92钢焊接接头冲击韧性至关重要。但是如果焊接过程控制不当，造成焊接电流过小，使焊接熔池温度偏低，铁水黏度大，流动性差，易产生未焊透、夹渣等焊接缺陷[3]。

2.2.3 焊工技能欠佳和执行工艺不严

从现场实际对缺陷焊缝解剖情况看，焊缝中产生气孔、夹渣和弧坑裂纹，主要是由于焊工实际焊接时，多层多道焊操作技能不佳、焊接工艺规范执行不严格，以及焊接中不良的工作习惯造成。过程中焊缝层道间清理不佳容易引起夹渣和气孔，收弧操作不当弧坑未填满容易引起弧坑裂纹。而缺陷基本都出现在距根部20 mm以上和近表面约20 mm以下区域的情况，则反映了焊工交接班过程中重新焊接时预热温度偏低，使焊缝产生气孔和夹渣。

2.2.4 焊工疲劳施焊

P92钢大口径厚壁管焊口焊接时间过长，平均都要24 h以上，安排不当焊工长时间连续焊接作业，强度大、易疲劳，增加缺陷发生的概率。

3 缺陷修复

由于P92钢的特性决定了其对于焊接工艺和热处理规范参数的高度敏感，此次的超标缺陷又都处于大厚度焊缝较深的部位，因此焊缝返修不仅要彻底清除缺陷，补焊过程中更要严防缺陷的再次产生。返修的焊接及焊后热处理工艺不仅要依据焊接工艺评定严格执行，更要针对焊工实际操作中存在的问题，采取相应的措施。

3.1 P92钢焊缝超标缺陷修复技术难点

3.1.1 防止裂纹产生

P92钢具有一定的冷裂纹和热裂纹倾向，同时还存在焊缝金属的时效和脆化的问题，因此在焊接、热处理过程中应采取措施防止产生冷裂纹、热裂纹和焊缝金属脆化。

3.1.2 防止产生过大的焊接应力和管系位移

P92钢大口径厚壁管结构尺寸大，焊接过程易产生较大的拘束应力，应采取相应的措施。对管系位移的问题，需要分析管系结构，设计安装临时支架，降低附加应力，防止产生位移及变形。

3.1.3 关注二次热处理后焊接接头硬度指标

考虑焊接接头已经过一次焊后热处理，需要关注返修后再次焊后热处理是否会导致焊接接头特别是近焊缝热影响区的硬度指标异常，母材硬度低于标准下限。

3.1.4 消缺打磨工作量大

该次检出的超标缺陷基本处于大厚度焊缝较深的部位，而且是沿整个周长分布，彻底清除打磨工作量很大，即使是整圈环切消缺，还须打磨掉淬硬层。

3.2 P92集箱焊缝超标缺陷修复技术要点

围绕上述修复技术难点，专项编制了《P92钢集箱焊缝超标缺陷处理及焊接修复方案》，明确与返修相关的人员、材料、设备、作业流程、缺陷清除、焊接、热处理、检验等方面的要求。仔细复核每个返修焊口超标缺陷的性质和位置，在修复方案中规定每个返修焊口切割的范围、打磨的深度和热处理保温时间。

采用坡口加工机、砂轮机等机械方法进行缺陷清除和坡口制备。缺陷整圈切割后，将两侧原焊缝及热影响区打磨清除干净，并使坡口底部圆滑过渡。打磨缺陷时，与检测人员共同研判，将一些非超标的记录缺陷也一并处理掉，防止再次焊接时非超标缺陷延伸成超标缺陷。打磨完成后，由无损检测人员进行全面的PT检测，确认缺陷已经彻底清除。

3.3 焊接工艺要点

因P92钢的焊接工艺和热处理规范参数范围都比较窄，而且非常敏感，因此对P92钢的焊前预热、层间温度控制、线能量选择、热处理温度控制等现场操作工艺必须严格按照经评定合格的焊接工艺执行。对参与返修的焊工，重新进行焊前交底，并加强过程中的监督检查。同时，合理安排焊接时间，避免疲劳作业。全程采用Φ3.2mm焊条补焊，控制适当的焊接电流，既保证铁水流动性，又使焊接电流尽量小，控制焊层和焊道厚度在2.5 mm左右，以控制焊接热输入。

返修焊接采用两人对称焊，以减少焊接应力和变形;焊道接头应错开10 mm～15 mm，避免缺陷产生;焊道之间尽量平滑过渡;收弧时，注意把弧坑填满，对起弧和收弧的部位都须进行打磨处理，防止产生裂纹。P92钢焊接层间清理非常关键，应特别强调焊接过程中的清渣，焊道之间、焊层之间的药皮、飞溅经机械打磨干净方能进行下一道焊缝的焊接。

3.4 热处理工艺要点

焊前预热采用电加热的方式进行，每侧预热加热宽度按热处理工艺卡执行。由于都是大口径厚壁管，当管道外壁达到预热温度时，应保温足够长的时间以确保坡口根部温度达到要求。预热和层间温度控制在200℃～250℃。施焊过程中如果焊工休息、换班，中间暂停焊接时，应持续保持预热和保温，控制在预热温度范围内。

返修焊接完成后，降温至80℃～100℃恒温2 h进行马氏体转变，再升温至350℃恒温2 h进行后热处理。后热完成后，降温至环境温度进行超声波检测，合格后进行焊后热处理。严格按热处理工艺卡进行焊后热处理，恒温温度（760±10）℃，恒温时间根据返修厚度逐一确定。热处理结束对焊接接头进行硬度检验。

3.5 质量验收

焊后将焊缝表面余高打磨至與母材圆滑过渡，然后进行100%外观检查，100%UT 检测，100%硬度和金相检验。硬度检验合格标准：P92 钢母材金属硬度180 HB～250 HB，焊缝金属硬度180 HB～270 HB，焊缝硬度不应低于母材硬度的90%。本次返修完成，对所有返修焊口检测检验全部合格。对本次返修焊接全过程实施监控，并规范做好全部相关记录，为今后的资料整理和问题分析提供依据。

4 结语

自P92钢在超超临界机组得到应用以来，大家已经了解了P92钢的性能，其焊接和热处理工艺也十分成熟，在以往的工程中，P92钢焊口质量普遍较好，返修焊口很少。针对此次P92钢部分集箱焊缝存在较多超标缺陷的情况，我们通过对现场各种影响因素进行分析和相应的检测检验，找出原因并采取措施，对焊缝进行彻底的消缺处理。针对焊工队伍技能不稳定的情况，增加技术水平高的优秀焊工，加强技术交底，加强过程监控，最终返修焊口和后续的P92钢焊口所有检测检验结果全部合格，焊接质量得到了有效控制。

参考文献

[1]聂铭，杨伶俐，张健，等.T/P92超超临界机组锅炉用钢寿命预测[J].热加工工艺，2014，43（10）：70-75.

[2]谢雪新.P92钢厚壁大管径焊接工艺优化[J].焊接技术，2017，46（3）：91-93.

[3]侯志强.P92钢焊接接头易出现的问题和焊接工艺要求[J].机电信息，2011（30）：116-117.