新型耐热钢焊接接头可靠性及焊接新技术伯乐蒂森（上海）上海贸易有限公司2006-6-71TPUT新型耐热钢的常见焊接质量问题2006-6-72TPUT焊接缺陷冷裂纹-焊缝微裂纹，低匹配裂纹，低硫钢裂纹热裂纹-火口裂纹，焊道中心裂纹(面状缺陷)再热裂纹-T/P22，T/P23，T/P24，G102热应力裂纹-根部裂纹，焊缝中心裂纹，返修焊裂纹（补焊裂纹）气孔-氩弧打底焊气孔，焊缝气孔2焊缝冲击韧度比较低，而且不稳定ASME，EN冲击标准不统一，焊缝易脆化-焊材成分、应变脆化，回火脆化，相变脆化、焊接工艺（预热、层温、线能量、热处理、操作技术 ）3 异种钢焊接易发生裂纹及早期失效焊材匹配、碳迁移、蠕变强度、蠕变裂纹4 焊接接头蠕变断裂强度大大低于母材比母材低20-40%，40-60%5 高温长期运行寿命降低，易发生早期失效蠕变强度，附加应力，碳迁移，热处理，AC1温度，氧化疲劳，、型蠕变裂纹， 型疲劳裂纹 2006-6-73TPUT发生早期失效蠕变裂纹的实例2006-6-74TPUT美国美国P91P91集葙环缝运行早期失效调查结果：集葙环缝运行早期失效调查结果：一 共调查14条集葙环焊缝：未发生早期失效的环焊缝有9条，占65。发生集葙环焊缝型开裂早期失效的有5条，占35。二 发生环焊缝型开裂早期失效集葙的分类：过热器集葙有2条环焊缝失效。再热器集葙有3条环焊缝失效。三 发生集葙早期失效的制造公司：B&W公司有3条环焊缝失效。FW公司有2条环焊缝失效。2006-6-75TPUT高温再热管焊接区高温再热管焊接区蠕变损伤案例蠕变损伤案例2006-6-76TPUT有有100多个管座角焊缝在多个管座角焊缝在P91集箱焊接热影响区发生断裂集箱焊接热影响区发生断裂运行时间6万小时2006-6-77TPUTP91集箱与集箱与P91端盖环焊缝焊接热影响区发生端盖环焊缝焊接热影响区发生型开裂型开裂运行-3.65万小时冷启动-72次热启动-469次2006-6-78TPUTT23集箱与集箱与T23管座角焊缝搭接处易发生微裂纹管座角焊缝搭接处易发生微裂纹2006-6-79TPUTP91弯头因热处理不当发生开裂弯头因热处理不当发生开裂2006-6-710TPUTP91集箱上的集箱上的T23管座运行后发生焊接热影响区脆断管座运行后发生焊接热影响区脆断2006-6-711TPUT异种钢焊接接头早期失效实例异种钢焊接接头早期失效实例2006-6-712TPUT异种钢焊接接头早期失效实例异种钢焊接接头早期失效实例2006-6-713TPUTP91P22异种钢低匹配焊接接头的早期失效裂纹异种钢低匹配焊接接头的早期失效裂纹运行运行20002000小时后外表面开裂小时后外表面开裂 1 1接管裂纹长接管裂纹长38mm38mm， 4 4# #接管裂纹分别长接管裂纹分别长76mm76mm及及114mm114mm异种钢焊接接头运行早期失效实例异种钢焊接接头运行早期失效实例2006-6-714TPUT 内壁发现焊接内壁发现焊接 热热 影响区裂纹影响区裂纹P91+P22异种钢低匹配焊接接头的异种钢低匹配焊接接头的 焊缝根部裂纹焊缝根部裂纹异种钢焊接接头运行早期失效实例异种钢焊接接头运行早期失效实例2006-6-715TPUT集葙上异种耐热钢大管座焊口运行裂纹的返修集葙上异种耐热钢大管座焊口运行裂纹的返修异种钢环焊缝运行早期失效实例异种钢环焊缝运行早期失效实例2006-6-716TPUT焊接接头早期失效的特征、原因及影响焊接接头早期失效的特征、原因及影响焊缝和焊接接头中出现细晶粒软化区（低硬度区）发生、型蠕变（疲劳）裂纹高温、低应力条件下蠕变断裂强度和塑性显著降低焊接接头蠕变断裂强度比母材降低20-40，40-60电厂高温运行条件下易发生焊口开裂，即早期失效2006-6-717TPUT型蠕变裂纹：发生在焊缝中的蠕变裂纹型蠕变裂纹：发生在焊缝中的蠕变裂纹型蠕变裂纹：发生在焊缝中的蠕变裂纹向焊接热影响区扩展型蠕变裂纹：发生在焊缝中的蠕变裂纹向焊接热影响区扩展型蠕变裂纹：发生在粗晶区的蠕变裂纹型蠕变裂纹：发生在粗晶区的蠕变裂纹(再热裂纹再热裂纹)型型蠕蠕变变裂纹：发生在细晶粒软化区的蠕变裂纹裂纹：发生在细晶粒软化区的蠕变裂纹型型蠕蠕变变裂纹：发生在熔合区的蠕变裂纹裂纹：发生在熔合区的蠕变裂纹型型蠕蠕变变-疲劳裂纹：发生在母材应力集中处的疲劳裂纹疲劳裂纹：发生在母材应力集中处的疲劳裂纹焊接接头蠕变裂纹的分类焊接接头蠕变裂纹的分类 熔合区裂纹熔合区裂纹疲劳裂纹疲劳裂纹2006-6-718TPUT美国焊接钢管纵焊缝上发生的蠕变裂纹美国焊接钢管纵焊缝上发生的蠕变裂纹2006-6-719TPUT焊缝中细晶粒软化区焊缝中细晶粒软化区(图中黑线区图中黑线区) -型蠕变裂纹型蠕变裂纹2006-6-720TPUT发生在焊缝中的发生在焊缝中的型蠕变裂纹型蠕变裂纹和熔合区中和熔合区中型蠕变裂纹型蠕变裂纹2006-6-721TPUT发生在焊接热影响区的型蠕变裂纹2006-6-722TPUT发生在融合区的型蠕变裂纹2006-6-723TPUT先在晶界或夹杂物产生孔穴，然后连接成裂纹先在晶界或夹杂物产生孔穴，然后连接成裂纹2006-6-724TPUT焊接接头蠕变断裂强度比母材降低焊接接头蠕变断裂强度比母材降低40-60%2006-6-725TPUT蠕变蠕变-疲劳交互作用使疲劳交互作用使P91接头寿命降低到接头寿命降低到P22水平水平2006-6-726TPUT蠕变蠕变-疲劳交互作用降低寿命疲劳交互作用降低寿命75%以上以上2006-6-727TPUT单純熱模拟不能正确反映焊接接头真实的蠕变断裂强度2006-6-728TPUT焊缝硬度大大高于母材，AC1-AC3加热区的硬度最低2006-6-729TPUTHardness profiles of creep samples; welded joint (P911 / Thermanit MTS 911)0102030405060708090Length of specimen mm165175185195205215225235245255265Hardness HV 10Base metalWeld metalHAZHAZfusion linefusion lineSMAW-vertical70 MPa, 650C, 4295 hfracture faceVALLOUREC&MANNESMANNTUBES2006-6-730TPUT850-950温度区间加热后蠕变断裂强度（断裂时间）显著降低2006-6-731TPUT蠕变集中-蠕变脆化-蠕变寿命显著降低2006-6-732TPUTP92焊接接头蠕变断裂强度大大低于母材P92钢中增加W,Co,B含量之后，焊接接头的蠕变断裂强度显著提高2006-6-733TPUTP92钢中添加硼元素可以显著提高细晶粒软化区的蠕变断裂强度2006-6-734TPUTFracture location of crossweld sample; P911 / SMAW Thermanit MTS 911; 650C, 70 MPa, 4295 hrsBasemetalHAZWeldmetalHAZVALLOUREC&MANNESMANNTUBES2006-6-735TPUT焊接材料和焊接工艺优化2006-6-736TPUT马氏体耐热钢焊接冷裂纹敏感性马氏体耐热钢焊接冷裂纹敏感性马氏体耐热钢焊接的突出特点是焊缝和热影响区会发生马氏体相变马氏体相变会改变氢的分布马氏体相变会发生体积膨胀，降低焊接应力马氏体相变会发生组织细化，有利于提高焊缝及焊接热影响区的冲击韧度焊接过程的自回火作用有利于恢复马氏体组织韧性所以，马氏体钢焊接冷裂纹顷向比较低，可以显著降低焊接预热温度2006-6-737TPUT低匹配焊条焊接低匹配焊条焊接F11或或T91钢产生的焊接热影响区冷裂纹钢产生的焊接热影响区冷裂纹R407焊条打底焊焊条打底焊HAZ裂纹裂纹R407焊条焊接管座焊条焊接管座HAZ裂纹裂纹R407焊条焊接角焊缝焊条焊接角焊缝HAZ裂纹裂纹R317焊条焊接管座焊条焊接管座HAZ裂纹裂纹2006-6-738TPUTHR817F11P22 图 6 高匹配焊缝对焊接接头氢分布的影响MF11/F12R817图 5 高匹配焊缝不产生高氢带图3 低匹配焊缝产生高氢带相变氢致裂纹原理相变氢致裂纹原理HHHHHHHHF11/F12R407HAZR407HAZP22F11H高氢带图4 低匹配焊缝对焊接接头氢分布的影响2006-6-739TPUT相变低应力相变低应力(压应力压应力)焊接原理焊接原理采用高强匹配焊接材料可以降低焊接应力、提高疲劳强度，降采用高强匹配焊接材料可以降低焊接应力、提高疲劳强度，降低焊接冷裂纹敏感性低焊接冷裂纹敏感性2006-6-740TPUT硫含量对氢的影响硫含量对氢的影响2006-6-741TPUT回火参数回火参数(P)对高铬马氏体耐热钢硬度的影响对高铬马氏体耐热钢硬度的影响2006-6-742TPUT2006-6-743TPUT2006-6-744TPUT2006-6-745TPUT如何提高焊缝冲击韧度如何提高焊缝冲击韧度优化焊接材料化学成分-C,Mn,Ni,Nb,N焊芯过渡的高碱度焊条高碱度焊剂降低焊接输入热量降低焊接预热温度降低层间温度多层多道焊薄层焊,宽摆焊提高焊后热处理温度和保温时间焊缝必须完全转变马氏体组织之后才能进行热处理2006-6-746TPUTH_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 weldingor soaking2 - 4 h2006-6-747TPUTH_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 5432006-6-748TPUTInfluence of the PWHT-condition to the toughness of the all weld metal for P92 VALLOUREC&MANNESMANNTUBESSMAW: Thermanit MTS 616; : 4,0 mm 1234567Holding time h010203040506070CVN JPWHT: 760C/1400FPWHT: 750C/1382FPWHT: 740C/1364F2006-6-749TPUT1234567Holding time h010203040506070CVN J 4,0 mm; Pos. 3G up 4,0 mm; Pos. 3G up Influence of bead formation on impact properties at pwht 760weavedbeadsstringerbeads2006-6-750TPUTPWHT- equipment vs. impact energy; PWHT at 750Temperature Time hPWHT- issue/ actual thermal condition of heat treatment eqipment furnaceSMAW: Thermanit MTS 616; : 4,0 mm 1234567Holding time h010203040506070CVN JPWHT: 760CPWHT: 750CPWHT: 740C26个热电偶温差202006-6-751TPUT Possible locations for temp. measuringthermocouple2006-6-752TPUT9Cr-1Mo钢回火参数对冲击韧性的影响钢回火参数对冲击韧性的影响采用比较低的焊接预热温度即使不热处理冲击值也比较高2006-6-753TPUTAC1AC3MSMF4003503002501231 45焊道间的自回火作用2006-6-754TPUT时效对焊缝冲击韧度的影响时效对焊缝冲击韧度的影响2006-6-755TPUT时效后焊缝冲击韧度大大低于母材时效后焊缝冲击韧度大大低于母材钢材PWHT冲击 (J)平均系数T91供货态母材104.108.1021051.0760x6hTIG:44.30.40380.36760x6hTIG+MIG48.44.50470.45P91供货态母材226.228.232291.0760x6hSMAW-5G96.116.1201110.48760x6hSMAW-2G128.138.1461370.60E911供货态母材178.170.1651711.0760x6hSAW78.52.103780.46P92 供货态母材161.137.1521501.0760x6hSAW58.28.26370.252006-6-756TPUTE911,P122母材时效后冲击韧度显著降低母材时效后冲击韧度显著降低钢材钢材温度温度供货状态供货状态热处理后热处理后10103 3h h时效时效3 310103 3h h时效时效系数系数E911E911600600148.150.154148.150.154平均平均151151156.154.154156.154.154平平均均15515558.60.6258.60.62平平均均606042.38.4442.38.44平平均均41410.270.27钢材钢材温度温度供货状态供货状态PWHTPWHT500h500h时效时效5000h5000h时效时效系数系数T122T122650650158.152.162158.152.162平平均均157157-90.100.1090.100.108 8平平均均999944.42.4444.42.44平平均均43430.270.272006-6-757TPUTAging treatment at 600; SMAW all weld metal for P92 and E911600600时效对时效对P92P92及及E911E911钢钢SMAWSMAW全焊缝金属冲击韧性的影响全焊缝金属冲击韧性的影响(x103)0510152025303540保温时间保温时间 h 01020304050607080冲击冲击CVN J + 20SMAW: Thermanit MTS 616 / Thermanit MTS 911; 4,0 mm1PWHT: 750/2 hPWHT: 750/4 h382006-6-758TPUT铁素体异种钢焊接铁素体异种钢焊接2006-6-759TPUT蒂森公司异种钢焊接经验铁素体钢与奥氏体钢焊接大口径管：先在铁素体钢堆焊镍基过渡层热处理用镍基焊条焊接不预热，不热处理小口径管：直接用镍基焊条焊接热处理铁素体钢与铁素体钢的异种钢焊接焊接碳迁移与焊接接头早期失效无关可用高、中、低匹配焊材焊接焊后热处理温度应符合两种母材要求2006-6-760TPUT我国铁素体异种耐热钢焊接经验1.过去经验选焊材：低、中匹配焊后热处理应符合两种母材要求碳迁移是早期失效的主要原因采用钢102作为T22，12Cr1MoV与T91，T92，T122异种钢焊接接头的过渡段2.新经验采用高匹配焊材可以实现不预热焊接高匹配焊接接头的焊接热影响区冲击韧度好焊态没有碳迁移，热处理之后出现了天球仪碳迁移，高温运行1万小时之后脱碳层逐渐消失，所以，碳迁移不降低焊接接头10万小时蠕变断裂强度异种铁素体耐热钢焊接接头运行早期失效的主要特征是、型蠕变开裂，而不是脱碳层采用T23作为T22，12Cr1MoV与T91，T92，T122异种钢焊接接头的过渡段2006-6-761TPUT异种钢焊接接头焊态没有碳异种钢焊接接头焊态没有碳迁移迁移热处理之后产生脱碳层和增热处理之后产生脱碳层和增碳层碳层用低匹配焊材不预热焊接，用低匹配焊材不预热焊接，易产生易产生HAZ裂纹裂纹用高匹配焊材不预热焊接，用高匹配焊材不预热焊接，不产生焊接裂纹不产生焊接裂纹2006-6-762TPUT高温长期运行后脱碳层消失，运行失效试样中发现细晶粒组织高温长期运行后脱碳层消失，运行失效试样中发现细晶粒组织1231.小口径管异种钢接头持久爆破小口径管异种钢接头持久爆破2.F11+12Cr1MoV失效分析失效分析3.F11+12Cr1MoV失效分析失效分析2006-6-763TPUT发现异种钢接头的发现异种钢接头的型开裂（熔合区型开裂（熔合区界面开裂界面开裂，氧化疲劳裂纹氧化疲劳裂纹）2006-6-764TPUT提高焊接接头蠕变断裂强度新技术提高焊接接头蠕变断裂强度新技术F11+P22异种钢焊接接头异种钢焊接接头,580,十万小时蠕变断裂强度十万小时蠕变断裂强度R407 (化学成分低匹配，蠕变断裂强度低匹配化学成分低匹配，蠕变断裂强度低匹配) R507 (化学成分中匹配，蠕变断裂强度低匹配化学成分中匹配，蠕变断裂强度低匹配) R817(化学成分高匹配，蠕变断裂强度高匹配化学成分高匹配，蠕变断裂强度高匹配)1.2144MPa53.43MPaP22母材母材R8171.2944MPa56.96MPaP22母材母材R5071.2944MPa56.64MPaP22母材母材R407蠕强系数蠕强系数P22,580平均蠕强平均蠕强接头接头580蠕强蠕强断裂部位断裂部位焊条焊条2006-6-765TPUT焊接接头蠕变断裂强度减弱系数焊接接头蠕变断裂强度减弱系数钢材牌号温度母材105蠕强接头105蠕强蠕强系数来源国外P916000.6-0.4P1255064270.4212Cr1MoV580104350.37F11+P225804453.431.21G102600921181.14ctT9162545.2654.60.82hgT91600-0.65sgP915501411310.90dgP915751001240.80dgP92600131970.74P92625101970.96sgT12265064.137.40.58hg2006-6-766TPUT40100100010000100000时间时间( (小时小时) )20200 设计许用应力设计许用应力 - 100P91异种耐热钢焊接接头脱碳层 对蠕变断裂强度影响示意图应力应力 Mpa608098MPa57MPa45MPa90MPaa12018014077MPa母材母材同种接头同种接头异种接头异种接头环缝横向应力环缝横向应力设计许用应力设计许用应力2006-6-767TPUTCreep Tests on T/P92 Welds at 600CThermanit MTS 61610100100010100100010000100000Time (h)Stress (MPa)SMAWSAWT/P92_Eval.2004+/-20%6002006-6-768TPUTCreep Tests on T/P92 Welds at 625CThermanit MTS 61610100100010100100010000100000Time (h)Stress (MPa)SMAWSAWT/P92_Eval.2004+/-20%6252006-6-769TPUTCreep Tests on T/P92 Welds at 650CThermanit MTS 61610100100010100100010000100000Time (h)Stress (MPa)SMAWSAWT/P92_Eval.2004+/-20%OpenSymbol:RunningTest650C2006-6-770TPUT新型耐热钢可以实现不预热焊接部分耐热钢可以实现焊后不热处理焊接热裂纹可以通过改进焊接坡口和排道方法消除采用高匹配焊材焊接异种钢，焊接冷裂纹倾向小异种耐热钢焊接接头中碳迁移不降低十万小时蠕变断裂强度采用焊接新技术可以避免异种耐热钢焊接接头早期失效焊缝冲击韧度可以接近或达到母材冲击韧度水平焊接接头蠕变断裂强度接近或达到与母材同水平采用特殊焊接新技术焊接F11钢，安全运行30年无失效。2006-6-771TPUT管道打底焊焊接新技术管道打底焊焊接新技术1.无内充氩保护打底焊药芯焊丝打底焊坡口表面涂特殊焊剂的打底焊蒂森公司E9018-B9焊条正接打底焊无内充氩的TIG打底焊自动TIG打底焊2.TIG打底焊裂纹焊缝中心裂纹改进焊接坡口和焊道排列操作技术热应力裂纹改进焊接工艺和降低拘束度3.气孔TIG打底焊时必须内充氩保护三道以上改进焊条烘干2006-6-772TPUT新型耐热钢管道新型耐热钢管道SMAW焊接新技术焊接新技术采用焊芯过渡焊条真空包装焊条可以开包即用降低的焊接总热输入(单道热输入,多道焊总热输入)降低焊接预热温度，建议150-200，不预热无裂纹焊接新技术降低层间温度，建议200-250，100焊后必须冷却到100J推荐蒂森焊条采用770-780焊后热处理降低焊后热处理温度及保温时间,7304h，Akv27J焊缝不热处理的冲击韧度27J提高焊接接头蠕变断裂强度与熔敷金属或母材等强无蠕变裂纹和早期失效2006-6-773TPUT防止焊接接头防止焊接接头(同种及异种同种及异种)早期失效新技术早期失效新技术推荐采用特殊的高匹配焊接材料采用特殊的热处理晶粒粗化热处理晶粒均匀化热处理尽可能提高焊接接头的蠕变断裂强度改善、型开裂区组织，提高蠕变断裂强度降低工作温度和应力降低许用应力和热强系数，增加设计壁厚余量采用9Cr-3W-3Co-VNbB新钢材，不会出现细晶粒软化区，不会发生早期失效2006-6-774TPUT结论：1.新型耐热钢焊接冷裂纹倾向小，可以降低预热温度2.焊接产品中发现的特殊焊接微裂纹，无损探伤无法发现3.高匹配焊接有以下优点：氢致裂纹敏感性降低，可实现耐热钢不预热焊接焊接应力低，接头冲击高，有利于实现焊后不热处理焊缝蠕变强度高，有利于开发无早期失效的焊接新技术4.高韧性焊接方法可以使焊缝冲击韧性接近母材5.碳迁移不会降低焊接接头十万小时蠕变断裂强度6.高强焊接法可使同种、异种接头的蠕变断裂强度与母材等强7.采用特殊焊接和热处理新工艺，可以防止焊接接头早期失效2006-6-775TPUT