随着电力工业发展的高参数、大容量、高效率、低污染，国内新建火电厂及设备检修更换构件中已广泛采用SA-213T91钢，SA-213T91钢是一种改良型的9Cr-1Mo钢，是在原9Cr-1Mo马氏体钢基础上，降低含碳量，添加微量V、Nb等合金元素，控制N、 Al含量得到的。但在焊接试验研究及施工生产中还存在一些亟待解决的问题。为了更好的使用该钢种，我们对SA-213T91钢进行了焊接工艺试验。

提高温度和压力来增加发电效率和减少燃煤机组对大气的污染，是当今电站建设的方向，同时要求开发高温蠕变断裂强度比较高的新型马氏体耐热钢，来适应超临界的温度和压力参数。美国开发了T/P92新型马氏体耐热钢，日本开发了600℃～630℃长期运行的T/P92新型马氏体耐热钢（NF616，95%Cr-2W）。T/P92钢是在T/P91钢的基础上适当降低钼元素的含量（0.5%Mo），同时加入一定量的钨（1.8%W）以将材料的钼当量（Mo+0.5W）从T/P91钢的1%提到到约 1.5%，该钢还加入了微量的硼，经上述合金化改良后，与其它铬-钼耐热钢相比，T/P92钢的耐高温腐蚀新型马氏体耐热钢的加工性能好，高温蠕变断裂强度非常高，抗腐蚀性好，可以提高耐热钢的和氧化性能与9%Cr钢相似，但材料的高温强度和蠕变性能得到了进一步提高。由此带来的主要优点是，在相同的工作温度，压力或设计寿命条件下，能够进一步降低电站锅炉及管道系统的重量；或者在同样的结构尺寸下，进一步提高结构的设计工作温度，从而提高系统的热效率；同时， T/P92钢还具有优于奥氏体不锈钢（如347H）的抗低周热疲劳性能。 T/P92钢的成份范围及常用的产品类型见下： T92（ASTM/ASME A213）：92合金小直径管材 ，P92（ASTM/ASME A335）：92合金大直径管材， F92（ASTM/ASME A182）：92合金锻件。

工作温度，减少钢材厚度，降低钢材消耗量，降低管道热应力。新型马氏体耐热钢迅速在电站设备制造业中得以推广应用。

1          焊接工艺

1.1 SA-213T91钢的焊接工艺

对SA-213T91钢管的焊接工艺特点、预热、焊接及焊后热处理等工艺规范进行了工艺试验，并对焊接接头进行了各项性能试验，取得了良好的效果。该工艺应用于山西一公司电建在武乡、丰镇、柳林和大连庄河等安装工程应用中，为各电厂、电建单位对T91钢的焊接和工艺指导取得圆满成功。
1.1.1  SA-213T91钢的化学成分及特点
1.1.1.1其化学成分和常温力学性能分别如表1所示。

表1.T91钢的化学成分

由表1可以看出T91钢的化学成分限制是十分严格的。

1.1.1.2  新型马氏体耐热钢的焊接

     超超临界机组锅炉用新型马氏体耐热钢常用于超超临界机组管道和过热器管上。T/P91钢使用温度小于593℃。T/P92是在T/P91耐热钢基础上发展起来的新型耐热钢，其中T/P92是在T/P91的基础上通过加入1.5%～2.0%W代替部分Mo元素，Mo元素含量下降到0.3%～0.6%而形成的。这些9%Cr钢具有良好的力学性能。马氏体钢的下一步发展是在这些钢的基础上加入Co、B等合金元素来进一步提高抗蠕变性能和抗氧化性能。

1.1.2  SA-213T91钢焊接工艺试验
1.1.2.1　试验条件
（1）钢材　T91钢，￠42×5mm
（2） 焊接方法　采用手工钨极氩弧焊，氩气流量8－10L/min(背面充氩6－8L/min)
（3）环境温度　20－30℃，湿度<60％。
（4）焊接位置　水平固定（5G），垂直固定（2G）。
（5）热处理设备　LWK－12×（0－220）－B。
（6）焊接设备 ZX7-400STG。
（7）焊接材料 焊丝：MTS-3,￠2.4mm。
1.1.2.2 焊接工艺规范
（1）焊前坡口制备（机械加工出V型30°坡口）
（2）焊前清理 清除坡口内外母材表面两侧10mm范围内及焊丝表面的油污、铁锈、水分等，直至露出金属光泽。
（3）对口点固焊　将焊丝熔化金属直接点固在对口的根部，对口错边不超过0.5mm；点固焊前用电阻加热坡口区到150℃；点固焊及正常施焊过程中不得在管子表面试电流，乱引弧。
（4）焊前预热　焊前采用电阻加热坡口两侧150mm左右，预热温度为150℃。层间温度保持在200－300℃左右。
（5）焊前规范参数

焊接方法：Ws;焊丝牌号：MTS-3；直径：￠2.4；极性：直流正接；电流：90-100A

电压范围：10-12V；焊接速度：45-55 mm/min；焊接层数：2层。
（6）焊后采用高温回火热处理方法
    温度：760±10℃；恒温时间：1h；
    升温速度：150℃/h；降温速度：150℃/h；
    热处理降温到300℃以下可不控制。

1.1.2.3  焊接加热规范
    根据国外有关资料介绍，P91钢除TIG焊外，其他工艺，不论材料厚度多少，预热温度都需要至少200℃，而对TIG焊来说，由于其非常低的扩散氢含量，预热温度可以放宽至100-150℃左右，最高层间温度一般限制在300℃左右，这样可以保证每道焊缝都转变为马氏体组织，从而在下一道焊缝的热循环下都得到部分回火。
    焊后热处理温度的选择也有一些限制因素：这一温度须高于各种标准所规定的最低温度，即高于730℃，在实际操作中，为使焊缝金属获得足够的回火，实际的处理温度明显需要高于这一水平（但不超过780～790℃）。实际焊接施工中，经755℃保温4～5小时的热处理，可得到满意的冲击韧性，而且也保证了热处理后整个焊接接头区的硬度在300HV左右，焊缝金属硬度一般为240～280HV。
    预热是避免再热裂纹和冷裂纹产生的有效手段。有关标准规定预热和层间温度应在180～250℃，不要超过300℃，焊后热处理之前，必须将材料冷却到150℃以下，应力较大时，冷却温度不要低于125℃。如果在室温下冷却，应严禁潮湿。同时，还可以适当降低焊接电流，避免出现弧坑裂纹，并有利于防止冷裂纹和再热裂纹。

    为了尽可能降低焊接残余应力，应采用较高的温度，但温度过高，有可能降低钢材的抗拉强度，破坏钢材的原有组织和性能，促使碳化物的聚集和长大。为得到合适的硬度和良好的韧性，我们选择750～770℃的焊后热处理温度，从实际情况看，是可行的。
   综合分析以上因素，最终确定的加热规范如图1所示，技术要求如下：
 （1）升、降温速度≤150℃；
 （2）温度在300℃以下可不控制；
 （3）焊后若来不及进行回火热处理，应立即进行消氢处理，处理温度为300～350℃，恒温2h。

1.1.2.4 P91大口焊接操作工艺

焊接工艺为手工钨极氩弧焊打底，电弧焊盖面，管内壁充氩保护。接头形式为双V形坡口对接焊缝，该坡口扩大了底层的焊接空间，易于焊丝摆动，熔合良好，使溶滴准确到位并焊透，以保证背面成形的均匀性。
（1）双层TIG打底焊
    采用双层TIG焊打底，这样一是因为TIG打底一层时焊层较薄会导致击穿，影响根层焊缝质量；二是因为TIG焊第二层时能降低对第一层背面焊缝的氧化程度。应注意，第一层打底时，应边打底边揭开充氩保护胶布，以防止空气进入焊后内部影响打底质量。
（2）合理控制管内保护氩气流量
    P91钢根层焊接存在较大的表面氧化问题，因此必须采取管内充氩保护措施。一方面要合理控制氩气流量，大径管一般控制在20～30L/min为宜；另外要使管内氩气有流动性以提高保护氩气纯度，从而再次降低焊接接头的热输入量。考虑到焊接根部第二道焊缝时对第一道焊缝的高温氧化影响，内保护气一直持续到第二道焊缝焊完。
（3）多层多道焊
    采用多层多道焊不仅可以控制焊接线能量，而且后层焊道对前层的热处理能细化晶粒，改善接头性能。
（4）双人焊接操作
    大径厚壁P91管均应采用双人焊接，打底时一人焊接，一人从另一侧进行观察打底焊情况。填充和盖面时，两人对称同时焊接（如图2所示）。
 

1.1.3  焊后检测

焊后进行了外观检查包括：焊缝余高、余高差、焊缝宽窄差、根部凸出均合格。小径管通过RT无损探伤，大口通过了UT无损探伤均合格。断口检查指标均合格，
常温力学性能试验，进行了拉伸和弯曲数据都合格。微观金相组织观察了：母材（500×回火索氏体+铁素体）、焊缝（100×回火索氏体）、热影响区（500×回火索氏体）组织合格。
1.1.4  焊接工艺评定结果
    P91钢最容易产生的缺陷是夹渣，主要分布于坡口边缘，主要是由于清渣不彻底造成。当焊条烘干效果不佳时，出现焊接缺陷的可能性会进一步加大。
    P91钢的焊态硬度为300～330HB，从热处理后的实际情况看，焊缝硬度主要是在180～270HB，评定合格。

1.1.5  焊接操作工艺要领
施焊过程分为：对口定位焊、根层打底施焊、中间填充层施焊和盖面层施焊。
（1）对口定位焊　采用高频引弧法引燃电弧，将坡口两侧钝边熔化后加丝焊接。注意观察坡口两侧的熔合情况，必须使熔敷金属与母材充分熔合。
（2）根层打底施焊　采用内填丝法焊接，焊枪呈锯齿形摆动，在两侧适当停留，填丝动作要稳。
（3）中间填充层施焊　采用连续送丝法，焊枪做锯齿形摆动，焊丝要始终处在氩气保护区内，焊接速度尽量加快，避免焊缝表面氧化。
（4）盖面层施焊　采用连续送丝法，焊枪做锯齿形摆动，焊丝要始终在熔池中间并处在氩气保护区内，焊接速度尽量加快，避免焊缝表面氧化。

1.2 T/P92钢的焊接工艺

T/P92钢是在T/P91钢中添加钨（1.8%W）和降低钼（0.5%Mo）而开发的新钢种，因为W可以显著提高钢材的高温蠕变断裂强度，T/P92钢的工作温度比T/P91钢工作温度高，可以达到630℃。但是，钢中过量添加钨会促进δ-铁素体的形成，降低冲击韧性和蠕变断裂温度。 
1.2.1   T/P92钢的化学成分

表-2为T/P92钢的化学成分（wt%）和 T/P92钢的力学性能（最小值）

表2（T/P92钢的化学成分（wt%）和 T/P92钢的力学性能）

1.2.2  T/P92钢焊接工艺特点及分析
    T/P92钢属于低碳马氏体耐热钢，其焊接工艺的特点和焊接技术要求较过去常用的马氏体耐热钢的焊接工艺具有以下特点及改进：
1.2.2.1   焊接预热温度明显降低
    T/P92马氏体钢是低碳马氏体钢，允许在马氏体组织区内焊接，这意味着焊接预热温度和层间温度可以大大降低，一般推荐焊接预热温度为200～250℃，根据国外的研究经验，预热150℃以上可以完全防止产生冷裂纹。根据相关单位斜Y形坡口焊接裂纹试验法提供的数据，测定的止裂（无裂纹）预热温度见表3。（可供我们试验直接参考）

表3  常用钢材Y坡口焊接裂纹试验的止裂温度

    由表3可见，P91、T/P92、P9、F12钢同属于化学成分相近的马氏体耐热钢，防止焊接冷裂纹的预热温度却相差非常大。由表3可见，T/P92钢是其中相对容易焊接的马氏体耐热钢，焊接预热温度较低，比P22低合金铁素体耐热钢的预热温度还低。
1.2.2.2   对层间温度的控制要求比较高
    为了获得满意的冲击韧性，推荐层间温度＜300℃。由于T/P92钢的导热系数比较小，小口径和大口径管道的焊接热量比较集中，层间温度比较高。如果不采取措施，层间温度可以达到300～350℃，冲击韧性将会大大降低。必须采用低焊接输入热量的焊接工艺施焊。
1.2.2.3   对焊接热输入的控制要求比较高
    多项试验数据证明：焊件输入热量对焊接接头的冲击韧性有较大的影响，焊件输入热量越大，焊接接头的冲击韧性越低。实践经验证明，如果采用普通低合金钢的焊接热输入量焊接马氏体耐热钢，焊接接头的冲击功只有10～30J。必须采用比较小的焊接输入热量施焊，如采用小直径焊条、比较小的焊接电流，比较快的焊接速度，比较低的层间温度，冲击功可以达到50～100J。
1.2.2.4   焊后消氢处理
    如检验规定要分层探伤及设备故障等原因要求分层停焊等情况下，为了避免氢致冷裂纹，建议焊件在焊接中停之后，以及在焊件冷却到室温之前进行去氢出来，即焊后待马氏体转变完加热到250～350℃保温2小时后保温缓冷。
1.2.2.5   焊后热处理
    厚壁管焊件焊接结束后，必须冷却到＜100℃，才能进行焊后热处理。热处理温度和保温时间对冲击韧性影响的试验结果见表4。随着焊后热处理温度和保温时间增加，冲击韧性得到改善。提高焊后热处理温度，可以大大缩短焊后热处理保温时间，但热处理温度不能超过Ac1温度。推荐焊后热处理温度为760±10℃，保温时间为4～6小时。应特别仔细测量和控制焊后热处理温度。对于厚壁焊件，特别是进行单面加热热处理的管道焊缝，为了获得比较高的蠕变断裂强度和冲击韧性，保温时间为5～6小时。对于薄壁焊件可以选用比较短的保温时间，薄壁管氩弧焊焊件可以采用比较低的热处理温度，或者采用比较短的热处理保温时间。热处理的升温速度一般为80～120℃/h，热处理的冷却速度一般为≤150℃/h。

表4  热处理温度和恒温时间对冲击韧性的影响

1.2.2.6   焊接操作工艺对接头质量的影响及其分析
    通过对T/P92焊材进行大量的焊接工艺试验，总结出来许多有利于提高焊接质量的焊接操作方法，总结以下几点：
1）氩弧焊打底时必须进行有效背面氩气保护，因为钢中Cr含量高达10%左右，以防止焊缝背面氧化。
2）坡口焊的焊道排列对冲击韧性有比较大的影响，采用一层两道焊接操作方法比一层三道的冲击韧性好。
3）熔敷金属和焊接接头的冲击韧性有比较大的差别，一般大口径管道焊接接头的冲击韧性比熔敷金属的冲击韧性好。
4）不同焊接位置对冲击韧性有很大的影响，一般大口径管道横焊的冲击韧性比平焊和立焊的冲击韧性好。
5）薄焊道比厚焊道的冲击韧性高，一般希望焊道的厚度＜2.5mm。GTAW工艺焊层应尽量厚。
6）快速摆焊比慢速直道焊的冲击韧性好。
7）管道单面加热热处理和双面加热热处理方法对焊缝的冲击韧性也有很大的影响，单面加热热处理的内、外壁存在较大的温差，影响焊接接头的冲击韧性。故有人建议采用比较低的热处理温度和比较长的热处理时间。

1.2.3   T/P92钢的焊接材料分析

采用新钢种之前，必须证明焊接材料具有足够高的常温力学性能和高温蠕变断裂强度。制造电站设备的耐热钢应该具有足够高的常冲击韧性，在水压试验时，较高的冲击韧性可以降低水压试验的温度，降低热能消耗，并确保电站设备足够安全。
    电站锅炉制造中常用的焊接方法有：GTAW、SMAW等焊接方法，为此必须开发与之相适应的氩弧焊用实心焊丝，手工电弧焊用焊条，不少焊材生产公司为了提高焊接材料的蠕变断裂强度和冲击韧性，进行了大量焊材性能和蠕变断裂强度试验研究工作。

1.2.3.1   德国蒂森公司T/P92焊材的典型化学成分和机械性能见表-5。

表-5

1.2.3.2   焊条电弧焊
    用于焊接T/P92钢的焊条为ThemanitMTS616（E9015-B9或E9015-G），ThemanitMTS616焊条的焊接工艺参数见表6。ThemanitMTS616焊条熔敷金属的化学成分见表7。熔敷金属的力学性能见表8。P92大口径钢管对接焊接接头的力学性能见表9。

表6  焊条电弧焊的焊接工艺参数

表7 ThemanitMTS616焊条熔敷金属的化学成分（wt%）

表8  ThemanitMTS616焊条熔敷金属的力学性能

表9 ThemanitMTS616焊接接头的力学性能（规格300*40mm）

1.2.4  焊接操作工艺要领
    通过实际操作试验发现，由于母材、焊材的合金元素含量高，液态金属的流动性较差，因此焊接时应特别主要以下几点：
（1）焊条必须按照说明书中规定的300～350℃保温2h烘焙，以保证焊条的干燥性。
（2）由于液态金属流动性差，安装对口时应适当加大对口间隙（3～4mm），打底时，焊接电流应适当，以保证根部焊接质量。
（3）焊条的引弧电流过小，易粘焊条；但焊接电流过大，则造成熔池不清，易形成夹渣缺陷。因此，选择适当的焊接电流是保证焊接质量的关键。
（4）由于P92钢易出现冷裂纹和弧坑裂纹，因此焊接时应注意将弧坑填满，可以采用逐渐减少电流或采用断弧叠加法收弧。
（5）该焊条的焊渣不易清理，应注意层间清理，特别是接头部位，必要时采用砂轮机打磨，以保证接头质量。
（6）每层焊道不可过厚一般不超过焊条的直径。

2  结论
    通过对T/P91和T/P92新型马氏体耐热钢的焊接工艺分析研究及对焊接材料的分析介绍，使我们对T/P92的性能有了进一步的了解，为我们下一阶段编制T/P92焊接工艺任务书及评定方案有了可靠的理论依据。对今后对这类钢的焊接工作研究具有重要的指导性意义。

由于化学成份上的接近，T/P92钢的焊接工艺性能与T/P92钢的基本相同，T/P92钢焊接工艺参数、预热、层间温度和焊后热处理与T/P91非常接近。T/P92具体的焊接工艺规范这里就不一一罗列了。
　　超超临界锅炉中的一些新型耐热钢在我国虽然已经应用，有一定的经验，但不是很成熟。我们应继续加强研究，以保障我国超超临界机组的制造和安装质量，确保超超临界机组的安全运行。

参考文献

［1］杨富.21世纪火电站焊接技术的发展趋势［C］.新型9%~12%Cr系列热强钢焊接技术资料选编.

［2］杨富等.新型耐热钢焊接中国电力出版社，2006-7-1

［3］吴世初.金属可焊性试验方法[M]中国工业出版社,1964年.

［4］周振丰.金属熔焊原理及工艺[M].机械工业出版社,1981年.
［5］Fabrication of T91 Tubes Sumitomo Metal Industries, Ltd.and P91 Pipe[M].
［6］P91.Nf616(P92)铭钼钢焊接经验[R].德国蒂森焊接技术公司

［7］赵健仓，曾富强，何海，等.国产300MW火电机组安装工程焊接技术［M］.山西电力建设第一公司焊接培训中心，2002年11月.

备注：此篇论文被评为二类优秀论文并收入到《中国职工焊接技术协会2008焊接技术论文集》。