Сталь P92 относится к американскому стандарту мартенситных жаростойких сталей, соответствующему стандарту ASTM A335/A335M-2018.

Сталь T92/P92 — это новый материал, используемый в настоящее время в основных паровых и перегретых секциях сверхкритических установок. Она трудно поддается сварке и имеет строгие технологические требования, включая жесткий предварительный нагрев, сварочный ток, толщину межпроходного шва, ширину сварного шва и послесварочную обработку. Она также склонна к образованию трещин. Ниже мы представляем химический состав, свариваемость и ключевые параметры сварки стали P92.

Химический состав и эксплуатационные характеристики стали P92

Химический состав стали P92:

(Изображение 1)

Сталь SA335-P92 — это новый тип стали, разработанный путем добавления вольфрама и соответствующего снижения содержания метиленового синего на основе стали P91. Ее химический состав показан в таблице ниже.

Основные свойства стали P92

1. Превосходные физические свойства

Сталь P92 имеет тот же коэффициент линейного расширения, что и сталь P91, но ниже, чем у аустенитной стали, и даже ниже, чем у стали P22. Поэтому сталь P92 демонстрирует лучшую устойчивость к усталостному разрушению во время запуска и остановки установки, чем аустенитные стали и стали P22. Ее теплопроводность такая же, как у стали P91, но выше, чем у аустенитной стали.

2. Более высокая прочность на ползучесть при высоких температурах, чем у стали P91

Сталь P92 обладает большей прочностью как при комнатной, так и при высоких температурах, чем сталь P91. На основе результатов испытаний, проведенных в различных странах, прочность на ползучесть при 550℃, 600℃ и 625℃ после 100 000 часов, оцененная в соответствии со стандартами ASME, составляет 199 МПа, 131 МПа и 101 МПа соответственно; При этом прочность на ползучесть стали P91 при тех же температурах составляет 141 МПа, 98 МПа и 68 МПа соответственно.

3. Отличная ударная вязкость при комнатной температуре

Сталь P92 демонстрирует значительно лучшие высокотемпературные характеристики по сравнению с традиционными сталями, а также обладает отличной ударной вязкостью при комнатной температуре. Это во многом аналогично стали P91.

4. Отличная стойкость к окислению

Стойкость стали P92 к окислению сажей и окислению водяным паром примерно такая же, как у стали P91. Испытания показывают, что толщина окалины из оксидов водяного пара на стали P92 и стали P91 примерно одинакова после 3000 часов при 600℃ и 700℃.

Анализ свариваемости стали P92

1. Более низкая чувствительность к образованию трещин в сварных швах по сравнению с традиционными ферритными жаропрочными сталями

Для достижения нулевой скорости образования трещин в стали P91 требуется предварительный нагрев до 180℃, в то время как для стали P92 достаточно предварительного нагрева до 100℃, а для стали P22 — до 300℃.

2. Значительная тенденция к старению

После 3000 часов старения ударная вязкость стали P92 значительно снижается. Ударная вязкость стали P92 снизилась примерно с 220 Дж до старения до примерно 70 Дж. После 3000 часов старения тенденция к дальнейшему снижению ударной вязкости не была значительной, и ударная вязкость стабилизировалась на уровне 3000 часов старения. Тенденция к старению наблюдалась в диапазоне 550–650℃, что точно соответствует рабочему диапазону температур этой стали. Основной металл демонстрирует значительную тенденцию к старению, и сварные швы с аналогичным составом также будут проявлять ту же тенденцию.

3. Вязкость сварного шва ниже, чем у основного металла.

Сварной металл представляет собой литую структуру, охлажденную из очень сильно расплавленного состояния. Он не подвергался термомеханическому контролю (ТМК), т.е. горячей контролируемой прокатке. Поэтому зерна не измельчались, и микролегирующие элементы, такие как Nb, оставались растворенными в матрице, не имея возможности полностью раствориться.

4. Сварные соединения являются самым слабым звеном, влияющим на безопасность эксплуатации энергоблока.

Из-за высокого содержания легирующих элементов в стали P92 ее сварка представляет значительные технические сложности, что делает ее подверженной воздействию низкой энергии удара в местах соединений и преждевременному выходу из строя из-за растрескивания типа IV при длительной эксплуатации. Если качество сварного шва не гарантируется, преимущества стали P92 будут утрачены, что поставит под угрозу безопасность эксплуатации энергоблока.

Процесс сварки

1. Выбор сварочных материалов и защитного газа

Сварочная проволока: 9CrWV (ER90S-G) Спецификация: Ф2.4; Сварочный электрод: CHROMET92 (E9015-G) Спецификация: Ф3.2;

Вольфрамовый электрод: WCe-20 Спецификация: Ф2.4

Тип газа: Ar ≥ 99,95% Расход: 7-12 л/мин Защита с обратной стороны: Ar ≥ 99,95% Расход: 20-7 л/мин

2. Монтаж и выравнивание

Трубы большого диаметра: Зазор выравнивания 3-6 мм; Трубы малого диаметра: Зазор выравнивания 2-3 мм

3. Схема продувки аргоном с обратной стороны

Для предотвращения окисления в корне сварного шва используется процесс защиты с продувкой аргоном с обратной стороны. Для труб большого диаметра продувка аргоном обычно осуществляется с помощью специальных инструментов. Если специальное оборудование недоступно, для создания герметичной газовой камеры вблизи сварного шва можно использовать термостойкий картон и термостойкую ленту.

Для труб малого диаметра можно использовать водорастворимую бумагу для заглушки обоих концов трубы. Места продувки аргоном: ① Продувка аргоном через отверстие для дефектоскопии. ② Используя зазор в стыковом соединении, расплющите тонкую медную или нержавеющую стальную трубу и вставьте ее в зону сварки через скос для защиты от продувки газом. ③ Продувка аргоном через отверстие в трубе с помощью специально изготовленного инструмента для продувки аргоном.

4. Предварительный нагрев перед сваркой

Предварительный нагрев перед сваркой: T≥150℃, ширина нагрева ≥200 мм с каждой стороны, температура между проходами ≤300℃.

Трубы большого диаметра: Используйте оборудование для контроля температуры с компьютерным управлением для отслеживания и предварительного нагрева сварного шва. Термопары должны быть расположены симметрично, обеспечивая хороший контакт между термопарами и фитингами трубы, и должны быть откалиброваны.

Трубы малого диаметра: Используйте предварительный нагрев пламенем, измеряя температуру с помощью термометра.

5. Аргонодуговая сварка корневого шва

Аргонодуговая сварка корневого шва выполняется после предварительного нагрева трубы до заданной температуры и равномерного нагрева; для корневого шва используется метод постоянного тока положительной полярности, сварку выполняют два человека симметрично.

Трубы большого диаметра из материала P92: Сварка корневого шва выполняется методом внутренней присадочной проволоки. Трубы малого диаметра из материала P92: Сварка корневого шва выполняется методом внешней присадочной проволоки. При выполнении аргонодуговой сварки корневого шва скорость сварки не должна быть слишком высокой, а толщина сварного слоя должна быть не менее 3 мм.

Для предотвращения проплавления корневого шва и окисления его поверхности следует дважды выполнить аргонодуговую сварку. Защита аргоном: расход газа спереди 7 л/мин, расход газа сзади 20-7 л/мин.

6. Электродуговая сварка

После завершения корневого шва повысьте температуру предварительного нагрева до 200-250℃, и можно начинать электродуговую сварку; используйте постоянный ток обратной полярности, сварку выполняют два человека симметрично. Для первого и второго слоев дуговой сварки используйте электроды диаметром ∮2,5 мм. Обеспечивая хорошее расплавление, минимизируйте сварочный ток и строго предотвращайте проплавление корневого шва аргонодуговой сваркой. Используйте защиту аргоном сзади.

Для промежуточного слоя используйте электроды диаметром ∮3,2 мм; швы каждого слоя должны быть расположены в шахматном порядке, сварщик должен усилить межслойную шлифовку для предотвращения дефектов сварки. Используйте многослойную, многопроходную сварку, при этом толщина каждого сварочного шва составляет приблизительно 2,5-3 мм, а ширина колебаний одного сварочного шва не должна превышать 3 диаметра электрода. Каждый сварочный шов должен быть тщательно очищен, особое внимание следует уделять швам и обеим сторонам сварного шва. Удаление водорода между швами не требуется.

7. Послесварочная термообработка

После сварки охладите до 80-100℃, а затем проведите термообработку: температура нагрева до 750-770℃, скорость нагрева ≤145℃/ч, ширина нагрева 200 мм с каждой стороны, ширина выдержки 350 мм с каждой стороны, выдержка 5 часов. Скорость охлаждения: выше 300℃ ≤145℃/ч