0、介绍

日益增长的能源需求推动了高蒸汽参数的高功效电厂的建设热潮。由于经济需求的增长和气候环境保护意识的增强，使得业界需要一个更节约成本和更环保的合理的能源供应。所有这一切只能靠降低特定的燃料和1千瓦小时所产生的热耗量来实现。我们有必要将新电站未来效率的增长与德国1992年到2002年的现代工厂进行对比。新的制造和工艺上的解决方案只是实现设想的一部分。致使效率增长的主要因素是蒸汽参数中的“压力”和“温度”的进一步提高。作为设计参数，蒸汽温度范围在605℃(流通蒸汽)到625℃(循环再热蒸汽)之间，同时压力范围在300 bar(流通蒸汽)到80bar(循环再热蒸汽)之间已经成为德国颁发制造和营运许可证的重要条件。欧洲蠕变协会(ECCC)2005年发布的新的T/P92 (X10CrWMoVNb9-2)的蠕变强度的数据目前已经限制了蒸汽温度进一步增加到625℃以上[1]。

除了高蠕变强度要求的制约，9%-12%可用马氏体铬钢的运用也被其高温抗腐蚀性所限制。新型VM12-SHC钢包涵在内，它被作为锅炉管道用于连接奥氏体钢。

本文只涉及新管道焊接以及目前用于德国和欧洲新电站项目的管道钢的焊接。由于本报告的篇幅限制，我们必须参考关于母材的详细信息在资料[2]到[8]。

1、贝氏体和马氏体材料的新型高温焊材的发展

在对新型钢的执行要求中，同样也有对于焊材的要求。所以，开发有足够的蠕变特性的焊材也很重要。接下来，介绍马氏体钢P92和VM12-SHC的焊材的常规工艺GTAW，SMAW和SAW。表1描述了母材P92和VM12-SHC的化学成份和机械性能。

2、P92马氏体材料匹配焊材

提高蒸汽参数以满足更高的热效率意味着必须满足更高的符合使用意图的材料和相关属性的要求。然而，很明显，焊材制造商已经可以证明在使用新型钢时他们的焊材有足够的蠕变特性。此外，室温下良好的韧性使得在压力测试中节省水加热所产生的成本。

总的来说，马氏体焊材的韧性明显比铁素体和贝氏体焊材的韧性低。焊缝金属的要求至少要符合母材的要求，并且在室温下，至少要达到41J。较低的缺口冲击值可归因于马氏体结构合金中所含的C、Nb、V、N和W的含量。为了确保必要的蠕变强度，这些元素的存在是必要的，但是与此同时，这些元素含量越高越会越削弱焊缝金属的韧性。

这些化学元素对韧性的负面影响主要是由于相对于母材来说焊缝金属的镍含量的增加。当母材P92的镍含量≤0.4%，则焊缝金属的镍含量上限可达到1%，焊缝金属的铌含量减少到最小0.04%。同时，焊缝金属的锰含量必须调整到符合规定的Mn+Ni≤1.5%。锰和镍对低临界点Ac1b上都有影响。焊缝金属的分析在某种程度上是成立的，所以铁素体含量要小于1%。

在焊接马氏体母材时必须精通对于温度范围的控制，也就是200℃到300℃的温度范围。由于马氏体的结构，在焊接和热处理过程中，必须非常仔细地控制温度。

焊后热处理760℃/2h，焊缝金属马氏体的硬度大约是250HV10。焊后(热处理前)，焊缝金属的硬度大约是400HV10。晶间应力腐蚀断裂的危险在温弯工艺或焊接P92后明显减小。同时，冷裂的风险也相应减小，使得低应力构件在焊后能直接冷却至室温。然而，焊管必须保持干燥并且在无弯曲应力状态下保存。

正如前面所述，电站经营者及监管机构都高度重视所用焊材的最大可能韧性。然而，从冶金学范围的可能性来看，马氏体金属并不足够广泛到能使电极焊或埋弧焊的熔敷金属缺口冲击值明显高于41J的水平。由于范围的限制，这些焊缝金属的韧性可以被焊接参数的选择以及焊后热处理的条件所影响。在这里最重要的是，焊接接头冷却到马氏体形成温度以下后再进行一次回火热处理。

匹配P92的焊缝金属马氏体形成温度大约是150℃，因此焊缝至少冷却到100℃。防止氢至冷裂纹的有效方法是后热处理(250-300℃保温2-3小时)

图1显示了在焊接和热处理中热循环的示意图。通过焊接薄层，韧性可以被整体的提升。单层焊道越薄，回火效果效果越好。

在埋弧焊中特别需要注意这一点。

图2显示了匹配P92的焊缝金属在热处理条件下缺口冲击值的走势。

在焊缝金属开发和评定措施的范围内，需要焊接不同的管道接头，图2和图3归纳了工艺评定试验的结果

推荐埋弧焊焊缝金属都采用焊后热处理温度760℃并至少持续4小时。

母材为P92的技术数据单中规定了热处理的温度范围在730℃到780℃之间。并且，可以确定的是焊缝金属在760℃热处理时，其经济合理的热处理时间是2-4小时(同样参考图4)

3、新型马氏体材料12%Cr-VM12-SHC的匹配焊材

母材P92仅应用于温度最高为620℃，这是因为在更高的温度上材料韧性不足。在这种情况下，必须使用含更高铬的材料。欧洲研究计划“COST536”目前由Vallourec & Mannesmann优化了包括温度在达到650℃应用的12% Cr(VM12)钢。

伯乐焊接集团也专心研究了这一项目，并开发了与VM12 –SHC相匹配的焊材。

出色的韧性表现是因为目前要求的最小值小于27J。然而，在焊接过程中合理操作和注意是必要的(仅低热输入，正确选择电极直径，合适的焊道尺寸，等等)。热处理应该在770℃的温度上进行，因为良好的韧性值不能在更低的温度的下得到保证。焊缝金属和母材的Ac1b转变温度为800℃。表4显示了GTAW 和SMAW全熔敷金属的结果。

相较于厚壁部件母材的不断发展，这种材料的全范围尺寸将被用于新型电站项目，最大厚度为10mm。这种以VM12-SHC命名的管材壁的最大评定厚度为10mm，焊接工艺为GTAW和SMAW。表5包括了焊接工艺评定的结果。GTAW工艺的焊后热处理只需要30分钟，可视为最低时限。SMAW焊接工艺规定焊后热处理时间至少2小时。

图3展示了焊接和焊后热处理的热循环示意。通过焊接薄层，韧性可以全面提高。单层焊接越薄，回火效果效果越好。在埋弧焊是特别要注意这一点。

4、马氏体焊材蠕变断裂测试

蠕变断裂测试是在600℃，在625℃和650℃范围内对P92的匹配焊材进行的测试。蠕变特征由SMAW和SAW的全熔敷金属以及P92管焊缝决定。

P92焊接头最长的测试时间超过60000小时。

在P92的接头测试中，当在600℃进行试验时，断裂起点分布在母材上。与之相比，在更高温下试验时，断裂起点部分分布在母材上部分分布在焊缝金属和热影响区，而在长时间测试时，蠕变断裂起点发生在HAZ内。当在650℃条件下试验时，断裂全部发生在热影响区。

5、总结

本文的目的是关注现代电站材料的发展。这些材料对现有电站的优化以及增强蒸汽参数的新型电站都有重要的经济意义。对于温度甚至高于620℃的马氏体钢用于电站的尝试，产生了一个包括多于15个欧洲国家自动组成的欧洲研究计划“COST536”。

就目前而言，硼钴合金钢是发展的前沿。材料中铬含量增加到大约11%-15%是为了保证在高温条件下优越的抗腐蚀性。其他关于合金的修改，特别是关于合金价格的提高，目前正在研究当中。与这些钢材相匹配的焊材的开发正在同步进行。

650℃长期运行条件下，在可能的最短热处理时间条件下的得到焊缝金属的优越的强度和韧性之间寻找最佳的平衡点一直是一个挑战。

P92熔敷金属和焊件测试结果已经超过了60000小时，一些测试正在进行中。另外，VM12-SHC焊件测试以及淬火和回火的P92焊件测试也正在进行。