P91超厚壁大徑管道在電站鍋爐中的焊接分析及運用

李琪文 解天俊

[摘要]以P91鋼材焊接性能為依據(jù),從人機(jī)料法環(huán)方面分析P91超厚壁大徑管道現(xiàn)場焊接工藝并推廣應(yīng)用,對提高P91鋼材及管道焊接質(zhì)量提供參考。

[關(guān)鍵詞]P91超厚壁焊接分析

中圖分類號:TM8文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1110017-01

P91(9Cr-1MoVNb)鋼具有良好的高溫持久強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和高溫抗蠕變能力等綜合性能并在高參數(shù)電站鍋爐管道中廣泛應(yīng)用。云南滇東第二發(fā)電廠4×600MW機(jī)組鍋爐二級過熱器出口聯(lián)箱就是典型一例。該機(jī)組鍋爐由北京巴威公司生產(chǎn),出口聯(lián)箱直徑φ787.4mm、壁厚76.5mm,現(xiàn)場組裝焊口一道。

一、P91鋼焊接性能分析

(一)P91鋼對熱輸入?yún)?shù)的選擇較為敏感。焊接熱輸入?yún)?shù)包括焊前預(yù)熱溫度、層間溫度、焊接熱輸入量三方面的內(nèi)容。首先,當(dāng)預(yù)熱溫度在350～380℃時室溫沖擊值在28～50J;當(dāng)預(yù)熱溫度在250℃左右時,室溫沖擊值在60～100J;當(dāng)預(yù)熱溫度在100～150℃時,室溫沖擊值可以控制在標(biāo)準(zhǔn)值41J左右。其次是焊接熱輸入量也稱焊接線能量,其輸入值大于25J/cm時室溫沖擊值將達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)值。

(二)P91鋼對熱處理溫度控制的嚴(yán)格性。9Cr-1MoVNb鋼是多元素強(qiáng)化而成,合金元素含量較高,其理論AC1溫度在800～830℃之間。熱處理溫度為760±10℃,接近AC1下限溫度,若熱處理過程發(fā)生溫度控制偏差就可能超過AC1溫度。另一方面,為了獲得良好的工藝性能和塑韌性,在焊接材料中加入的鎳元素(屬擴(kuò)大奧氏體區(qū)元素)會降低焊縫的AC1溫度,使其接近熱處理溫度。當(dāng)熱處理溫度超過AC1溫度時室溫沖擊韌性急劇下降,室溫沖擊值甚至?xí)档?0J以下,從而使熱處理危險性加大。

(三)P91鋼對焊接材料選用的差異性較大。電力行業(yè)應(yīng)用P91鋼已經(jīng)多年,如英國曼徹特、德國蒂森、日本神鋼、法國薩福、瑞士奧林康、奧地利伯樂、國家電力建設(shè)研究生產(chǎn)的“科建牌”等。這些材料的AC1溫度差別很大,若焊接材料選用不當(dāng)焊接接頭很容易發(fā)生質(zhì)量問題。近年來上海電力修造總廠生產(chǎn)該鋼材的焊接材料也在廣泛推廣運用。

(四)P91鋼材產(chǎn)生冷裂紋的原因。冷裂紋是焊后緩冷至380℃及以下溫度過程在馬氏體轉(zhuǎn)變點附近產(chǎn)生的。主要原因:第一是在接頭母材近縫區(qū)會形成脆而硬的馬氏體組織,通過控制焊接熱循環(huán)避免產(chǎn)生粗大的馬氏體組織。第二是母材和焊接材料中含氫量越高越容易產(chǎn)生冷裂紋?？蛇x用低氫型焊材、控制母材坡口表面質(zhì)量或在焊后進(jìn)行消氫處理來降低產(chǎn)生冷裂紋的可能性。第三是焊接接頭由于強(qiáng)行對接產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和焊接應(yīng)力釋放。應(yīng)力越大,接頭產(chǎn)生裂紋的傾向和程度也越大。

結(jié)論:P91鋼材焊接性能差,焊接接頭、母材容易產(chǎn)生裂紋及脆化現(xiàn)象、熱處理溫度控制難度大等問題,若要獲得P91鋼材良好的焊接接頭質(zhì)量,可以從人、機(jī)、料、法、環(huán)等五個方面嚴(yán)格控制每道工序。

二、工藝評定(法、料)

工藝評定是驗證焊接工藝參數(shù)的正確性和指導(dǎo)現(xiàn)場焊接技術(shù)的措施性文件,是工程監(jiān)理重點監(jiān)控的技術(shù)資料,直接反映焊接技術(shù)水平。通過對國外的幾種焊材進(jìn)行優(yōu)化評定,選用英國曼徹特公司ER-90S焊絲和E9018-B9焊條,焊縫接頭質(zhì)量優(yōu)良、性能可靠。

三、焊接人員(人)

焊工是影響焊接質(zhì)量的重要因素,是焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵點。焊前必須嚴(yán)格按照工藝評定進(jìn)行培訓(xùn)、仿樣及實際操作,試樣合格方可實際施焊。

四、焊前準(zhǔn)備(機(jī)、料、環(huán))

1.措施制定。嚴(yán)格按照工藝評定要求編制焊接技術(shù)措施和作業(yè)指導(dǎo)書,施工前對焊工進(jìn)行交底,讓操作人員做到心中有數(shù)。

2.坡口制備及檢驗。安裝前用角向磨光機(jī)對坡口內(nèi)外壁30mm范圍內(nèi)的鐵銹、油污等雜質(zhì)打磨干凈,檢查坡口型式及角度是否符合設(shè)計要求。坡口進(jìn)行PT或MT檢驗。

3.P91不允許在管道表面焊接任何臨時構(gòu)件以減少裂紋產(chǎn)生的可能性。

4.根據(jù)焊接作業(yè)指導(dǎo)書,采用材質(zhì)為16Mn或20G的定位塊在坡口內(nèi)部預(yù)熱后點焊,待根部焊接完成后用磨光機(jī)將焊點打磨干凈并取出定位塊,檢查確認(rèn)無裂紋后方可進(jìn)行施焊。

5.焊接及熱處理兩個過程不能中斷,電源必須有保障,以防止焊口產(chǎn)生冷裂紋。

6.焊材入庫前應(yīng)仔細(xì)檢查外包裝是否完好,用光譜分析抽樣復(fù)查其材質(zhì)。焊條使用前嚴(yán)格按說明書要求進(jìn)行烘焙,使用保溫筒并維持焊材溫度在100～110℃之間。

7.焊機(jī)及焊接參數(shù)的選用。可以選用北京時代科技股份有限公司或成都熊谷電器工業(yè)有限公司生產(chǎn)的ZX7-400型逆變焊機(jī),在電流110-130A、電壓20-30V的參數(shù)情況下焊接。

8.在雨天、冬季或者風(fēng)速超過2米/秒等惡劣環(huán)境條件下,需要采取防護(hù)可靠措施。

五、工藝控制重點(法)

1.焊前預(yù)熱及層間溫度跟蹤。根據(jù)P91焊接性能的分析,必須嚴(yán)格控制焊前預(yù)熱溫度和焊縫層間溫度,TIG焊的預(yù)熱溫度選擇100～150℃,SMAW升溫至250～300℃,在整個焊接過程中,采用遠(yuǎn)紅外測溫儀監(jiān)控焊縫層間溫度。

2.充氬保護(hù)。P91鋼由于合金含量高,鐵水流動性差,根部易燒焦。氬氣能夠充分保護(hù)金屬熔池不被氧化、提高焊縫機(jī)械性能。焊接前根據(jù)現(xiàn)場實際制作一套簡易充氬裝置,在管道內(nèi)部形成氣室,可以確保焊接接頭質(zhì)量。

3.多層多道焊。P91鋼焊接要求小線能量輸入,采用多層多道焊即可以解決此問題。對前層的熱處理作用可起到細(xì)化晶粒、提高焊縫的沖擊韌性,且每層焊縫厚度越薄,后層對前層的熱處理作用越明顯,焊縫的沖擊韌性越高。在施焊過程中嚴(yán)格控制焊道寬度不得超過焊條直徑(焊條直徑最大選用φ3.2)的3倍,且每層厚度不超過焊條直徑。

4.焊縫層間清理。P91鐵水流動性差,很容易形成夾渣?，F(xiàn)場采用角向磨光機(jī)清理,不可使用榔頭、鏨子用勁敲擊,以免產(chǎn)生裂紋。

5.中間檢驗。根據(jù)《焊接規(guī)程》要求:壁厚大于70mm的焊口,必須進(jìn)行層間檢驗。當(dāng)焊縫厚度達(dá)到20～25mm時停止焊接,立即進(jìn)行保溫等后熱處理,待RT檢驗合格后連續(xù)施焊。

6.焊后熱處理。在焊接后接頭冷卻到100-120℃之間,立即進(jìn)行750-760℃恒溫4h的焊后熱處理。

六、結(jié)論

通過實際操作,工藝評定有效、工藝方法正確,人員培訓(xùn)得當(dāng),P91焊接接頭質(zhì)量無損檢測、硬度檢驗一次合格,冷態(tài)1.25倍汽包工作壓力水壓強(qiáng)度試驗無滲漏。經(jīng)推廣運用,現(xiàn)場所有T91小管道焊接質(zhì)量均為優(yōu)良,焊接工藝質(zhì)量贏得了業(yè)主和工程監(jiān)理單位的一致好評,對同類型材質(zhì)焊接工藝有一定參考和指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn):

[1]國家電力公司電源建設(shè)部,《T91/P91鋼焊接工藝導(dǎo)則》.