A335Gr.P91鋼的焊接工藝方法

劉思賢

中國(guó)化學(xué)工程集團(tuán)公司中國(guó)化學(xué)工程第十一建設(shè)有限公司 河南開封 475002

A335Gr.P91鋼的焊接工藝方法

劉思賢

中國(guó)化學(xué)工程集團(tuán)公司中國(guó)化學(xué)工程第十一建設(shè)有限公司 河南開封 475002

針對(duì)A335 Gr.P91鋼的特點(diǎn)，結(jié)合筆者的現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，論述了A335 Gr.P91鋼的焊接工藝的操作方法，并對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的焊接管理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)說(shuō)明。

A335 Gr.P91鋼 焊接工藝 焊前預(yù)熱 焊后熱處理

由我公司負(fù)責(zé)承建的阿爾及利亞TERGA 3×400MW燃?xì)怆娬镜闹髡羝艿啦馁|(zhì)選用了A335 Gr.P91鋼。主蒸汽管道要求滿足耐高溫的條件，制造安裝執(zhí)行ASME標(biāo)準(zhǔn)，工作量大，焊接質(zhì)量要求高，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 超高壓蒸氣管道具體參數(shù)

A335 Gr.P91鋼屬于改進(jìn)型的9Cr-1Mo鋼，具有較好的耐熱性和抗氧化性，但焊接難度較大，在焊接過(guò)程中容易引起硬化和脆化，易產(chǎn)生冷裂紋。為了保證此類材質(zhì)管道的焊接質(zhì)量，在P91管道開始施工前首先按照ASME規(guī)范第Ⅸ卷用φ355.60×38.10的P91管道完成了PQR，并得到了阿爾及利亞國(guó)家質(zhì)量部門的簽字認(rèn)可。在焊前根據(jù)PQR制定了切實(shí)可行的焊接工藝，并在焊工施焊時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行。筆者根據(jù)自己的現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)本文從A335 Gr.P91鋼的焊接性、焊接工藝制定、實(shí)施和焊接管理等幾個(gè)方面闡述A335 Gr.P91的焊接工藝。

1 焊接性分析

1.1 化學(xué)成分和力學(xué)性能

A335 Gr.P91的化學(xué)成分見(jiàn)表2，力學(xué)性能見(jiàn)表3。

1.2 合金元素對(duì)焊縫的影響

合金元素是影響焊縫質(zhì)量的主要因素：

表2 A335 Gr.P91的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表3 A335 Gr.P91的力學(xué)性能

（1）碳是影響鋼材強(qiáng)度的重要元素，較高的碳含量能提高鋼的強(qiáng)度和耐磨性，導(dǎo)致鋼的耐腐蝕和焊接性能下降，而且與碳化物形成元素（如Mo）結(jié)合，在晶界上形成粗大的碳化物。

（2）鉬是提高鋼的熱強(qiáng)度最有效的合金元素，能夠強(qiáng)烈地提高鋼中鐵素體對(duì)蠕變的抗力。由于形成特殊的碳化物，可以提高在高溫高壓下抗氫侵蝕的能力。

（3）鉻可以提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，隨著鉻含量的增加，鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度也進(jìn)一步提高，沖擊值隨鉻含量的增加而下降。由于不平衡的加熱和冷卻，晶界可能產(chǎn)生偏析產(chǎn)物，從而增加熱裂紋傾向。

2 焊接工藝

2.1 焊接方法及焊材的選擇

（1）根據(jù)PQR制定焊接工藝是焊接的關(guān)鍵，除考慮焊接性外，還得結(jié)合具體的生產(chǎn)條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行選擇，一般采用鎢極氬弧焊打底（ 兩遍），焊條電弧焊填充及蓋面。鎢極氬弧焊熱輸入和過(guò)熱區(qū)小，高溫停留時(shí)間短，冷卻速度快，適合A335 Gr.P91材料的特點(diǎn)。

（2）焊材選擇：焊條/焊絲牌號(hào)E9015-B9/ER90S-B9。焊材的化學(xué)成分見(jiàn)表4，力學(xué)性能見(jiàn)表5。

表4 焊材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表5 焊材的力學(xué)性能

2.2 焊前準(zhǔn)備

坡口制備采用機(jī)械加工的方法，加工雙V形坡口并保證坡口的鈍邊厚度為1.6±0.8mm，對(duì)坡口表面進(jìn)行滲透檢測(cè)，不得有裂紋和夾層等缺陷。

對(duì)口間隙為3±1mm，焊前應(yīng)徹底清除坡口及其內(nèi)外表面20mm范圍的油污、鐵銹、油漆、水跡、污垢、氧化皮及其他對(duì)焊接有害的物質(zhì)，并用砂輪機(jī)打磨直至露出金屬光澤。要求焊絲的表面保證無(wú)銹蝕和油污，焊前需用丙酮溶劑清洗焊絲表面并及時(shí)使用，剩余焊絲下次使用前應(yīng)重新清洗。

氬弧焊焊接時(shí)背面需要充氬保護(hù)，以避免焊縫根部氧化。根據(jù)要求，保護(hù)氣體氬氣純度要≥99.99%。因現(xiàn)場(chǎng)管道口徑都在4口寸以上，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法采取專用充氬裝置，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出，可采用耐300～400℃高溫的硬紙板配合耐溫膠布等材料在焊口附150～200mm形成密閉氣室，利用對(duì)口間隙將細(xì)長(zhǎng)銅管或不銹鋼管敲扁后通過(guò)坡口伸進(jìn)焊接區(qū)域，進(jìn)行充氣保護(hù)。

2.3 焊前預(yù)熱

A335 Gr.P91材質(zhì)管道焊接時(shí)必須預(yù)熱，預(yù)熱溫度為GTAW(150～200℃) 、SMAW(200～250℃)，最高層間溫度不超過(guò)300℃。預(yù)熱方式采用電加熱，預(yù)熱范圍以對(duì)口中心線為基準(zhǔn)，兩側(cè)各不小于3倍壁厚，且≥100mm。用熱電偶及紅外線測(cè)溫儀測(cè)溫，熱電偶對(duì)稱布置，熱電偶與管件應(yīng)接觸良好。

2.4 焊接操作工藝

大口徑管道采用兩人對(duì)稱焊接，打底焊采用內(nèi)填絲法。氬弧焊打底時(shí)采用高頻引弧、衰減收弧，氬弧焊電流為93～125A。氬弧焊打底前先預(yù)熱到150～200℃，打底時(shí)焊接速度不宜太快，焊層厚度≥3mm。氬氣流量正面為8～12L/min；背面第一遍打底時(shí)為10～25L/min，第二遍氬弧焊時(shí)流量為3～8L/min。氬弧焊打底應(yīng)焊兩遍，目的是防止電焊擊穿打底層，造成根部氧化。打底完成后，要對(duì)打底焊縫進(jìn)行100%的著色檢查，防止細(xì)小裂紋的存在。檢查合格后，把焊縫清理干凈，將預(yù)熱溫度升至200～250℃，開始焊條電弧焊，采用直流反接法、兩人對(duì)稱焊接。第三、四層電弧焊，采用φ3.2mm焊條，電流為90～110A。在保證熔化良好的前提下，盡量減小焊接電流，嚴(yán)防燒穿底層。中間層采用φ4.0mm焊條，電流為120～150A，各層接頭應(yīng)互相錯(cuò)開，焊工要加強(qiáng)層間清理，嚴(yán)防焊縫夾渣。采用多層多道焊，各焊道的單層厚度約3.5mm，單焊道的擺動(dòng)寬度≤3倍焊條直徑，具體參數(shù)見(jiàn)表6。由于E9015-B9焊條的脫渣性能較差，每層焊道需清理干凈，尤其注意清理接頭及焊道兩側(cè)。

焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按焊接工藝及參數(shù)進(jìn)行，嚴(yán)禁在坡口之外的母材表面引弧和試驗(yàn)電流，并應(yīng)防止電弧擦傷母材。焊縫寬度以每邊蓋過(guò)坡口2mm為宜，焊縫余高為0～3mm。

2.5 焊后熱處理

焊后熱處理設(shè)備為智能型溫度程序控制箱WCK-360-1212，焊后熱處理方法為電加熱法，焊后熱處理溫度為745～775℃，測(cè)溫方法為熱電偶，焊后熱處理加熱范圍為以焊縫中心為基準(zhǔn)，每側(cè)在焊縫寬度的3倍以上，且≥25mm，加熱應(yīng)均勻。保溫寬度為加熱寬度及其以外100mm范圍。

熱處理曲線：熱處理時(shí)應(yīng)用熱處理自動(dòng)記錄儀記錄熱處理曲線。熱處理在焊后立即進(jìn)行，熱處理工藝見(jiàn)圖1，焊后熱處理之前，必須將焊道冷卻到120℃，恒溫2h使殘余奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體再進(jìn)行退火處理。

2.6 射線，硬度和光譜檢驗(yàn)

熱處理完畢后按比例要進(jìn)行無(wú)損探傷。由于P91鋼對(duì)預(yù)熱要求的特殊性，盡量不進(jìn)行中間探傷。探傷合格后進(jìn)行表面磁粉檢測(cè)、金相及硬度檢驗(yàn)。硬度測(cè)定的部位為焊縫區(qū)和熱影響區(qū)，每個(gè)部位測(cè)定不少于3點(diǎn)。

表6 焊接參數(shù)

2.7 焊縫返修

（1）焊接接頭外觀檢查不符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，輕者打磨焊補(bǔ)，嚴(yán)重者應(yīng)割掉重新焊接。

（2）經(jīng)無(wú)損檢驗(yàn)不合格的焊接接頭，其缺陷可進(jìn)行焊補(bǔ)，但必須在確認(rèn)缺陷已經(jīng)徹底消除的基礎(chǔ)上，按正常焊接工藝或焊補(bǔ)工藝規(guī)定進(jìn)行。

（3）返修焊補(bǔ)的焊接接頭，一般同一焊口不得超過(guò)2次，否則應(yīng)割掉重新對(duì)口焊接。

（4）返修焊補(bǔ)的焊接接頭，必須重新進(jìn)行焊后熱處理和無(wú)損檢驗(yàn)。

2.8 施工技術(shù)關(guān)鍵

（1）充氬裝置形成密閉氣室容積越小越好，需注意管道內(nèi)部氬氣充滿且穩(wěn)定后方可進(jìn)行根層焊接，以防止根層氧化。

（2）注意打底質(zhì)量，兩人對(duì)接焊時(shí)要相互幫助檢查。

（3）注意層間清理檢查，上層檢查合格后及時(shí)進(jìn)行次層焊接；焊接時(shí)注意兩側(cè)坡口及根部要熔合良好，避免未熔合缺陷的產(chǎn)生。

（4）注意接頭收弧質(zhì)量，在熔池邊緣處收弧，收弧時(shí)注意填加鐵液并要保證弧坑飽滿，以避免弧坑裂紋的產(chǎn)生，并注意接頭的打磨。

（5）焊接及熱處理時(shí)要謹(jǐn)防斷電，可采用備用電源的方式以防止出現(xiàn)焊口冷裂現(xiàn)象，需做好防風(fēng)和防雨措施。

（6）采用多層多道焊不僅可以控制焊接熱輸入，而且后層焊道對(duì)前層的熱處理能細(xì)化晶粒，改善接頭性能。

（7）A335 Gr.P91鋼在焊接過(guò)程中容易引起硬化和脆化，易產(chǎn)生冷裂紋，熱處理過(guò)程中易產(chǎn)生再熱裂紋，無(wú)損檢測(cè)應(yīng)在熱處理之后，以便發(fā)現(xiàn)焊道產(chǎn)生的再熱裂紋。

（8）熱處理時(shí)熱電偶一定要與焊道接觸良好，利用儲(chǔ)能焊機(jī)將熱電偶點(diǎn)焊在焊道上，保證熱處理設(shè)備儀表顯示的溫度與焊道熱處理的實(shí)際溫度相同。

3 焊接管理

（1）挑選焊接水平較高的熟練焊工參加P91母材的焊接培訓(xùn)取證，從中選取焊接質(zhì)量穩(wěn)定的焊工作為該裝置P91母材焊接的專門焊工。

（2）對(duì)所有施工人員（檢驗(yàn)員、管工、焊工、焊材保管員以及熱處理人員等）進(jìn)行詳細(xì)焊前技術(shù)交底，確保每名施工人員清楚各項(xiàng)技術(shù)要求及自身的職責(zé)。

（3）根據(jù)不同施工區(qū)域，設(shè)置專職焊接檢查員，由其每天對(duì)所管轄的作業(yè)點(diǎn)的每一道工序進(jìn)行確認(rèn)，如組對(duì)間隙、坡口清理、內(nèi)部充氬、預(yù)熱、層間及后熱溫度控制、層間清理、焊接參數(shù)、焊縫外觀質(zhì)量、熱處理過(guò)程控制及硬度檢測(cè)等。

（4）防止焊材用錯(cuò)，確保焊材使用的可追溯性，所有焊材統(tǒng)一管理，集中發(fā)放，為此推行了焊材領(lǐng)用卡制度，由焊工到技術(shù)員處開具焊材領(lǐng)用卡，焊工憑卡領(lǐng)用焊材，徹底改變了過(guò)去焊工要什么焊材，保管員發(fā)什么的不利現(xiàn)象。

（5）強(qiáng)化“ 三檢制度”，制訂、細(xì)化了各種專項(xiàng)施工記錄表格、檢查表格，確保施工的每一步都有檢查記錄。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采取上述措施，A335 Gr.P91鋼的焊接取得了很好的效果，焊縫外觀工藝質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量得到全面控制，射線檢測(cè)一次合格率為99.1%，熱處理后硬度檢測(cè)一次合格率為99.7%，為主蒸汽的安全運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保證，為我公司贏得了良好的聲譽(yù)。

1李志新.《P91鋼焊接工藝研究》，吉林大學(xué)，2007.10.

2宋仁明.《A335-P91鋼主蒸汽管道焊接技術(shù)》，青海電力，2007.1.

3朱志前.《P91超厚壁大徑管的焊接》，電焊機(jī)，2006.10.

4尹敏，陳滿乾，謝曉勇.《SA335P91鋼的焊接工藝研究》，安微理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.3.

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1672-9323（2011）01-0051-03

2010-01-06）