P92 鋼的焊接工藝介紹

王興剛

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)東北電力第一工程公司，遼寧 鐵嶺 112000)

P92 鋼的焊接工藝介紹

王興剛

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)東北電力第一工程公司，遼寧 鐵嶺 112000)

介紹了P92鋼的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度、時(shí)效性能及抗氧化性等理化特性，指出P92鋼鐵焊接的常見問題，結(jié)合實(shí)際工作條件介紹了鎢極氬弧焊(TIG)和手工電弧焊(SMAW)的現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝和技術(shù)措施，并提出了在焊接過程中的注意事項(xiàng)。

P92鋼；焊接工藝；鎢極氬弧焊；手工電弧焊

1 P92鋼的理化特性

P92鋼是新型鐵素體耐熱鋼，是在P91鋼的基礎(chǔ)上研究開發(fā)的，日本鋼號(hào)為NF616，于1995年和1996年分別列入了美國(guó)ASTM和ASME標(biāo)準(zhǔn)，表示為A335P92和SA335P92。與P91鋼相比，P92鋼加入1.5 %～2.0 %的W，并將Mo含量降至0.3 %～0.6 %，以調(diào)整鐵素體-奧氏體元素之間的平衡，還加入微量合金元素B，其化學(xué)成分如表1所示。

1.1 高溫蠕變斷裂強(qiáng)度

從新日本制鐵公司P92鋼的蠕變斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：P92鋼在550 ℃、600 ℃、625 ℃下105 h的蠕變斷裂強(qiáng)度分別為199 MPa、131 MPa和101 MPa；P91鋼在相應(yīng)溫度下的蠕變斷裂強(qiáng)度分別為141 MPa、98 MPa和68 MPa。與P91鋼相比，P92鋼的高溫蠕變強(qiáng)度有明顯的提高。

1.2 時(shí)效性能

在開發(fā)和試用過程中，P92鋼均具有時(shí)效傾向，時(shí)效傾向發(fā)生在550～650 ℃鋼材的工作溫度范圍。在3 000 h時(shí)效前，P92鋼韌度下降了許多，其沖擊功從時(shí)效前的220 J約降至70 J；在3 000 h時(shí)效后，P92鋼韌度下降趨勢(shì)平緩，其沖擊功下降傾向不明顯，穩(wěn)定在時(shí)效3 000 h時(shí)的水平。

1.3 抗氧化性能

P92鋼與P91鋼在600 ℃、700 ℃下3 000 h的水蒸汽氧化皮厚度大致相同，可認(rèn)定2者具有相同的抗氧化性能。

2 P92鋼的熔敷金屬性能

限制熔敷金屬成分中Si、Mo、W的含量，有利于限制金屬的時(shí)效傾向，也有利于防止出現(xiàn)δ鐵素體。但為保證焊縫金屬的高溫性能，必須將W含量保持在1.8 %左右，M含量限制在0.5 %左右，Si含量不低于0.2 %(電弧焊)。因此，難以通過限制Si、Mo、W的含量來限制時(shí)效傾向和防止出現(xiàn)δ鐵素體。為防止出現(xiàn)δ鐵素體，可適當(dāng)增加奧氏體化元素。若P92鋼母材為單一馬氏體組織，則熔敷金屬在正常的工藝條件下就不會(huì)出現(xiàn)δ鐵素體。

表1 P92鋼化學(xué)成分wt%

3 P92鋼的焊接問題

3.1 焊接接頭脆化

在焊接過程中，焊縫金屬?gòu)母邷厝廴跔顟B(tài)冷卻形成固態(tài)鑄造組織，即熔池從高溫快速冷卻凝固，Nb、V等微合金化元素仍大量固溶在金屬中，形成固溶強(qiáng)化，降低了焊縫韌性，而W加劇了焊縫金屬韌性的降低傾向。

3.2 熱影響區(qū)軟化

在焊接過程中，P92鋼的熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)和臨界區(qū)將產(chǎn)生軟化。焊接接頭熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)和臨界區(qū)在焊接熱循環(huán)下承受的溫度均高于Ac1溫度(Ac1表示鋼在加熱時(shí)開始形成奧氏體的溫度)。處于此溫度區(qū)間的金屬部分奧氏體化，沉淀強(qiáng)化相不能夠完全溶解在奧氏體中，未溶解的沉淀強(qiáng)壓相在隨后熱循環(huán)下發(fā)生粗化，降低了該區(qū)域的強(qiáng)度。軟化主要影響高溫持久性能，軟化區(qū)在長(zhǎng)期高溫運(yùn)行后易產(chǎn)生裂紋。

3.3 冷裂紋

在焊后冷卻過程中，在Ms點(diǎn)以下或更低溫度范圍內(nèi)可形成冷裂紋(Ms表示馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度)。P92鋼作為鐵素體耐熱鋼，焊接殘余應(yīng)力較大，焊接熱循環(huán)條件下冷卻速度控制不當(dāng)易形成馬氏體組織。焊接接頭剛度過大或氫含量未得到嚴(yán)格控制時(shí)，都有可能產(chǎn)生冷裂紋。

4 P92鋼的焊接準(zhǔn)備

4.1 設(shè)備、方法及工具

(1) 焊接設(shè)備：電焊機(jī)，ZX7-400STG(奧太逆變式弧焊電源Ⅲ)；熱處理機(jī)，XDJW-D型-480 kW (24路)；角向磨光機(jī)，Φ100～Φ125；遠(yuǎn)紅外或激光測(cè)溫儀，INFRARED THERMOMETER AR862A；數(shù)字鉗形表，BM821。

(2) 焊接方法：TIG/SMAW；電源極性：鎢極氬弧焊(TIG)直流正接，手工電弧焊(SMAW)直流反接。

(3) 工具：鋼絲刷、榔頭、鏨子等。

4.2 焊接材料

(1) TIG：Thermanit MTS 616，規(guī)格為Φ2.4；SMAW：Thermanit MTS 616，規(guī)格為Φ2.5及Φ3.2。

(2) 焊絲：焊前除掉焊絲表面臟物，使其重現(xiàn)金屬光澤；焊條：焊前在300～350 ℃經(jīng)2 h烘干后，置入約100 ℃的保溫筒中。

(3) 焊條放入通電的保溫筒中，以便隨取隨用。

4.3 焊接工藝要求

4.3.1 焊前準(zhǔn)備與清理

(1) 焊工應(yīng)通過P91鋼管考試，并經(jīng)使用P92鋼焊接材料進(jìn)行焊前練習(xí)，以掌握焊材、母材及焊機(jī)性能與焊接工藝規(guī)范。

(2) 焊接前，用角向磨光機(jī)打磨管件坡口附近及其內(nèi)外壁15～20 mm，使其重現(xiàn)金屬光澤。

4.3.2 對(duì)口裝配及點(diǎn)固焊

(1) 試件對(duì)口錯(cuò)邊量≤1.0 mm。

(2) 采用點(diǎn)焊騎馬板進(jìn)行點(diǎn)固焊，騎馬板可選用Q235或16Mn鋼，在其表面用與母材匹配的Thermanit MTS 616焊條進(jìn)行堆焊。

(3) 點(diǎn)固焊前加熱點(diǎn)固焊區(qū)100～150 mm范圍到250～300 ℃，選用與正常焊接相同的焊材及工藝施焊，焊接電流宜增大10～15 A。

(4) 點(diǎn)固焊電弧偏向“騎馬板”側(cè)，盡量減少對(duì)母材的損傷。

(5) 焊接到“騎馬板”時(shí)，應(yīng)用機(jī)械方法將其去除(不得強(qiáng)力去除)，用角磨機(jī)將點(diǎn)固焊焊縫處打磨平整，不得留有焊疤等痕跡。經(jīng)肉眼或低倍放大鏡觀察，確認(rèn)無裂紋等缺陷后，方可繼續(xù)焊接。

(6) 在點(diǎn)固焊及正常施焊過程中，不得在管子表面試電流、亂引弧。仔細(xì)檢查坡口的鈍邊，確保鈍邊不超過2 mm，控制好對(duì)口間隙在3～4 mm。

5 焊前預(yù)熱及層間溫度

(1) 用電腦控制加熱器進(jìn)行電阻加熱，焊前用遠(yuǎn)紅外履帶式加熱片整圈加熱試件長(zhǎng)度。在管外側(cè)在坡口外側(cè)對(duì)稱點(diǎn)焊4個(gè)熱電偶，焊接試件時(shí)坡口邊緣約留15～20 mm不覆蓋加熱片，預(yù)熱及層間溫度工藝曲線如圖1所示。

圖1 焊前預(yù)熱及層間溫度工藝曲線

(2) 加熱至工藝規(guī)定的預(yù)熱溫度后保溫一定時(shí)間，使試件內(nèi)外壁溫差小于20～30 ℃。

(3) 熱處理機(jī)溫度表顯示溫度須用激光測(cè)溫儀再次確認(rèn)，熱處理機(jī)溫度儀、熱電偶應(yīng)在標(biāo)定期限內(nèi)，旦其誤差符合DL/T819—2002《火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定。

(4) 焊接過程低于或高于層間溫度時(shí)，應(yīng)立即停焊，待到規(guī)定溫度后方可繼續(xù)施焊。

6 焊接工藝及工藝規(guī)范

6.1 TIG焊接工藝

6.1.1 TIG打底焊

TIG打底焊應(yīng)焊2層，焊層厚度為2.5 mm≤δws≤3.0 mm，TIG打底焊的工藝參數(shù)如表2所示。

表2 TIG打底焊接工藝參數(shù)

6.1.2 氬弧焊管內(nèi)充氬氣保護(hù)

采用堵板封閉兩端，并在一側(cè)堵板上開孔(或坡口處)通入氬氣。焊縫內(nèi)側(cè)對(duì)應(yīng)周向針孔狀出氣孔，使氬氣能夠均勻逸出形成氣室，保證充氬效果。TIG及SMAW第1層管內(nèi)均應(yīng)充氬氣保護(hù)，氬氣純度≥99.99 %。

6.1.3 氬弧焊打底操作技術(shù)

(1) 開始施焊前，以低于100 ℃/h的升溫速度加熱至預(yù)熱溫度150 ℃，并至少保持預(yù)熱溫度30 min后方可焊接。

(2) 對(duì)管內(nèi)充氬氣，且氬氣流量為30 L/min。打底前確認(rèn)保護(hù)氣體輸入正常，并將管內(nèi)空氣排凈。充氬氣10 min后，將氬氣流量調(diào)節(jié)至25 L/min，采用2人對(duì)稱焊接根部。

(3) 焊接操作先引弧稍拉長(zhǎng)電弧預(yù)熱母材，當(dāng)形成熔池后立即填絲。引弧時(shí)應(yīng)提前1.5～4 s輸送氬氣，排除氬氣輸送皮管內(nèi)及焊口處的空氣；熄弧后，應(yīng)適當(dāng)延時(shí)5～15 s關(guān)閉，以保護(hù)仍處在高溫狀態(tài)下的溶池，減小焊縫表面的氧化。

(4) 氬弧焊打底至少2層，每層厚度應(yīng)為3 mm，層間溫度可以控制在150～200 ℃。打底持續(xù)時(shí)間內(nèi)，需保證內(nèi)壁充氣不中斷。為防止產(chǎn)生裂紋，始焊處速度不宜過快，并多填充焊絲，使焊縫加厚。在氬弧焊打底焊過程中，須及時(shí)檢查，保證打底焊縫無內(nèi)凹、未熔合、夾鎢、焊瘤等缺陷，若發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔或其他焊接缺陷，應(yīng)將其徹底鏟除后重新施焊。

打底時(shí)不能靠送絲的力量來突出根部，熔滴過渡依靠自身的表面張力和重力自然地融入熔池，并注意根部焊縫背面的成型情況。收弧時(shí)應(yīng)注意電流的衰減速度，填滿弧坑防止產(chǎn)生裂紋。

6.2 SMAW焊接工藝

6.2.1 工藝參數(shù)確定原則

應(yīng)嚴(yán)格控制SMAW焊層厚度小于3 mm，單道焊縫寬度不超過焊條直徑的3倍，焊接線能量小于20 kJ/cm。SMAW焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 SMAW焊接工藝參數(shù)

6.2.2 清理與檢查

每焊完一層后，應(yīng)用角磨機(jī)徹底清理焊縫上的藥皮熔渣，特別是中間接頭及坡口邊緣位置。清理完成且檢查無缺陷后，才能繼續(xù)焊下一層。

6.2.3 焊接操作技術(shù)

(1) 多層多道焊采用2人對(duì)稱施焊，以減少焊接應(yīng)力與變形。氬弧焊打底的根層焊縫檢查合格后，及時(shí)升溫至200 ℃并恒溫一定時(shí)間，使管內(nèi)外壁溫差小于20～30 ℃后進(jìn)行SMAW施焊。電焊第1道采用直徑為2.5 mm的焊條及小電流，以防止打底層擊穿。為防止根部氧化，進(jìn)行第1層手工電弧焊時(shí)應(yīng)保證內(nèi)壁充氣不中斷。

(2) 焊接到塞塊時(shí)，應(yīng)將塞塊除掉，用角向磨光機(jī)或電磨將點(diǎn)焊縫徹底清除。經(jīng)肉眼或放大鏡檢查確認(rèn)無裂紋等缺陷后，方可繼續(xù)焊接。焊接時(shí)需注意焊條角度、焊接電流參數(shù)是否正確，且2人不得同時(shí)在一處收尾，以免局部溫度過高影響施焊質(zhì)量，焊接中應(yīng)將每層焊道接頭錯(cuò)開10～15 mm，收弧應(yīng)平滑，便于清渣和避免出現(xiàn)“死角”。

(3) 要仔細(xì)觀察熔化狀態(tài)，注意熔池和收尾接頭質(zhì)量，收弧應(yīng)采用電流衰減法，避免出現(xiàn)弧坑裂紋。焊縫整體焊接完畢，應(yīng)將焊縫表面藥皮熔渣、飛濺清理干凈。為避免不必要的熱過程和工序停頓，免去電弧焊部分焊至20 mm厚度時(shí)中間探傷，焊口一次連續(xù)完成。P92管道焊接采用多層多道焊，水平固定位置蓋面層的焊縫每層至少焊4道，且中間應(yīng)有“退火焊道”。

7 焊后熱處理

7.1 加熱方法及設(shè)備

采用遠(yuǎn)紅外履帶式加熱片，加熱設(shè)備選用XDJW-D型電腦控制自動(dòng)電熱器及接觸式熱電偶，同時(shí)配合激光(遠(yuǎn)紅外)測(cè)溫儀：INFRARED THERMOMETER AR862A。

7.2 加熱寬度

施焊結(jié)束，將焊縫兩側(cè)的加熱片向焊縫中心方向移動(dòng)，使其緊密接觸并用石棉絨保溫，方便進(jìn)行冷卻至100 ℃及焊后熱處理工藝。

7.3 測(cè)溫點(diǎn)布置與熱電偶點(diǎn)固

為保證熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線布置合理可靠，熱電偶絲壓焊牢固。補(bǔ)償導(dǎo)線的型號(hào)與熱電偶相匹配并調(diào)整極性。

加熱時(shí)測(cè)溫點(diǎn)布置在坡口邊緣3(9)，6，12點(diǎn)，接觸式熱電偶與管壁點(diǎn)焊良好，避免與加熱片直接接觸，熱電偶外側(cè)與坡口邊緣距離不大于15 mm。

焊后熱處理時(shí)，熱電偶點(diǎn)焊在焊縫寬度中心。采用配套的儲(chǔ)能式焊偶儀將其直接壓焊在焊縫(管道)外表面，焊縫(表面)用砂皮、磨光機(jī)等進(jìn)行打磨，除去油污、氧化層等，形成一小塊平整光滑的表面，并露出金屬光澤。焊完后，通過輕拽熱偶絲來檢查結(jié)點(diǎn)是否焊接可靠。距離測(cè)量結(jié)點(diǎn)50 mm范圍內(nèi)的熱電偶絲需用厚2 mm以上的隔熱材料覆蓋，以避免熱量從加熱器沿著熱電偶絲向結(jié)點(diǎn)傳遞；同時(shí)應(yīng)固定可靠，避免在安裝加熱器時(shí)碰落或移位。除與測(cè)量結(jié)點(diǎn)外，熱電偶絲與其他(如管壁)導(dǎo)體及相互間均需絕緣。熱電偶拆卸熱處理結(jié)束后，剪斷熱電偶絲，用磨光機(jī)輕輕磨去結(jié)點(diǎn)，然后進(jìn)行目視和滲透檢查。熱電偶固定采用專用儲(chǔ)能點(diǎn)焊機(jī)，安裝時(shí)保證熱電偶的熱端與焊件接觸良好，熱處理結(jié)束后將點(diǎn)焊處打磨干凈。

7.4 焊后熱處理工藝曲線

冷卻至100 ℃后，保證有足夠的時(shí)間使焊縫金屬完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。在控制冷卻速度的情況下，保證不少于2 h的恒溫時(shí)間，再升溫進(jìn)行(760±5)℃高溫回火處理，如圖2所示。

圖2 試件焊接及焊后熱處理工藝曲線

焊后不能按規(guī)定及時(shí)進(jìn)行熱處理的管道，應(yīng)冷卻至100 ℃恒溫2 h后立即加熱到規(guī)定溫度進(jìn)行后熱(消氫)處理。后熱處理規(guī)范為：加熱到350 ℃且保溫2 h。

8 焊接中關(guān)注的事項(xiàng)

(1) 焊口在焊接過程中被迫中斷時(shí)，應(yīng)將焊縫用保棉面覆蓋，并在中斷過程中將熱處理機(jī)恒定在250 ℃，直至重新開始焊接。

(2) 中斷后再開始焊接前，應(yīng)仔細(xì)檢查并確認(rèn)焊口無裂紋后，方可按照工藝要求繼續(xù)施焊。

(3) 發(fā)生中途停電或熱處理設(shè)備故障時(shí)，要及時(shí)作出反應(yīng)并立即向負(fù)責(zé)工程師報(bào)告。

(4) 在焊接或焊后熱處理過程中，由于意外而被迫中斷時(shí)，除了采取保溫和恢復(fù)供電的應(yīng)急措施外，焊接現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)有專人監(jiān)護(hù)。

2014-09-10。

王興剛(1978-)，男，工程師，主要從事電廠焊接工地管理及維護(hù)工作，email：904113715@qq.com。