新型耐熱鋼主蒸汽SA335—P91鋼焊接工藝淺析

劉志晨

摘要：本文主要介紹了新型耐熱鋼SA335-P91鋼具有良好的高溫綜合性能，近十幾年來(lái)在我國(guó)大型發(fā)電站的主蒸汽管道中得到了廣泛應(yīng)用。通過(guò)我公司這幾年承接的300MW以上機(jī)組施工安裝過(guò)程中積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)和技術(shù)資料對(duì)P91鋼的焊接工藝方法進(jìn)行分析與探討。

關(guān)鍵詞：SA335-P91；主蒸汽管；焊接工藝；探討

引言

為了適應(yīng)我國(guó)大型、高效、環(huán)保型超（超）臨界火電燃煤機(jī)組建設(shè)發(fā)展的需要，火電機(jī)組正在向大容量、高參數(shù)、大型化發(fā)展。全球能源危機(jī)和人們環(huán)保意識(shí)的提高，加速發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)的超（超）臨界火電燃煤機(jī)組作為能源節(jié)約、保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略。

我公司開(kāi)展了針對(duì)主蒸汽管道P91鋼的焊接工藝的試驗(yàn)研究工作，對(duì)P91鋼的焊接性能，做了充分的研究和分析，制定了詳細(xì)的焊接工藝評(píng)定和熱處理工藝方案，通過(guò)主蒸汽管道P91鋼的評(píng)定工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)資料。依據(jù)評(píng)定方案進(jìn)行焊接施工的超（超）臨界火力機(jī)組主蒸汽管道P91鋼的焊接性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，為推動(dòng)超（超）臨界火電機(jī)組采用新型鋼做出了重大貢獻(xiàn)。

一、SA335-P91鋼焊接工藝原理：

SA335-P91鋼是在9Cr-1Mo鋼基礎(chǔ)上加入微量元素V、N、Nb等形成的變質(zhì)新鋼種。它是高合金馬氏體耐熱鋼，具有良好的抗氧化性，較好的耐高溫強(qiáng)度和耐硫化氫腐蝕性及具有較好的冷變形性能。

該鋼種由于C，P，S等元素含量低，純凈度高，并且具有高的韌性，焊接冷裂傾向相應(yīng)降低。但它的合金總含量已大于10%，可焊性相對(duì)是較差的，尤其焊接時(shí)具有強(qiáng)烈的脆硬敏感性。鑒此于，焊接前必須先做行之有效的焊接工藝評(píng)定，嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)工藝紀(jì)律才能保證P91鋼的焊縫質(zhì)量。

SA335-P91鋼具有優(yōu)良的常溫及高溫力學(xué)性能由于其良好的綜合性能，在火電站建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用，其使用溫度在500℃—650℃左右。SA335-P91鋼的化學(xué)成份和常溫機(jī)械性能如表1、2所示。

表1 P91鋼的主要化學(xué)成分（Wt%）

表2 P91鋼的常溫力學(xué)性能

P91鋼已列入ASEM 、JIS和GB標(biāo)準(zhǔn)中。P91鋼材盡管焊接性?xún)?yōu)于F11、F12鋼，但它的淬硬傾向仍然是大的，容易產(chǎn)生再熱裂紋和冷裂紋。

冷裂紋產(chǎn)生的因素有三個(gè)：一是P91鋼屬于空冷馬氏體鋼，在組織上有較大的冷裂敏感性；二是在焊后的馬氏體轉(zhuǎn)變中，氫以過(guò)飽和狀態(tài)殘留在馬氏體中，促使該區(qū)域進(jìn)一步脆化；三是由于焊后的馬氏體相變，使接頭處的組織應(yīng)力增大。這三個(gè)因素的共同作用，使P91鋼對(duì)冷裂紋較為敏感。因此，P91鋼焊接時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的措施。

二、SA335-P91焊接特性：

（一）焊接接頭在焊后狀態(tài)均為高硬度的不穩(wěn)定組織，焊后必須作相應(yīng)的熱處理。

（二）對(duì)焊接輸入熱量的控制要求比較高，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，采用較小的焊條直徑、比較低的層間溫度和較小的焊接線(xiàn)能量，沖擊韌性可以大大提高。

（三）在焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制焊件的層間溫度，使其保持在預(yù)熱溫度或更高的溫度是首要的任務(wù)。其次要十分注意從層間溫度冷卻至焊后熱處理開(kāi)始的時(shí)間間隔。

三、SA335-P91鋼焊接施工工藝流程及操作要點(diǎn)：

（一）施工工藝流程如下所示：

對(duì)口前檢查 →設(shè)置充氬裝置→對(duì)口檢查→點(diǎn)固前預(yù)熱→點(diǎn)固→焊前預(yù)熱→充氬→氬弧打底→層間焊接→蓋面焊接→焊后自檢、專(zhuān)檢→熱處理→金屬實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。

（二）焊前準(zhǔn)備及施工操作要點(diǎn)：

1、SA335-P91鋼焊接工藝采用：GTAW+SMAW；

2、焊接設(shè)備：ZX7—400ST型逆變焊機(jī)。

3、焊接材料：焊絲采用WCrMO91（型號(hào)ER90S-B9規(guī)格Ф2.4mm），焊條采用CROMOCORD9M（型號(hào)E9015-B9 規(guī)格Ф3.2mm、Ф4.0 mm）。

4、對(duì)口前檢查：坡口尺寸和對(duì)口間隙應(yīng)符合《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)范》（DL/T869-2004）。

5、坡口加工：坡口采用機(jī)械加工，坡口應(yīng)平滑均勻，尺寸符合要求，對(duì)口前需認(rèn)真檢查，發(fā)現(xiàn)不合格者必須用磨光機(jī)等工具修磨至合格。清理坡口內(nèi)外壁兩側(cè)15～20mm范圍內(nèi)的鐵銹、油污等污物，直至露出金屬光澤。

6、焊前預(yù)熱：采用電腦溫控設(shè)備，對(duì)焊口進(jìn)行跟蹤預(yù)熱，熱電偶對(duì)稱(chēng)布置，熱電偶與管件應(yīng)接觸良好，氬弧焊預(yù)熱溫度為100～150℃，焊條電弧焊預(yù)熱為200～300℃，預(yù)熱寬度從坡口中心每側(cè)不少于3倍的管壁厚計(jì)算。

表3 SA335-P91鋼焊接工藝參數(shù)表

7、施焊時(shí)按照焊接工藝參數(shù)表3進(jìn)行；打底層焊接，當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到規(guī)定溫度并均勻后，焊絲選用ER90S-B9規(guī)格 Ф2.4mm采用直流正接由兩人對(duì)稱(chēng)焊接，第一層和第二層焊縫均采用氬弧焊。打底層焊時(shí)，采用內(nèi)送絲法，要注意根部熔合良好，厚度控制在2.8～3.2mm范圍內(nèi)。

8、氬弧焊打底過(guò)程中，用聚光手電筒仔細(xì)檢查根部焊縫，確保無(wú)跟不可看缺陷，打底完成并經(jīng)目測(cè)檢查合格后，立即進(jìn)行次層的焊接。為防止根部焊縫金屬氧化，應(yīng)在主蒸汽管子內(nèi)充氬保護(hù)。

9、充氬保護(hù)可參照下列要求進(jìn)行：

（1）充氬裝置工具如圖1所示。可先在對(duì)口前，在焊口每側(cè)使用貼粘兩層水溶紙，焊口間隙用耐高溫膠帶粘牢，充氬可使用φ6mm×1.5mm的銅管，將銅管的一端加工成寬度為8mm，厚度為3mm的扁狀體，再用φ1mm的鉆頭在上面鉆4～6個(gè)小孔，保證充氬時(shí)氣體流量均勻。然后將其插入焊縫坡口內(nèi)充氬。

（2）根層及近根層焊接時(shí)，管內(nèi)必須進(jìn)行充氬保護(hù)，一般應(yīng)持續(xù)2層以上。

（3）用點(diǎn)燃的打火機(jī)或火柴放至焊縫間隙附近，當(dāng)火焰熄滅時(shí)，說(shuō)明內(nèi)部空氣已排空，可進(jìn)行氬弧焊打底焊接。

（三）氬弧焊打底完成后，將預(yù)熱溫度升至200～300℃、開(kāi)始層間與蓋面焊采用焊條電弧焊（SMAW）方法；焊條選用E9015-B9 φ3.2mm、φ4.0mm。

1、采用直流反接法、兩人對(duì)稱(chēng)焊接。由于P91鋼焊接時(shí)，熔池鐵水粘度大，流動(dòng)性差，焊接規(guī)范又小，因而容易出現(xiàn)夾渣，層間未熔合等缺陷，因此為避免大的缺陷產(chǎn)生及保證焊接接頭的綜合機(jī)械性能，必須采用多層多道.

2、焊接過(guò)程中應(yīng)將每層焊道接頭錯(cuò)開(kāi)10～15mm，同時(shí)注意盡量焊得平滑，便于層間焊渣清理和避免出現(xiàn)死角。

3、每層焊完后，必須把熔渣清理干凈，尤其是兩側(cè)溝槽中的熔渣，應(yīng)用磨光機(jī)或鋼絲刷等將焊渣、飛濺等雜物清理干凈，經(jīng)自檢合格后，方可焊接次層。

4、焊接過(guò)程中，認(rèn)真觀察熔化狀態(tài)，應(yīng)特別注意焊接接頭和收弧質(zhì)量，收弧時(shí)應(yīng)將熔池填滿(mǎn)，避免以避免出現(xiàn)弧坑裂紋。

5、焊縫外表焊接完畢，要求焊工立即進(jìn)行清理自檢，發(fā)現(xiàn)外表成形不好的馬上補(bǔ)焊，嚴(yán)禁在焊縫冷卻后再直接補(bǔ)焊。

6、為了控制層間溫度、每層可采用間歇式焊接，必要時(shí)可加大每層停留時(shí)間，焊接時(shí)焊口應(yīng)配有監(jiān)溫裝置。

（1）焊后自檢：①.焊口焊接完成后，應(yīng)及時(shí)將焊縫表面的焊渣、飛濺物等清理干凈，對(duì)超標(biāo)的外觀缺陷進(jìn)行打磨、補(bǔ)焊，補(bǔ)焊時(shí)的工藝要求與焊接時(shí)相同，并且在同一位置上的挖補(bǔ)次數(shù)一般不得超過(guò)兩次。

（2）自檢合格后應(yīng)及時(shí)填報(bào)焊接自檢記錄表，以利于下道工序的進(jìn)行。

（四）焊后熱處理：

1、焊后熱處理和后熱處理的加熱方法、加熱范圍、保溫要求和測(cè)溫要求等按照《火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程》（DL/T819-2002）有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

2、對(duì)于SA335-P91鋼，在焊接過(guò)程被迫停止或焊后未能及時(shí)進(jìn)行熱處理，應(yīng)在200～300℃的溫度范圍內(nèi)停留10min才可在保溫中自冷。重新焊接時(shí)，按照原工藝要求進(jìn)行施焊。

3、P91鋼預(yù)熱溫度：氬弧焊打底預(yù)熱溫度為100～150℃，電焊蓋面預(yù)熱溫度為200℃～300℃。層間溫度：200℃～250℃。

4、焊后熱處理溫度：760±10℃、恒溫時(shí)間3～4小時(shí)、升降溫速度140℃/h。

主蒸汽SA335-P91大徑管焊接處理曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 主蒸汽 P91大徑管焊接處理曲線(xiàn)圖

5、加熱寬度按DL/T-819-2002規(guī)程要求。

6、保溫材料，如硅酸鋁、石棉布、礦砂棉（或石棉繩）等由熱處理人員根據(jù)實(shí)際情況選用（切記不能影響工作）。

（五）SA335-P91鋼焊后檢測(cè)；焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)焊縫質(zhì)量按I類(lèi)焊縫的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)內(nèi)容及要求為：

1、外觀檢驗(yàn)按DL/T869—2004《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》，I類(lèi)焊縫外觀的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收；

2、無(wú)損檢驗(yàn)按JB4730對(duì)焊縫進(jìn)行100%超聲波（UT）、磁粉（MT）探傷，I級(jí)合格；

3、硬度，熱處理完畢后，做100%硬度測(cè)定，硬度值小于350HB；

4、光譜，對(duì)焊縫金屬合金成分進(jìn)行100%光譜分析復(fù)查。

四、總結(jié)

通過(guò)選擇以上施工工藝，以及嚴(yán)格的技術(shù)、質(zhì)量管理措施，越南廣寧熱電廠Ⅱ期2×300MW工程兩臺(tái)機(jī)組的主蒸汽管道焊縫的外觀質(zhì)量、接頭表面硬度全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求、無(wú)損探傷一次合格率達(dá)到100%。另外，從電廠主蒸汽管道水壓試驗(yàn)和投入運(yùn)行以來(lái)的情況來(lái)看，焊縫質(zhì)量正常。因此，P91鋼管道采用上述焊接工藝是行之有效的。目前，在大型火力發(fā)電機(jī)組中采用P91鋼已成為一種必然的趨勢(shì)。

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