A335 Gr.P91材質(zhì)管道熔化極氣體保護(hù)焊接工藝

■ 陳言華，唐元生

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1. 概述

我公司承擔(dān)的某公司搬遷一體化項(xiàng)目施工中，經(jīng)園區(qū)工藝供熱外管進(jìn)入丙烷脫氫裝置，蒸汽管線材質(zhì)為P91，輸送介質(zhì)為蒸汽、設(shè)計(jì)壓力10.3MPa、設(shè)計(jì)溫度540℃，主管線規(guī)格為φ508mm×28.50mm。管壁較厚、焊接工程量大，且裝置瀕臨海洋，屬暖溫帶季風(fēng)性氣候，施工周期處于夏季，雨水較多、環(huán)境潮濕、海風(fēng)較大，給管道焊接帶來了一定的難度。

P91材質(zhì)工藝管道安裝工程焊接工程量較大，如使用常規(guī)的焊條電弧焊工藝，焊接效率低下，對(duì)施工周期及成本控制不利。經(jīng)過分析，熔化極氣體保護(hù)焊具有焊接成形好，生產(chǎn)效率高，焊接變形量小，焊接熱輸入低等優(yōu)點(diǎn)，確定P91管道焊接采用手工鎢極氬弧焊打底，熔化極氣體保護(hù)焊填充、蓋面焊接工藝。

2. P91材質(zhì)的特性

P91材質(zhì)是采用ASME標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的高溫用鉻鉬合金耐熱鋼，類似于我國(guó)的材質(zhì)10Cr9Mo1VNb，主要合金元素為Cr、Mo。

該材質(zhì)焊接難度大，當(dāng)焊縫冷卻到較低溫度時(shí)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生脆硬組織，使焊縫變脆，加之活躍的氫分子以及管道焊接過程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力，就會(huì)導(dǎo)致冷裂紋與延遲裂紋的出現(xiàn)，給裝置生產(chǎn)運(yùn)行埋下安全隱患。

另外該材質(zhì)的熱處理難度大， P91材質(zhì)中Cr、Mo、V、Nb、Ti等元素會(huì)促使形成再熱裂紋，經(jīng)一次熱循環(huán)后再次加熱而產(chǎn)生再熱裂紋。因此焊接之前需進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，通過科學(xué)的焊接工藝和嚴(yán)格的作業(yè)紀(jì)律來控制焊前預(yù)熱、焊接過程及焊后后熱處理等各個(gè)環(huán)節(jié)，才能有效保證焊接質(zhì)量。

3. 焊接工藝評(píng)定

施工前結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體的預(yù)制條件和P91材質(zhì)特點(diǎn)，依據(jù)NB/47014－2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定。試件規(guī)格φ168mm×14.27mm。焊接方法選用手工氬弧焊打底，熔化極氣體保護(hù)焊填充、蓋面，焊接位置5G+1G。手工氬弧焊氬氣純度要求≥99.99%，熔化極氣體保護(hù)焊蓋面保護(hù)氣體選用混合氣（85%Ar+CO2）。根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的原材料產(chǎn)品質(zhì)量證明書對(duì)P91合金含量、力學(xué)性能、金相組織進(jìn)行分析， P91材質(zhì)化學(xué)成分、力學(xué)性能如表1、表2所示。

焊接材料的選擇根據(jù)P91材質(zhì)的化學(xué)成分、力學(xué)性能、使用與施焊條件綜合考慮，選用與P91化學(xué)成分相當(dāng)，熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度值不低于原材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度值的下限以及具有良好的焊接工藝性能的焊接材料，焊接材料選用如表3所示，焊接材料的化學(xué)成分如表4所示。

試件焊接前采用電加熱方法進(jìn)行200℃預(yù)熱，施焊過程中層間溫度控制在200～300℃之間，焊接完成后進(jìn)行760℃恒溫?zé)崽幚恚?00℃以上進(jìn)行控溫，升溫和降溫速度≤150℃/h控溫，恒溫期間各測(cè)溫點(diǎn)差值≤50℃。焊接參數(shù)如表5所示，焊接接頭（試樣）力學(xué)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)如表6所示。

焊接接頭按規(guī)范要求進(jìn)行外觀檢測(cè)，無表面氣孔、夾渣、裂紋、未熔合、咬邊等缺陷，RT檢測(cè)6張底片，均為I級(jí)片，熱處理后硬度檢測(cè)數(shù)值為熱影響區(qū)163HBW、焊縫176HBW、母材166HBW。以上數(shù)據(jù)顯示此焊接工藝符合要求，焊接工藝評(píng)定合格。

表1 P91材質(zhì)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 P91材質(zhì)力學(xué)性能

表3 焊接材料選用

表4 焊接材料的化學(xué)成分

表5 焊接參數(shù)

圖1 坡口形式

圖2 手工氬弧焊打底

4. 施工焊接過程及檢驗(yàn)

（1）管段下料、坡口制備 P91材質(zhì)管道下料采用臥式金屬帶鋸機(jī)進(jìn)行冷切割下料，采用端面徑向坡口機(jī)進(jìn)行機(jī)械坡口制備后再使用磨光機(jī)進(jìn)行精細(xì)修磨，要求坡口處不得有裂紋、分層、夾渣等缺陷，坡口形式如圖1所示。

（2）組對(duì)定位與氬弧焊打底 組對(duì)焊接前將坡口及其邊緣內(nèi)外表面≥20mm范圍內(nèi)的油、漆、垢、銹等清理干凈，組對(duì)內(nèi)壁平齊。采用手工氬弧焊進(jìn)行打底焊接（見圖2），焊前采用電加熱方式進(jìn)行預(yù)熱，加熱區(qū)以外100mm范圍內(nèi)予以保溫，全程使用紅外測(cè)溫儀監(jiān)控。為避免氬弧打底過程中背面發(fā)生金屬氧化，打底前按焊接工藝要求管段內(nèi)部充氬氣，以坡口中心為基準(zhǔn)兩側(cè)300mm范圍內(nèi)制作氣室，氣室采用水溶紙密封，為避免熔化極氣體保護(hù)焊蓋面焊接時(shí)打底焊道被熔穿，采用兩遍氬弧焊打底。

（3）熔化極氣體保護(hù)焊填充、蓋面焊接 氬弧焊打底焊接完成后即采用熔化極氣體保護(hù)焊方法填充、蓋面焊接（見圖3）。噴嘴保護(hù)氣體為85%Ar+CO2組成的混合氣。焊接過程全程電加熱，加熱范圍與氬弧焊打底一致，層間溫度控制在200～300℃之間，擺動(dòng)參數(shù)為2～12mm，一次性連續(xù)焊接完成。

（4）焊接注意事項(xiàng) ①正確選擇工藝參數(shù)，保持干伸長(zhǎng)度為15～20mm。②分道焊時(shí)，焊槍在坡口兩側(cè)及分道處稍作停留，避免熔敷金屬產(chǎn)生未熔合缺陷，平焊位置要加快焊槍擺動(dòng)，適當(dāng)加大電流，避免夾渣缺陷的產(chǎn)生。③采用變位機(jī)旋轉(zhuǎn)填充蓋面焊接時(shí)預(yù)熱溫度達(dá)到要求后，可拆下電源線利用電弧產(chǎn)生的熱量可以保證層間溫度的實(shí)現(xiàn)，每層焊接完成后如層間溫度過高可稍作等候，待降溫后方可繼續(xù)焊接。④焊接過程中每層焊接完成后應(yīng)進(jìn)行檢查，焊接接頭要錯(cuò)開，焊接速度不宜過快，每層焊接的厚度不能超過4mm，避免因應(yīng)力集中晶粒粗大，熱輸入過高而產(chǎn)生熱裂紋。

表6 焊接工藝評(píng)定（試樣）力學(xué)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 熔化極氣體保護(hù)焊填充、蓋面

圖4 焊后熱處理示意（單位為mm，圖中S為管壁厚）

5. 熱處理工藝

焊后熱處理如圖4所示。P91材質(zhì)管道焊接完成后需保溫緩冷至100～120℃之間進(jìn)行1～2h恒溫處理（馬氏體轉(zhuǎn)變），然后再進(jìn)行后續(xù)熱處理工作。

熱處理升溫到300℃以上時(shí)升溫速度≤150℃/h，恒溫溫度為760℃±10℃。

降溫速度≤150℃/h，降溫至300℃以下時(shí)斷電，自由冷卻至環(huán)境溫度。

熱處理加熱范圍為焊縫兩側(cè)各不小于焊縫寬度的3倍，且≥25mm，加熱范圍以外100mm區(qū)域內(nèi)予以保溫，管道兩端封堵，避免穿堂風(fēng)（見圖5）。

經(jīng)熱處理的焊接接頭，對(duì)焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行100%硬度檢測(cè)，硬度檢測(cè)值布氏硬度241HBW以下為合格。

6. 結(jié)語(yǔ)

本工程中使用熔化極氣體保護(hù)焊焊接P91材質(zhì)管道焊縫265個(gè)，RT檢測(cè)全部合格，合格率100%，焊后熱處理焊縫硬度值均為241HBW以下。經(jīng)對(duì)比得出采用熔化極氣體保護(hù)焊（機(jī)動(dòng)焊）焊接效率是焊條電弧焊的5倍以上，其高效的生產(chǎn)能力為后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)安裝爭(zhēng)取了時(shí)間，有利于項(xiàng)目整體效益的提高。

圖5 焊接預(yù)熱-熱處理熱循環(huán)曲線

供熱外管及丙烷脫氫裝置于2014年12月開始通入蒸汽為透平試車提供動(dòng)力，2015年8月初正式投產(chǎn)運(yùn)行，至今運(yùn)行平穩(wěn)。