電站鍋爐SA335-P91高溫高壓蒸汽鋼管焊接工藝

王麗娟，楊國輝

(湖南工學(xué)院，湖南衡陽421002)

電站鍋爐SA335-P91高溫高壓蒸汽鋼管焊接工藝

王麗娟，楊國輝

(湖南工學(xué)院，湖南衡陽421002)

SA335P91鋼屬改良型9Cr－1Mo高強度馬氏體耐熱鋼，與傳統(tǒng)的Cr－Mo耐熱鋼相比，具有高溫強度高、抗蠕變性能和抗氧化性能好等優(yōu)點。SA335P91鋼焊接性的主要問題是冷裂紋敏感性較強以及沖擊韌性下降。針對上述問題進行焊接工藝評定試驗，選擇GTAW＋SMAW焊接方法，制定了合理的焊接工藝：氬弧焊封底時其預(yù)熱溫度為100℃～150℃，焊條電弧焊的焊前預(yù)熱溫度為200℃～300℃；焊條電弧焊層間溫度應(yīng)為200℃～300℃；焊接線能量在25～30 kJ／cm以下，GTAW在12～15 kJ／cm；焊后熱處理溫度750℃～770℃，保溫4～6 h，升降溫速度小于150℃／h。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件，采取有效的工藝控制措施，獲得了較好的焊接質(zhì)量，綜合性能良好。

SA335P91鋼；焊接性；焊接工藝；電站鍋爐；主蒸汽管

0 前言

SA335P91鋼以其良好的高溫持久強度、熱穩(wěn)定性和高溫抗蠕變能力等綜合性能，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外大型電站鍋爐主蒸汽管、再熱蒸汽管、過熱器管和高溫蒸汽聯(lián)箱等設(shè)備的核心部件上。我國使用和研究SA335P91鋼已有十多年的歷史，在焊接工藝方面已經(jīng)比較成熟，國家電力公司電源建設(shè)部下發(fā)了《T91／P9l鋼焊接工藝導(dǎo)則》指導(dǎo)性文件，但在施工現(xiàn)場施焊時，該鋼經(jīng)常出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題[1－3]。

1 SA335P91鋼的焊接性分析

SA335P91鋼屬改良型9Cr－1Mo高強度馬氏體耐熱鋼，是一種在9%Cr－1%Mo的基礎(chǔ)上加入一定量的鈮、釩、氮等元素，采用純凈化、細(xì)晶化冶金技術(shù)，以及微合金化和控軋、控冷等工藝，開發(fā)出的新一代中合金耐熱鋼。典型的SA335P91鋼的化學(xué)成分和機械性能如表1、表2所示。

表1 SA335P91鋼母材的化學(xué)成分%

表2 SA335P91鋼機械性能

與T9鋼相比，由于SA335P91鋼降低了碳和雜質(zhì)元素含量，焊接裂紋敏感性明顯減弱，鋼的焊接性有所改善。

1.1 較強的冷裂紋敏感性

SA335P91鋼屬中合金耐熱鋼，鋼中合金元素種類多，總含量達10%左右，碳當(dāng)量約為2.27%，淬硬傾向大，對冷裂紋具有組織上的敏感性；在焊后的焊縫冷卻過程中，存在由奧氏體組織向馬氏體組織轉(zhuǎn)變的相變過程中的組織應(yīng)力，而且焊縫中的氫以過飽和狀態(tài)殘留在馬氏體組織中，使得馬氏體組織晶體缺陷處的氫濃度增大，加劇了該區(qū)域組織的進一步脆化；另外，對于大直徑厚壁管，材料本身具有很大的結(jié)構(gòu)剛性和拘束應(yīng)力。在以上三種因素作用下，焊接過程中如果工藝措施不當(dāng)，則會產(chǎn)生冷裂紋。

1.2 接頭沖擊韌性下降

隨著焊接線能量的增加，焊縫和熱影響區(qū)的夏比沖擊功值呈下降趨勢，變化較明顯。過大的焊接線能量使組織嚴(yán)重過熱，晶粒尺寸生長過大，如果焊接線能量過大，會造成焊縫組織過熱，出現(xiàn)魏氏組織、粗大晶粒和網(wǎng)狀晶界，這些組織易產(chǎn)生裂紋源，形成裂紋并擴展，從而造成沖擊韌性下降。

2 焊接工藝方案[4－8]

SA335P91鋼的供貨狀態(tài)為正火+回火(730℃～760℃)，顯微組織為回火馬氏體。高溫過熱器和再熱器用SA335P91鋼管常用規(guī)格有φ 54 mm、φ 57 mm，壁厚4 mm、8 mm和9 mm等；主蒸汽SA335P91鋼管常用規(guī)格有φ 511 mm×63.5 mm、φ 457 mm×45 mm、φ 347 mm×46 mm、φ 450 mm×41 mm等。

2.1 焊接方法

采用雙層手工氬弧焊(GTAW)封底，焊條電弧焊(SMAW)蓋面的焊接方法。為防止SA335P91鋼焊縫根部氧化，GTAW打底兩層及SMAW焊條填充第一層焊縫時，在管內(nèi)充氦氣保護。

主要機具：逆變焊機ZX7－400S型，熱處理機型號DWK180，遠紅外電腦溫控儀，AT－30型氬氣表，直徑150磨光機，RayngerST60手持式遠紅外線測溫儀。

2.2 焊接材料

焊絲牌號為MTS－3，直徑φ 2.4 mm，焊條為ChromoT91，焊材的化學(xué)成分如表3所示。焊絲使用前要去除表面的油、銹、垢等污物，露出金屬光澤。焊條使用前要經(jīng)350℃～400℃烘焙1.5～2 h，置于80℃～100℃保溫筒內(nèi)，隨用隨取。

表3 MTS－3焊絲、Chromo T91焊條化學(xué)成分%

2.3 坡口制備及點固定位

300 MW機組主蒸汽SA335P91鋼管規(guī)格為φ 511 mm×63.5 mm，φ 450 mm×41 mm，φ 335 mm× 31 mm，焊接接頭采用雙V型坡口形式。坡口形式及尺寸如圖1所示。坡口角度α=30°～40°，β=8°～12°，坡口間隙b=2～5mm，鈍邊厚度p=1～2mm。

圖1 坡口型式及尺寸

坡口采用機械方法加工，對口裝配前應(yīng)徹底清除坡口內(nèi)外母材表面兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹、水分等，直至露出金屬光澤。

對口裝配時采用定位塊點固坡口，定位點固焊不得少于三點，定位塊選用w(C)＜0.25%的鋼材，點固定位所用的焊材和焊接工藝與正式焊接相同。當(dāng)氬弧焊封底結(jié)束時，可去除定位塊。去除定位塊時，不能損傷母材，要將殘留的焊疤用砂輪機清除干凈，打磨平整。定位焊接示意如圖2所示。

圖2 定位焊接示意

2.4 焊接線能量

較小的線能量可有效減少碳化物的析出量和鐵素體的含量，防止馬氏體晶粒長大，提高焊縫的沖擊韌性。焊接時應(yīng)采用多層多道焊，盡量采用小直徑、小電流、快速焊。焊接工藝試驗研究表明，手工氬弧焊的焊接線能量應(yīng)控制在25～30 kJ／cm，氬弧焊以12～15 kJ／cm為好?，F(xiàn)場焊接中，可通過控制焊層厚度和焊條擺動寬度來控制焊接線能量，每一焊層厚度小于等于4mm，焊條擺動寬度小于等于15mm。

2.5 焊前預(yù)熱和層間溫度

2.5.1 焊前預(yù)熱溫度

預(yù)熱溫度的確定除了要考慮鋼材的碳當(dāng)量、管壁厚度、拘束度、含氫量等因素外，還要著重考慮鋼材馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度。由SA335P91鋼的CCT圖可知，SA335P91鋼的馬氏體下轉(zhuǎn)變溫度Mf為100℃，上轉(zhuǎn)變溫度Ms為380℃。為了防止焊接時出現(xiàn)冷裂紋，一方面必須設(shè)法細(xì)化一次結(jié)晶組織，在此基礎(chǔ)上獲得盡可能多的淬火馬氏體；另一方面，必須控制好焊接熱循環(huán)，減小焊接熱循環(huán)對已熔敷焊縫金屬和母材的不利影響。采用小的焊接線能量和低的預(yù)熱溫度可使晶粒細(xì)化，因此，預(yù)熱溫度應(yīng)在Mf與Ms點之間。焊接試驗結(jié)果表明，當(dāng)預(yù)熱溫度低于100℃時，冷裂紋的產(chǎn)生幾率為100%；當(dāng)預(yù)熱溫度大于200℃時，基本上不會產(chǎn)生冷裂紋。因此，焊前預(yù)熱溫度為200℃～300℃?？紤]到氬弧焊封底時，接頭中的擴散氫含量比較低，其預(yù)熱溫度可放寬至100℃～150℃。

2.5.2 層間溫度

層間溫度應(yīng)介于Mf與Ms點之間，并在焊接過程中保持層間溫度不低于預(yù)熱溫度。如果層間溫度低于Mf點，接頭處產(chǎn)生冷裂紋的幾率為100%；而當(dāng)層間溫度高于Ms點時，過高的層間溫度會造成馬氏體束的尺寸變大和球狀碳化物析出，使接頭的沖擊韌性降低。另外，現(xiàn)場焊接表明，SA335P91鋼焊條在該溫度范圍內(nèi)焊接時，焊條可操作性強，熔池流動性好，飛濺明顯減少，焊接質(zhì)量比較好。焊接層間溫度應(yīng)為260℃～300℃。

2.6 焊接工藝參數(shù)

SA335T91主蒸汽管焊道布置如圖3所示，焊接工藝參數(shù)如表4所示。

圖3 SA335T91主蒸汽管焊道布置

表4 SA335P91鋼主蒸汽管道焊接工藝參數(shù)

SA335P91鋼是一種高合金鋼，為防止合金元素?zé)龘p，焊接時背面必須進行充氬保護，考慮到打底及次層焊接時均可能造成背面氧化，均需要進行充氬保護。為防止氬弧焊打底時焊縫強度不是產(chǎn)生裂紋，選擇氬弧焊雙打底工藝，即GTAW打底兩層。GTAW打底層氬氣保護流量為15～30 L／min，SMAW填充焊接時為8～12 L／min。

2.7 焊后熱處理

焊后熱處理的目的是降低焊接接頭的殘余應(yīng)力，促使焊縫區(qū)氫擴散逸出。為防止在焊后熱處理過程中，焊縫中的殘余奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榇执缶Я５奈菏辖M織，SA335P91鋼焊接完畢后不能立即進行高溫回火處理，而應(yīng)先將焊縫冷卻至100℃～120℃并恒溫1.5 h，待殘余奧氏體組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織后再進行焊后熱處理。依據(jù)焊材技術(shù)條件規(guī)定：SA335P91鋼焊后消除應(yīng)力處理760℃，保溫4～6 h；按《工藝導(dǎo)則》要求焊后熱處理溫度為750℃～770℃，保溫4 h。故選擇的工藝為焊后高溫回火，溫度750℃～770℃，保溫4～6h。升降溫速度小于150℃／h。焊前預(yù)熱、層間保溫、熱處理工藝參數(shù)如圖4所示。

圖4 焊前預(yù)熱、層間保溫、熱處理工藝參數(shù)

3 焊接工藝評定

根據(jù)焊接工藝評定規(guī)程要求，選用φ 333 mm× 30 mm的SA335P91鋼管水平固定對接和垂直固定對接接頭進行焊接工藝評定試驗，接頭形式如圖l所示，焊接工藝參數(shù)如表4所示，環(huán)境溫度22℃。接頭經(jīng)100%X射線探傷＋100%超聲探傷，評定結(jié)果為I級。

接頭抗拉強度試驗結(jié)果(均為平均值)：抗拉強度655MPa，屈服強度573.5 MPa，延伸率31.6%，斷面收縮率52.8%，塑性斷裂于熱影響區(qū)。

接頭彎曲試驗結(jié)果：彎曲后的面彎、背彎和側(cè)彎試樣經(jīng)10倍放大鏡宏觀檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋。接頭沖擊試驗結(jié)果：平均沖擊值為106 J／cm2。

接頭硬度檢測結(jié)果(平均值)：焊縫硬度246 HB，熱影響區(qū)硬度240 HB，母材硬度224 HB。熱處理后的接頭金相組織為回火索氏體。

試驗結(jié)果表明焊接接頭的各項性能指標(biāo)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4 現(xiàn)場焊接工藝控制

4.1 施工環(huán)境準(zhǔn)備

為確保焊口施焊時不受周邊環(huán)境的影響，如冬季環(huán)境溫度低、雨雪大風(fēng)天氣等，在每個焊口施工時應(yīng)搭設(shè)工作棚；在負(fù)溫環(huán)境中，采用點鎢燈對焊口周圍環(huán)境進行加熱，以提高焊接時的環(huán)境溫度；采用擋風(fēng)措施，防止焊接時層間溫度下降過快，影響焊接施工；為防止施工現(xiàn)場突然停電，準(zhǔn)備一路備用電源，確保焊接熱處理過程不斷電，以免影響SA335P91鋼的組織轉(zhuǎn)變。

4.2 焊接操作及層間清理

SA335P91鋼材質(zhì)的鐵水流動性差，小規(guī)范焊接容易產(chǎn)生夾渣、層間未熔合等缺陷，加強層間焊渣的清理很有必要。清理每層焊道時，用角磨機或鋼絲刷徹底清除焊渣及飛濺物，特別是中間接頭和坡口邊緣要保持金屬光澤。為了防止焊接接頭出現(xiàn)冷裂紋以及保證焊接接頭的沖擊韌性等力學(xué)性能滿足要求，焊條電弧焊填充、蓋面時應(yīng)盡量控制焊接熱輸入，采用短弧、多層多道、小規(guī)范的焊接工藝。層間接頭處應(yīng)錯開10～15 mm，每層焊道的厚度應(yīng)小于等于焊條直徑，焊條擺動寬度不得超過焊條直徑的4倍。焊接收弧時要注意保證收弧量，防止產(chǎn)生弧坑裂紋。

4.3 工藝監(jiān)督

SA335P91鋼管道焊接現(xiàn)場設(shè)工藝監(jiān)督員進行工藝監(jiān)督。工藝監(jiān)督員應(yīng)按監(jiān)督記錄表中的內(nèi)容進行監(jiān)督記錄，主要包括：環(huán)境溫度、焊前預(yù)熱溫度、層間溫度、焊層厚度、焊道寬度、焊接電流、電壓及焊接速度等，并有權(quán)對該項工作的焊工及熱處理工進行工作調(diào)度指揮。

5 結(jié)論

(1)SA335P91鋼焊接性的主要問題是冷裂紋敏感性較強和沖擊韌性下降。焊接方法和焊接材料確定以后，獲得優(yōu)質(zhì)接頭的關(guān)鍵工藝措施是焊前預(yù)熱、控制層溫、較小的線能量以及焊后熱處理等工藝。

(2)氬弧焊封底時其預(yù)熱溫度為100℃～150℃；焊條電弧焊的焊前預(yù)熱溫度為200℃～300℃，層間溫度200℃～300℃。

(3)嚴(yán)格控制線能量，采用多層多道焊，小直徑、小電流、快速焊。焊接線能量應(yīng)控制在25～30 kJ／cm以下，GTAW最好為12～15 kJ／cm，每一焊層厚度小于等于4 mm，焊條擺動寬度小于等于15 mm。

(4)通過工藝評定試驗，制定合理的焊接工藝和焊后熱處理工藝，并根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件采取有效的工藝控制措施，可以獲得綜合性能良好的焊接質(zhì)量。

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Research on welding procedure of SA335－P91 type steel high-temperature and high-pressure main steam pipe in electric power plant

WANG Li-juan，YANG Guo-hui
(Hu'nan Institute of Technology，Hengyang 421002，China)

The SA335P91 steel is the modified form of the 9Cr－1Mo high-strength martensite heat-resistant-steel.Compared with the traditional Cr－Mo heat-resistant steeI，it performs superior in high-temperaturestrength，creep resistance，anti-oxidation and other aspects.The main problem of the weldability of SA335P91 steel are its high constructional sensitiveness to cold crack and declining of the joints'V notch impactstrength.To solve these problems，According to the welding characteristics of SA335P91 steel，welding method of the GTAW＋SMAW were Selected，the reasonable welding parameter were carried out：preheating temperature of GTAW is 100℃～150℃，preheating temperature of SMAW is 200℃～300℃；preserve interpass temperature of SMAW is 200℃～300℃；welding linear energy of SMAW is less than or equal 25～30 kJ／cm，welding linear energy of GTAW is betweem 12～15 kJ／cm，post－weld heat treatment is 750℃～770℃，holding 4～6 h，heating up speed and detemperature rate are less than or equal 150℃／h.Combining the concrete condition in the field，we uses therelated technology control measures.This ensures the work of the SA335P91 steel welding successfully carry out and guarantees good welding quality in comprehensive performance.

SA335P91 steel；weldability；welding process；electric power plant boiler；main steam pipe

book=8,ebook=86

TG457.11

B

1001－2303(2010)08－0071－05

2010－02－09

王麗娟(1963—)，女，湖南衡陽人，高級實驗師，主要從事機械設(shè)計及理論、熱能動力工程等方面的研究工作。