P91鋼管道窄間隙TIG自動(dòng)焊接頭性能研究

劉曉報(bào)，賀海波，胡慶，劉奎林，席晉輝，王海東，鄭灼光

1.中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

2.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司 北京 101300

1 序言

P91鋼是在9C r1M o鋼的基礎(chǔ)上通過(guò)添加N、N b、V等合金元素，并采用細(xì)晶化、微合金化冶金，以及控軋、控冷等工藝開發(fā)的一種新型馬氏體耐熱鋼[1]。P91鋼具有耐高溫、強(qiáng)度高、抗氧化性能和抗蠕變性能，以及相對(duì)高的熱傳導(dǎo)性與低的熱膨脹率等特點(diǎn)，因此被列入電站建設(shè)領(lǐng)域的重要材料。在一些大型超臨界、超高壓的大容量高參數(shù)熱力設(shè)備機(jī)組，以及能源和石油化工行業(yè)高溫、高壓管道工程的設(shè)計(jì)中，也被優(yōu)先選用。P91鋼屬于空冷馬氏體鋼，焊接性相對(duì)較差，其冷裂紋敏感性較強(qiáng)[2]，也有一定的熱裂紋傾向。

窄間隙TIG自動(dòng)焊方法是一種高質(zhì)量的焊接方法，由于坡口截面和組對(duì)間隙小，所以填充金屬量大大減小，能有效提高焊接效率。本文通過(guò)P91鋼管道窄間隙TIG自動(dòng)焊試驗(yàn)，探討P91鋼管道窄間隙TIG自動(dòng)焊焊接接頭性能。

2 材料特性

本文使用的P91鋼管道材質(zhì)屬ASME SA355標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼種，管道規(guī)格為φ355mm×27.79mm。母材主要化學(xué)成分見表1，母材力學(xué)性能見表2。

表1 P91鋼管道化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 P91鋼管道力學(xué)性能

3 試件焊接

3.1 管道預(yù)熱

由于P91鋼是中合金鋼，它的冷裂傾向相當(dāng)高，如果在不預(yù)熱條件下焊接，則裂紋的發(fā)生率達(dá)100%。理論上，當(dāng)預(yù)熱溫度處于200～250℃時(shí)可避免冷裂紋的產(chǎn)生，因此焊前不僅必須預(yù)熱，還要安排專人監(jiān)控測(cè)溫。對(duì)大直徑厚壁的管道，通常采用遠(yuǎn)紅外數(shù)字式測(cè)溫儀測(cè)量控制預(yù)熱溫度，采用履帶片式電加熱器控制預(yù)熱效果，如圖1所示。

圖1 熱電偶、加熱片布置

在實(shí)際焊接時(shí)，焊縫預(yù)熱溫度為160℃，預(yù)熱采用連續(xù)加熱方式，并能形成連續(xù)記錄，整個(gè)焊接過(guò)程中溫度不能低于預(yù)熱溫度。

控溫?zé)犭娕紤?yīng)盡可能布置在加熱區(qū)內(nèi)，監(jiān)測(cè)熱電偶應(yīng)盡可能靠近待焊坡口，必要時(shí)應(yīng)使用其他測(cè)溫方法檢測(cè)待焊坡口處的溫度，每側(cè)加熱寬度不少于焊件厚度的4倍。

3.2 試件焊接

用于焊接試驗(yàn)的P91鋼管道坡口形式為窄間隙U形坡口，焊接位置為水平固定全位置焊，如圖2所示。焊接前應(yīng)保證坡口的加工尺寸和組對(duì)精度，采用TIG自動(dòng)焊接設(shè)備，嚴(yán)格按照工藝指導(dǎo)書進(jìn)行試件的焊接，焊接過(guò)程要嚴(yán)格控制層間溫度，確保溫度≥150℃且≤220℃。試件完成焊接后，經(jīng)射線檢測(cè)結(jié)果合格，無(wú)氣孔、夾渣、未熔合等超標(biāo)缺陷。

圖2 窄間隙自動(dòng)焊坡口及焊道排布

為防止P91鋼焊縫根部氧化，打底焊接時(shí)需要充氬保護(hù)。充氬方法很多，對(duì)于不同形狀的母材，可制作相應(yīng)的專用工具。像此類大直徑管，可用耐高溫硬紙板或粘貼可溶紙配合耐溫膠布等材料在焊口附近形成密閉氣室，氣室建好后必須進(jìn)行密封性試驗(yàn)，以防氬氣泄漏對(duì)操作人員造成危害以及對(duì)焊縫成形質(zhì)量產(chǎn)生影響。建好的密閉氣室，可用燃燒的火柴驗(yàn)證氣室的密封效果。

3.3 管道焊后熱處理

焊接完成后焊件溫度降至80～100℃，保溫1～2h后立即進(jìn)行焊后熱處理，確保得到100%馬氏體組織，回火馬氏體為焊后熱處理最終組織；焊后熱處理理論恒溫時(shí)間按管道壁厚2.4min/mm計(jì)算，保溫溫度為760℃±10℃，保溫時(shí)間3h，嚴(yán)格保證焊后熱處理升降溫速率≤148℃/h。熱處理溫度降至300℃以下可不控制升溫速度和降溫速度，在保溫層內(nèi)冷卻至室溫。焊后熱處理的加熱寬度，從焊縫中心計(jì)算，每側(cè)不小于管道壁厚的3倍，且≥60mm。焊后熱處理的保溫寬度，從焊縫中心算起，每側(cè)不小于管道壁厚的3倍，保溫層厚度以50～80mm為宜。將熱電偶采用捆扎方式布設(shè)于管道外側(cè)，在焊縫中心按圓周對(duì)稱位置布設(shè)，且不少于兩點(diǎn)。

為了保證焊后熱處理溫度均勻，采用中頻感應(yīng)加熱熱處理進(jìn)行焊后熱處理，如圖3所示。

圖3 中頻感應(yīng)加熱熱處理排線實(shí)物

4 力學(xué)性能及微觀組織分析

按照ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接接頭理化試樣的機(jī)械加工取樣。

4.1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

焊接接頭的力學(xué)性能直接關(guān)系到管道安全和壽命，是評(píng)價(jià)焊縫接頭質(zhì)量和評(píng)定焊接工藝的重要指標(biāo)[3]。同時(shí)焊接接頭的拉伸、彎曲試驗(yàn)是驗(yàn)證管道焊接坡口的力學(xué)性能是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求所必須進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目，因此本文對(duì)焊接接頭進(jìn)行了拉伸、沖擊、彎曲試驗(yàn)，用以研究焊接接頭的力學(xué)性能。

（1） 拉伸試驗(yàn) 對(duì)焊接接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫、525℃兩種，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同試驗(yàn)環(huán)境溫度下拉伸試驗(yàn)對(duì)比

室溫條件下焊接接頭抗拉強(qiáng)度分別為665MPa和678MPa，均大于母材技術(shù)條件的規(guī)定值585MPa，分別為規(guī)定值的113.6%和115.9%。而拉伸斷裂位置均在母材上，未出現(xiàn)在熱影響區(qū)，說(shuō)明熱影響區(qū)未出現(xiàn)明顯的軟化。

根據(jù)焊接接頭高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果，隨著溫度的升高，焊接接頭抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明高溫條件下焊接接頭的韌性有所增加，導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降，但均大于母材技術(shù)條件的規(guī)定值。

（2）彎曲試驗(yàn) 進(jìn)行焊縫的面彎背彎試驗(yàn)，焊縫彎曲180°后，經(jīng)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)尺寸超過(guò)0.5mm任何方向的裂紋，彎曲性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

（3）沖擊試驗(yàn) 對(duì)熔敷金屬、熱影響區(qū)進(jìn)行沖擊性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可以看出，平均沖擊吸收能量焊縫區(qū)為187J，熱影響區(qū)為216J，遠(yuǎn)大于評(píng)定指標(biāo)，說(shuō)明材料的韌性比較好，尤其從焊縫到母材過(guò)渡過(guò)程中，材料的韌性是逐漸升高的。

表5 焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果 （J）

（4）硬度試驗(yàn) 對(duì)焊縫、熔合線、熱影響區(qū)、母材分別進(jìn)行硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。由表6可以看出，硬度值都處于母材規(guī)定硬度值范圍內(nèi)，說(shuō)明焊接及焊后熱處理工藝良好，能很好地控制焊縫硬度，確保焊接質(zhì)量。

表6 焊接接頭硬度測(cè)試結(jié)果 （HBW）

（5）小結(jié) 經(jīng)過(guò)力學(xué)性能驗(yàn)證，可以證明P91鋼窄間隙自動(dòng)焊焊接接頭在力學(xué)性能方面滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)的要求，力學(xué)性能良好。

4.2 金相檢驗(yàn)結(jié)果

P91鋼管道窄間隙TIG自動(dòng)焊焊接接頭焊縫頂部、焊縫區(qū)的顯微金相組織，均為回火馬氏體（見圖4），金相組織中δ鐵素體含量＜1%。

圖4 金相組織

由圖4可看出，金相組織均勻連續(xù)，馬氏體形態(tài)細(xì)小，未發(fā)現(xiàn)明顯的過(guò)熱粗大組織。窄間隙TIG自動(dòng)焊具有焊接熱輸入小、冷卻速度快的優(yōu)點(diǎn)，有利于獲得細(xì)小的晶粒和組織。這種均勻細(xì)小的組織決定了焊接接頭具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能[4]。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)P91鋼管道窄間隙TIG自動(dòng)焊焊接頭進(jìn)行力學(xué)性能及微觀組織分析，證明自動(dòng)焊接頭性能滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)的要求，且根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，焊接接頭具有很好的力學(xué)性能，焊縫金相組織與傳統(tǒng)鎢極氬弧焊相比更加均勻、細(xì)小。