P92材料現(xiàn)場焊接工藝分析

張元軍(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

隨著化工及煉油行業(yè)的日益擴大，加之部分裝置工藝要求較高，鉻鉬鋼管線就成為部分裝置重要管線首選材料。因其焊接質(zhì)量難以管控，現(xiàn)場施工較為復雜，各工序間的銜接需要緊密配合，故鉻鉬鋼管線焊接就成為項目管控中的難點，文章就以P92材料為例，探討鉻鉬鋼管線焊接的工藝性能及在施工過程中存在重點和難點。

1 P92材料屬性

P92材料為SA-335馬氏體耐熱鋼，雖然P92材料多用于發(fā)電廠，但由于P92屬于馬氏體鋼，而馬氏體的特點就是硬而脆，它是在鐵素體的基相上過飽和的溶入了碳和其他合金金屬，焊接時形成的熔池易冷卻速度過快，在不采取措施情況下易形成脆硬的馬氏體組織。雖然P92鋼中C、S、P含量低、純凈度較高，但合金含量在10%以上，屬低蠕變強度、高合金鋼、冷裂紋傾向。同時如果焊縫溫度過低，則熔池金屬不易流動，焊縫會出現(xiàn)成分不均勻的情況，從而引起偏析；如焊縫熔池溫度過高，則會造成焊接接頭晶粒粗大，同樣也會引起脆化，加之P92合金成分含量較高，不做焊后熱處理，隨空氣冷卻會形成粗大馬氏體，致焊接質(zhì)量下降，接頭出現(xiàn)脆化。同樣P92鋼焊接材料的選用不當也會引起焊接接頭性能的下降。因此，加強P92合金鋼焊接工藝的管控，對其焊接質(zhì)量有著重大意義。

2 P92化學成分

P92是在P91的基礎上降低了Mo的含量，并加入了少量的W元素和P元素，對其材料成分做了進一步的改進，將材料中的鉬當量從P91的1%提高到1.5%，并通過多元素強化，形成W-Mo固溶強化，保證了與P91在具有抗氧化性能的同時也具有抗腐蝕性能，形成一種新型的鋼種，這就是P92馬氏體鋼。

3 P92焊接性能

3.1 熱影響區(qū)的軟化

P92鋼的初始狀態(tài)為正火+回火，正火溫度為1 050 ℃，回火溫度760 ℃，在焊接過程中焊接熱影響區(qū)的溫度T如果在T回＜T＜Ac1這個范圍之內(nèi)就會產(chǎn)生軟化，使晶粒粗大，導致這一區(qū)域的強度降低，從而形成軟化區(qū)，嚴重情況下會出現(xiàn)裂紋。焊接接頭熱影響區(qū)的軟化與焊接工藝有一定的關(guān)系，如焊前無預熱，焊后未做熱處理或熱處理不到位等，均會造成焊接接頭區(qū)域的軟化，只有加強焊接工藝管控，嚴格限制焊接線能量的輸入，從而減小軟化區(qū)寬度，方能提高焊接接頭的性能[1]。

3.2 焊接再熱裂紋

常規(guī)情況下焊接熱裂紋主要有液化裂紋、結(jié)晶裂紋以及多邊化裂紋三種，多邊化裂紋主要發(fā)生在純金屬及單相奧氏體合金中，因而P92馬氏體鋼則有可能產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。

由于P92鋼中含有S、P等低熔點形成元素，通過金屬結(jié)晶原理可知，先結(jié)晶的金屬相對較純，后結(jié)晶的金屬雜質(zhì)較多。且雜質(zhì)一般集中在晶界，一般來說這些S、P等雜質(zhì)所形成共晶熔點較低，因而接頭焊接時當熔池在凝固后期，低熔點共晶體就析出在中心部位，形成“液態(tài)薄膜”，在焊后冷卻過程中由于收縮而受到拉應力。這時的焊縫薄膜就因受到的拉應力而開裂，從而形成結(jié)晶裂紋，這是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的主要原因。當然其他因素的影響也可能影響結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生，P92鋼中所含合金元素較多，每種元素的影響不一樣，影響十分復雜。S、P雜質(zhì)元素在P92鋼中極易造成偏析，對結(jié)晶裂紋比較敏感。 P92鋼中含有Mn、Si、Ni元素，其中Mn元素可以脫硫，通過化學反應把FeS轉(zhuǎn)為MnS，使硫化物的分布狀態(tài)發(fā)生變化，減小了焊接接頭的開裂。 由于鋼中碳含量的不同，Mn/S的比值也就不一樣，隨著含碳量的增加，Mn與S的比值也會增加，P92鋼中碳含量為0.1%，硫含量為0.006%，錳含量為0.51%，當C≥0.1%時，Mn/S≥22，而P92鋼Mn/S=0.51/0.006=83.3＞22，因而P92中的Mn含量能有效提高焊縫的抗裂性。同時，正因為鋼中含有Mn、Ni等合金元素，它可以抑制硫的有害作用，從而能夠有效地降低結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的可能性。

3.3 再熱裂紋

再熱裂紋是由于在熱影響區(qū)的粗晶粒在受到應力或應力集中時由于應力松弛所產(chǎn)生的變形大于其蠕變性，則可能產(chǎn)生再熱裂紋。產(chǎn)生再熱裂紋要滿足四個條件，即沉淀元素、粗晶粒或粗晶區(qū)、應力集中、溫度區(qū)間。P92鋼中含有Al、Nb等沉淀元素，在焊接熱能量的作用下，那些沉淀元素因受熱而固溶，冷卻時不能完全析出，在二次受熱或熱處理中，這些沉淀元素在晶內(nèi)會析出，從而強化晶內(nèi)。這時冷卻時應力松弛所產(chǎn)生的變形就集中于晶界，當晶界的塑性不足時，就會產(chǎn)生再熱裂紋。由于P92鋼含有Cr、Ti、Nb、Mo等碳化物、氮化物，因這些物質(zhì)的存在，就是晶界塑性不足的根本，焊接工藝控制不當，容易產(chǎn)生再熱裂紋。

3.4 冷裂紋

雖然P92鋼中碳、硫、磷含量低、純凈度較高，但合金含量在10%以上，屬高合金鋼，具有冷裂紋傾向，而冷裂紋形成機理主要由鋼種的淬硬性、焊接接頭氫的含量以及接頭承受應力狀態(tài)，這三個因素是P92高強鋼焊接時產(chǎn)生冷裂紋的主要原因。且這三個因素是相互關(guān)聯(lián)、相互促進、相輔相成的。

3.4.1 焊接接頭的脆化

由于P92馬氏體鋼合金成分較高，如果焊接時沒有相應的措施，焊后放置在空氣中，隨著空氣快速冷卻形成粗大的馬氏體組織。同時如焊接過程中線能量攝入太少，致熔池溫度過低流動性較差時，焊縫就會出現(xiàn)成分不均，即所謂的偏析；如焊接過程中線能量攝入太大，致熔池溫度過高則會造成焊接接頭晶粒粗大，致焊接接頭發(fā)生脆化。另外，當焊接接頭在進行高溫熱循環(huán)時，特別是溫度超過1 100 ℃時，晶粒則越長越大，越長越快，這也是導致P92馬氏體鋼焊接接頭脆化的原因，從而可知道接頭脆化原因是多方面的。

3.4.2 淬硬傾向

P92馬氏體鋼是碳在鐵素體中過飽和固溶體，碳原子存在于晶格之中，使鐵原子的位置發(fā)生改變，晶格也隨之發(fā)生變化，使組織處以硬化狀態(tài)。雖然碳的含量比較低，但其他元素含量之和較高，合金元素也固溶于晶格之中，在碳原子及其他合金元素共同作用使其使其產(chǎn)生淬硬傾向。淬硬傾向主要取決于鋼的化學成分，其中碳的作用較為明顯，通常情況下，碳當量越高，冷裂紋敏感性則就越大。

4 P92焊接工藝及質(zhì)量控制要求

由于P92馬氏體鋼的特點決定了其焊接方法不宜采用埋弧自動焊進行焊接，因為埋弧焊的線能量太大，焊接過程中如溫度控制不當容易導致馬氏體晶粒粗大，出現(xiàn)脆化，嚴重影響焊接接頭的力學性能。因此對P92馬氏體鉻鉬鋼焊接方法選用線能量較小的方法進行焊接，采用鎢極氬弧焊(GTAW)打底，焊條電弧焊(SMAW)填充蓋面的焊接方法進行焊接，同時焊接過程中使用測溫槍嚴格控制線能量的輸入，確?，F(xiàn)場焊接工藝嚴格按照作業(yè)指導書的要求進行，使焊接接頭的性能得到更好的體現(xiàn)。

4.1 焊前準備

根 據(jù) 質(zhì) 量 管 理“ 人 ”“ 機 ”“ 料 ”“ 法 ”“ 環(huán) ”五 個 要素，要確保P92焊接接頭的質(zhì)量，先從這五個方面做好準備：

(1)“人”：施工前進行焊接人員資質(zhì)的審核，確保人員資質(zhì)在有效期且作業(yè)項目在合格范圍之內(nèi)，對于P92的焊工，必須取得國家質(zhì)監(jiān)局頒發(fā)的“全國特種設備作業(yè)人員證”，資質(zhì)審核無誤后進入現(xiàn)場考試，試件射線檢測合格后方可上崗作業(yè)。

(2)“機”：焊接前檢查焊機的電纜有無破損、接錯或異樣，同時檢查所有接線柱接觸是否良好并已緊固好；查看設備電壓表、電流表顯示是否正常等。

氣瓶應檢查其接管螺紋是否完好，膠管有無破損或漏氣，其試壓日期是否在有效期內(nèi)；同時檢查瓶閥和減壓器有無漏氣、指針是否靈敏等，現(xiàn)場檢查時，可使用少量的肥皂水涂抹在閥體和膠管接口處，看是否漏氣，切忌使用明火照明，氣瓶如在冬季使用時，務必檢查瓶閥和減壓器指針是否靈敏，有無凍結(jié)現(xiàn)象，如閥門凍結(jié)，可適當?shù)氖褂脽崴M行解凍，嚴禁用明火烘烤或鐵器敲打；現(xiàn)場氣瓶應遠離明火及有砂輪機或氣割等金屬飛濺物等類熱源10 m以上，并用防震圈固定在氣瓶架上，外部設置防護板，與熱源進行隔離，同時氣瓶放置區(qū)域應設有干粉或二氧化碳滅火器等消防器材，以免發(fā)生火災。

(3)“料”：施工前檢查原材料是否已報驗合格，且母材已做光譜復檢，相關(guān)的入場材料均已通過施工單位、監(jiān)理單元及業(yè)主的聯(lián)合檢查驗收，且質(zhì)量證明文件符合規(guī)范及設計要求，同時按焊材烘烤程序檢查焊材是否按相應程序烘烤完成。

(4)“法”：焊接前要完成工藝評定的報審，并根據(jù)工藝評定和現(xiàn)場實際情況編制焊接作業(yè)指導書，并對焊工進行技術(shù)交底，確保焊工能夠嚴格按照作業(yè)指導書中相關(guān)工藝參數(shù)實施焊接。

(5)“環(huán)”：焊接作業(yè)中，環(huán)境的因素尤為重要，尤其是特殊材質(zhì)的焊接，如環(huán)境因素控制不當，極易出現(xiàn)焊接缺陷。嚴禁雨天進行焊接作業(yè)；普通管線濕度大于90%時停止焊接，但對于P92管，濕度超過85%時就不允許焊接；焊條電弧焊時，當風速超過8 m/s時禁止焊接；氬弧打底時，當風速超過2.2 m/s時，也不得進行焊接作業(yè)，如若進行焊接作業(yè)現(xiàn)場應增加擋風棚或采取遮風措施，并使用風速儀進行檢測，風速在合格范圍以內(nèi)方可焊接。

4.2 焊前打磨

焊接之前對母材坡口及其內(nèi)外兩側(cè)15～20 mm范圍內(nèi)的鐵銹、污垢等雜物進行清理，使其兩側(cè)不得有鐵銹、污垢等雜質(zhì)存在，且不得有裂紋、夾層等缺陷，其次對焊縫進行充氬保護，因P92馬氏體鋼中的鉻含量很高，其鉻質(zhì)量分數(shù)為8.50%～9.50%，在焊接過程中容易引起鉻的氧化燒損，會導致焊接接頭的鉻含量下降，從而影響接頭的性能。因此需通過對P92焊縫背面進行充氬氣保護，可防止鉻在焊接過程的燒損。

4.3 坡口選擇

壁厚≤20 mm的母材，坡口形式可采用單V型，壁厚＞20 mm的母材可采用U性坡口，且底部預留2 mm鈍邊，以便焊接。

4.4 焊材選用

考慮到焊接材料熔化時要保證熔敷金屬組織的均勻性，沒有偏析，選用實焊芯過渡合金元素的焊材，只能保證焊縫具有良好的力學性能和耐腐蝕性能。如選用低合金耐熱鋼的焊材，不僅能保證焊縫的力學性能和耐腐蝕性能，還能更好地保證熔敷金屬高溫的蠕變性能，特別是耐持久高溫的強度和蠕變塑性，故焊絲選用ER90S-G，焊條選用E9015-G。

4.5 焊接參數(shù)

為確保母材能夠充分熔透及背面焊縫成形美觀，首道焊采用鎢極氬弧焊進行打底，選用φ2.4的焊絲，電流控制在110～120 A，電壓控制在10～12 V；第二層及其以后的焊道，采用焊條電弧焊進行填充和蓋面焊，焊條選用φ2.5的，電流控制在75～95 A，電壓控制在22～24 V。

4.6 定位焊

管道定位焊采用根部定位焊縫，作為正式焊縫組對部分的根部焊縫，應滿足下列要求：(1)定位焊焊接工藝與正式焊接工藝相同，應由合格焊工施焊；(2)定位焊宜長度為15～20 mm，高2～4 mm且不超過壁厚的2/3；(3)定位焊點應均勻分布，一般不少于3點，定位焊應保證焊透及熔合良好，且無氣孔、夾渣、裂紋等缺陷；(4)為保證底層焊道成型完好，定位焊縫應平滑過渡到母材上，且應將焊縫兩端磨削成斜坡過渡，以利于焊接；(5)在焊接根部焊道前，應對定位焊縫進行檢查，當發(fā)現(xiàn)缺陷時應處理后方可施焊。

4.7 預熱

P92預熱溫度≥150 ℃，預熱可采用電阻加熱，加熱應在坡口兩側(cè)均勻進行；加熱帶寬度最小范圍宜為坡口兩側(cè)各不小于焊縫壁厚的5倍，且不小于100 mm，并采取防止局部過熱的措施；電阻加熱時，加熱寬度以外100 mm范圍應保溫，持續(xù)加熱時，加熱帶距坡口邊緣距離宜為25 mm。

預熱溫度可在正對著焊接的工件表面，離坡口邊緣4倍工件厚度且不超過 50 mm的距離處使用紅外線測溫槍測量，要求焊前預熱的焊件，其道間溫度應在預熱溫度(預熱溫度根據(jù)工藝評定要求)范圍內(nèi)，P92預熱溫度應在150～200 ℃。

4.8 層間溫度(線能量)控制

根據(jù)鐵碳合金相圖P92鋼的曲線可知，馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms 350～400 ℃，馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Mf為＞100 ℃且＜200 ℃，因而層間溫度或道間溫度不能超過Ms點，如果溫度超過Ms點，就會發(fā)生組織的轉(zhuǎn)變，得到的組織就不是馬氏體組織，而是其他的組織形式，從而影響整個焊接結(jié)構(gòu)的性能，應控制在Ms和Mf溫度之間。同時層間溫或道間溫溫度不能過低，應該不低于預熱溫度，以防產(chǎn)生冷裂紋。一般P92馬氏體鋼的層間溫度應控制在200～300 ℃，最高為350 ℃。

4.9 后熱及熱處理

焊后熱處理不僅可以消除焊接殘余應力，更重要的是可以改善組織、可有效的減少擴散氫的含量，使氫元素能夠充分地從鋼中溢出，提高焊接接頭的綜合力學性能，焊接后采取后熱處理是防止氫致裂紋、降低焊接殘余應力的重要措施，由于后熱減少了鋼的冷卻速度，相當于對鋼進行了一定的熱處理措施，降低P92的硬淬性，改善了焊縫的金屬性能，因此焊后如不能立即進行熱處理則應馬上進行后熱，即均勻加熱到200～350 ℃，用巖棉保溫0.5 h，緩慢冷卻到常溫后去除保溫棉，待后續(xù)具備條件后馬上進熱處理。如焊接完成后具備條件馬上可以進行熱處理，則應加熱到330～350 ℃，恒溫2 h的后進行，但需要注意在進行后熱處理前應先將焊縫保溫緩冷至80～100 ℃恒溫2 h，待馬氏體組織完全轉(zhuǎn)變后在進行熱處理。焊后熱處理采用高溫回火[2]，回火加熱溫度760 ℃左右，恒溫6 h，然后在升溫降速，以每小時小于100 ℃的速度降到300 ℃以下，可不控制冷卻速度，隨空氣緩慢冷卻至常溫。

P92材質(zhì)的焊縫熱處理后應及時進行硬度檢驗，除設計文件另有規(guī)定外，熱處理后的硬度值應≤241 HB，當管道組成件和焊縫重新進行熱處理時，應重新進行硬度檢驗。硬度檢驗區(qū)域應包括焊縫和兩側(cè)熱影響區(qū)(熱影響區(qū)的測定區(qū)域應緊鄰熔合線)的母材。

焊接接頭熱處理后，同時還應確認熱處理自動記錄曲線，如：熱處理自動記錄曲線異常，應查明原因；被查部件的焊接接頭硬度值超過規(guī)定范圍時，應重新進行熱處理。

4.10 無損檢測及焊縫返修

P92管焊焊后應進行外觀檢查，檢查合格后委托檢測單位進行無損檢測，檢測比例按照設計及規(guī)范要求執(zhí)行，其射線檢測的技術(shù)等級為 AB 級，合格級別不低于Ⅱ級。

對于外觀檢查和無損檢測不合格的焊縫要進行返修，返修時應按返修工藝進行返修，返修前要徹底清理缺陷，補焊后按原檢測方法進行累進檢測。焊縫的返修工作由優(yōu)秀的合格焊工擔任，P92鉻鉬鋼返修次數(shù)不超過2次，如超過2次，應報監(jiān)理、PMT，并做好臺賬記錄，返修后的焊口經(jīng)外觀檢測合格后按以上程序重新進行熱處理、無損檢測及硬度檢測等相關(guān)工作。

5 過程管控中的重點和難點

5.1 焊工超項

焊接接頭焊工超項問題在每個項目都是不可避免的，焊工超項，主要是材質(zhì)超項、管徑超項和壁厚超項這三大類?，F(xiàn)場為了更好地管理焊工超項，我們通常在焊工考試準入證上面進行標注，注明焊工可以焊接那類材質(zhì)的管線，管道直徑多少以下不能焊接，焊接的最大壁厚是多少等。同時加強焊工的技術(shù)交底及現(xiàn)場巡檢力度，對特殊材質(zhì)的焊工要進行固定，不能穿插，避免多種材質(zhì)來回焊接時焊材使用錯誤等情況的發(fā)生。

5.2 預制下料

P92管道下料時或開孔時宜采用機械切割，如現(xiàn)場條件不具備，使用火焰切割后，則必須按照SH 3501—2011《 石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗收規(guī)范》的要求對其坡口及其附近的母材進行PT檢測，檢測合格后方可進入下道工序。

5.3 溫度管控

由于P92材料的屬性，在焊接時容易出現(xiàn)冷裂紋、再熱裂紋及焊接接頭的脆化，出現(xiàn)此問題的主要原因就是焊接時因熱量輸入不均，比如焊前未預熱或焊后未及時熱處理致焊接接頭在空氣中快速冷卻時因溫度偏差使熔池金屬不易流動，致使焊縫出現(xiàn)成分不均勻的情況，從而引起偏析和接頭脆化的情況，為避免此問題，焊前必須進行預熱，預熱溫度在150～200 ℃之間，焊接過程中層間溫度應保持在200～300 ℃，并嚴格控制線能量的輸入，焊后馬上進行熱處理，熱處理時先加熱到300～350 ℃，恒溫2 h，再均勻加熱至760 ℃，恒溫6 h后以＜100 ℃/h的速度降到300 ℃以下，然后隨空氣冷卻至常溫。

5.4 檢測時機的選擇

由于P92鉻鉬鋼屬性可知，其焊接接頭很容易出現(xiàn)延遲裂，如檢測時機控制不當，在裂紋未形成前完成檢測，致后續(xù)裂紋不能及時檢出，使檢測結(jié)果發(fā)生誤判，造成質(zhì)量隱患。因此，對P92這種有延遲裂紋的焊接接頭，其無損檢測必須在焊接完成24 h后進行。

6 結(jié)語

P92合金鋼是化工裝備中常用的一種優(yōu)質(zhì)鉻鉬鋼管金屬材料，加強P92合金鋼焊接工藝的管控，對其焊接質(zhì)量有著重大意義。文章以P92材料為例，探討鉻鉬鋼管線焊接的工藝性能及在施工過程中存在重點和難點，對化工設備加工和維護以及正確加工和使用該種金屬材料進行了有益的探索。