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P91马氏体耐热钢焊接工艺控制措施

浏览次数: 日期:2015年5月5日 09:26

P91马氏体耐热钢焊接工艺控制措施
刘仲民

(秒速时时彩|秒速时时彩开奖直播-秒速时时彩开奖纪录第三工程公司  西安  710089)

摘   要: 本文在分析P91马氏体耐热钢的特殊焊接性的基础上,提出了P91钢管的焊接工艺控制措施,可供同类工程参考借鉴。

关 键 词:     P91钢      焊接工艺     控制措施

前 言
    P91钢以其良好的高温持久强度、热稳定性和高温抗蠕变能力等综合性能,在电力和石化行业中获得越来越广的应用。很多重点工程,都涉及到P91钢管的各种焊接技术。该钢焊接时出现的主要问题是冷裂纹敏感性较强,以及一定的热裂纹倾向,尤其是焊接热裂纹、再热裂纹等的反复出现,使该钢材的焊接技术难度进一步加大。
    在实践中,通过对一些已使用过P91钢焊接的设备管道机组所产生的疲劳微裂纹进行分析,得知焊接微裂纹大都是在焊接完毕之后的正常运行过程中才出现的。显然,此类钢焊接裂纹问题是难以控制的。本文针对P91马氏体耐热钢的焊接难点,结合施工实际,通过焊接和探伤、理化试验等科学手段,对焊接工艺评定试验数据反复分析和论证、最终提出了合理的P91钢焊接工艺控制措施。

1 P91钢材及其焊接性
1.1问题的提出
    2013年,在蒲城清洁能源工程ⅴ标段某管廊P91钢管焊接施工中,因业主施工要求高,施工周期又很短,面临既要确保焊接工程优质,又想降低焊接工程成本的实际问题。为攻克所面临的难题,我们在焊接之前进行了焊接工艺评定,从焊接工艺难度上给予了技术支持。
1.2 P91材料介绍
(1)P91钢是热强钢的第三代产品,是根据美国材料学会(ASTM)提出的A335材料标准,采用特殊冶炼轧制、控冷工艺生产出来的耐高温中合金耐热钢。其特点是降低了含碳量,改善了钢的塑韧性和焊接性,提高了钢的高温稳定性,其600℃时的持久强度比马氏体不锈钢F11和F12提高了近70%。
(2)P91钢具有耐高温、强度高、抗氧化性能和抗蠕变性能,以及相对高的热传导性与低的热膨胀率等特点,填补了铁素体钢与奥氏体钢间的空白,使焊件具有较小的截面尺寸,有效地降低了焊件壁厚,减少了材料用量,降低了管道热应力,减少了热疲劳裂纹的危险。
1.3 P91钢的焊接性分析
1.3.1化学成分
    P91钢是在9Cr1MoV耐热钢的基础上降低含碳(C)量,严格限制硫(S)、磷(P)的含量,添加少量的钒(V)、铌(Nb)元素进行合金化而成的新型马氏体耐热钢。

1.3.2力学性能分析
    从P91钢材的高温力学性能指标看,P91钢的强度和韧性改善了,比以前使用的铬钼钢的耐热性提高了许多倍,且具有良好的高温耐腐蚀、抗疲劳优势,因此被列入电站建设领域里的重要材料,在一些大型超临界、超高压的大容量高参数热力设备机组,能源和石油化工行业高温、高压管道工程的设计中,也被优先选取。因此,熟练掌握P91钢的焊接技术,就成为焊接界的重要课题。
1.3.3焊接性分析
    从P9I钢的化学成分及力学性能分析上看,尽管碳和杂质元素的含量降低了,焊接裂纹的敏感性明显减弱,焊接性有所改善,但是这并不意味着在所有的情况下都能获得满意的接头性能。该钢材焊接性的主要问题是冷裂纹敏感性较强,以及一定的热裂纹倾向,同时也不可忽视接头性能的弱化(焊缝区韧性恶化和热影响区的软化)。此类钢对焊接工艺的严谨性要求与早期的国产9Cr-1Mo耐热钢相比更高,焊接热输入量要求更严格,特别是焊后热处理的温度和保温时间对焊接接头的韧性也有很大影响,必须给予足够重视。
1.3.4焊接工艺评定
    焊接工艺评定与实际焊接操作工艺不同。在此类钢的焊接中,使用的焊接工艺必须经过评定,而焊接操作工艺的重要性则退居其次。评定的依据也不再是一系列常温力学性能,而是把重点放在了验证焊接接头能否获得预期的塑韧性和金相组织——充分保证高温力学性能上。因此,在进行焊接工艺评定时,除要依据《承压设备焊接工艺评定》(NB/T47014)的相关规定外,还应考虑P91钢材本身高温力学性能的特殊性,同时增加对焊接接头的金相微观检验和硬度检测等试验项目。
1.3.5焊接工艺控制
    合理的焊接工艺是控制和改善该钢材焊接性的重要技术手段,焊接时,应确保焊接工艺的全过程严格受控。
(1)预热
    由于P91是中合金钢,它具有相当高的冷裂倾向,在不预热条件下焊接裂纹达100%,理论上,当预热200℃~250℃时可避免冷裂纹的产生,因此焊前必须预热,还要安排专人监控测温。对粗大厚壁的管道,通常采用远红外数字式测温仪测量控制预热温度,采用履带片式电加热器控制预热效果。实际操作预热温度值Tyh为:
1)对口时,Tyh=150℃~200℃,即可点固对口焊接。
2)在使用氩弧焊打底、填充焊接时,焊道间的层间预热温度Tyh=200℃~300℃。
3)当使用氩弧焊焊接打底和焊条电弧焊焊接填充、盖面时,焊前必须将待焊母材焊口两侧预热到至少Tyh=200℃~300℃,方可施焊。且在整个焊接过程中,应连续施焊,并应严格控制焊件的层间温度值Tcj(Tcj=150℃~200℃),使焊层、焊道间随时保持在预热温度(或稍超出预热温度±25℃)的范围内。达到规定的预热温度,是施焊前的首要任务。要注意从道间温度降至焊接完,直至后热(指用火焰加热)开始的高温停留(或:焊缝高温冷却的冷却时间)时间间隔⊿t值,焊接经验表明:当⊿t = 220min时,才能满足焊层温度不得低于Tcj≥120℃~180℃的最低基本施焊要求。     
(2)焊接热输入
    对焊接输入热量的控制(即实际施焊操作技术)要求很高。实践经验证明,采用较小的焊条直径、比较低的道间温度和较小的焊接线能量,冲击韧性可以大大提高焊接输入热量。
(3)焊后热处理
    焊接接头在焊后状态均为高硬度的不稳定组织,因此焊后必须作相应的后热及热处理,即必须进行高温回火,其加热温度为760±10℃,恒温时间不得少于4h。采用高温回火的目的主要是改善焊接接头的金相组织和消除残余应力。

2 P91钢管道施工焊接工艺控制措施
2.1 施工准备
    P91钢的焊接工艺复杂,开工前应做好:焊接工艺评定、焊接工艺控制措施(包括焊工考试、焊接工艺规程、焊接及其热处理成套设备)等施工前的准备工作。
2.2 管道安装施工工艺
2.2.1 管道施工工艺流程

2.2.2 管道焊接施工措施
    P91钢的焊接,应遵照国家电力公司电源建设部《 T9l/ P91锅炉焊接工艺导则》(电源质 [2002]100号)。可结合设计要求和相关的焊接规范,先完成焊接工艺评定(PWPS+PQR)以及现场焊接考试,再制订出P91钢管焊接施工实施方案和焊接工艺规程(WPS)。应成立焊接攻关小组,加强管理,严格按规范施工。
2.2.3  坡口加工
(1) 坡口形式和尺寸的选择应符合焊接工艺指导书的要求,并遵照规范制备。

(2) 坡口的加工采用机械或火焰加工,在管道内外壁两侧15~20mm范围内,使用角向砂轮机打磨焊道、坡口并清理干净,不得有油、漆、污垢和氧化皮等污物,直至露出金属光泽。
2.2.4 焊口组对
(1)不得在管道上焊接任何临时支撑物,不得强力对口,以减少附加应力。更不允许利用热膨胀法对口。坡口钝边厚度不得超过2mm,以防止因铁水流动性差造成根部未融合。
(2) 管口组对采用管道对口器,应做到内壁齐平,如有错边,其错边量不应超过壁厚的10%,且不大于1mm。点焊用焊接工艺应与正式焊接时相同。小径薄壁管点焊时,间隙为2~3mm,可在坡口内直接点固2~3点;大口径管道点焊时,间隙为3~5mm。点焊可采用“定位块”固定。
2.2.5 焊前预热
(1) 按《火力发电厂焊接热处理技术规程》(DL/T819-2002)的要求进行焊前预热。预热至200℃~250℃,恒温一定时间,待内外壁温差<30℃时方可焊接。采用电脑温控电加热设备,对焊口进行跟踪预热。热电偶对称布置且与管件接触良好。测温点距坡口边缘50mm,预热温度以红外线测温仪为准。
(2) 预热宽度从坡口中心每侧不少于5倍的管壁厚计算,且不小于100mm。一般采用坡口两侧150mm左右,预热区及以外100mm范围内应予以保温。
2.2.6 充氩保护
(1) 为防止P91钢焊缝根部氧化,氩弧焊打底焊接两层。需做充氩保护。
(2) 大径管充氩方法:可制作专用工具。无法采取专用装置时,可用耐高温硬纸板或粘贴可溶纸配合耐温胶布等材料在焊口附近形成密闭气室(可用火柴点火,验证气室密封)。
(3) 充氩位置
从开孔处进行充氩;利用对口间隙,将细长铜管或不锈钢管敲扁后通过坡口伸进焊接区域,进行充气保护;从管道开口端,利用充氩工具进行充氩(见图1)。氩气(Ar)流量:打底第1层,控制在10-20 l/min, 打底第2层,控制在8-15 l/min,
2.3  管道焊接及其热处理工艺控制措施
2.3.1 氩弧焊打底(TGAW)
(1)管道预热到规定温度后开始进行氩弧焊打底;打底采用直流正接法、两人对称焊接。
(2) 氩弧焊打底时采用高频引弧、衰减收弧。氩弧焊焊丝:大西洋牌CHG91(型号是ER90S-B9),φ2.5mm,电流90~120A。氩弧焊打底时,焊接速度不宜太快,焊层厚度不少于3mm,打底层应焊2遍为宜,以避免根部产生收缩沟。,且焊接过程应随时观察根部焊道的成型,避免根部凹陷、焊瘤、未焊透、未融合等缺陷。
2.3.2 钨极氩弧焊打底+焊条电弧焊(TGAW+MSAW)
(1) 打底焊:氩弧焊打底焊接工艺同上。
(2) 填充焊:打底完毕,测量道间温度在200℃~300℃范围内,再用焊条电弧焊填充和盖面焊接。焊接用电焊条:大西洋牌CHH717(型号是E9015-B9),应按照焊条使用说明或者规范规定进行烘焙。第1,第2层的电弧焊,采用φ3.2mm焊条,电流90~120A,小电流施焊且应保证熔化良好,严防烧穿氩弧焊打底焊缝。
2)中间各层、各道的焊接,采用φ4mm焊条,电流135~180A;道间接头应错开且应进行层间清理,严防焊缝夹渣。
(3) 填充、盖面焊接
采用多层多道焊,仍使用上述焊条电弧焊填盖焊接工艺,单层厚度约4mm,单焊道摆动宽度≤3倍焊条直径。须清渣,清理接头及焊道两侧部位。注意接头和收弧的焊接,避免产生弧坑裂纹。
2.3.3 施焊控制
   遵照《焊接工艺规程(WPS)》,强调:焊接规范尤其是焊接电流大小应符合焊接工艺规定。
2.3.4 施工现场对焊接电源和焊层后热的要求
    P91钢焊接必须连续作业。不得中途随便停止。(这是因为该钢材焊接性本身比较特殊所致,若现场出现意外断电,必须提前做好临时电力供应的应急补救措施,如施焊前应在焊口附近预备好大烤把、足够量的瓶装LPG气瓶和发电机组,以防止供电意外中断而引起焊口开裂)。 一旦供电中断,立即进行消氢处理。
2.3.5  后热及焊后热处理
    P91管道的焊缝在焊接完毕后需冷却到80℃~100℃,并至少保持2h,再做焊后热处理,确保得到100﹪马氏体组织,经焊后热处理最终组织为回火马氏体。焊后热处理加热温度为750℃~770℃,升降速度≯150℃/h。当温度降至300℃以下时可不控制,使其缓慢冷却。焊后热处理理论恒温时间按壁厚2.4min/mm计算,实际恒温时间≥3h。焊后热处理的加热宽度,从焊缝中心计算,每侧不小于管壁厚的3倍,且不小于60mm。且焊后热处理的保温宽度,应从焊缝中心算起,每侧不小于管道壁厚的3倍,保温层厚度以50~80mm为宜。将热电偶采用捆扎方式布设于管道外侧。在焊缝中心按圆周对称位置布设,且不少于两点。
2.3.6 焊接及其焊缝焊后热处理工艺控制措施
(1)应强调:必须确保控制焊接过程中的预热、焊接操作技术,热处理以及无损检测等各个施工环节,尤其是要对预热温度和道层间温度进行严格的控制,切忌随意改变焊接和热处理工艺,违犯焊接工艺纪律,否则,因误焊而导致的灾难性事故将会不堪设想。
(2)在焊后冷却的过程中应准确测量焊缝表面温度,按照焊接工艺规程,控制管道外壁温度应在100℃~108℃范围内,只有这样,才可有效防止各种焊接裂纹特别是焊接微裂纹的产生。
2.4  焊缝质量检验
2.4.1目视检查
    按照《石油化工工程铬钼耐热钢管道焊接技术规程》(SH3520-2004)或《火力发电厂焊接技术规程》(DL/T869-2012)的标准,对焊缝外观质量进行目视检查。
2.4.2无损检验
    按设计和施工规范要求,对焊口进行无损检测,合格级别不应低于设计要求。
2.4.3硬度测定
    热处理完毕后,做100%硬度测定,硬度值不小于350HB。

3结论
    通过分析和焊接试验、经焊接工程验证,焊接P91钢时,本文所提出的焊接工艺控制措施,满足施工要求。实践表明:上述P91钢焊接工艺控制措施完全合理,符合科学施工要求。

参考文献:
[1] 中国机械工程学会.焊接手册 ( 第二卷).北京:机械工业出版社,1992.
[2] 周振丰  张文钺.焊接冶金与金属焊接性 .北京:机械工业出版社,1998.
[3] 王发现.电站锅炉安装中P91钢焊接微裂纹的研究与探讨.焊接技术第42卷,2013年10月第10期.
[4] 王敬红. P91钢的焊接工艺评定及现场焊接.焊接技术第30卷,2001年2月第1期.
[5] T9l/ P91钢 焊接工艺导则. 电源质 [2002]100号.
[6] NB/T47014-2011承压设备焊接工艺评定.   
[7] DL/T868-2004焊接工艺评定规程.  
[8] DL/T869-2012火力发电厂焊接技术规程.
[9] DL/T819-2010火力发电厂焊接热处理技术规程.
[10] TSGD0001-2009压力管道安全管理与监察规定.  

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