(1.中石化第十建設(shè)有限公司，山東 青島 266555； 2.山東大學(xué)現(xiàn)代焊接技術(shù)研究所，濟(jì)南 250061)

耐熱鋼P(yáng)91材料高壓管道現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接埋弧焊(SAW)工藝

唐元生1李長(zhǎng)安2

(1.中石化第十建設(shè)有限公司，山東青島266555； 2.山東大學(xué)現(xiàn)代焊接技術(shù)研究所，濟(jì)南250061)

近十幾年來(lái)在國(guó)內(nèi)大型發(fā)電站機(jī)組建設(shè)中，從國(guó)外引進(jìn)了一種新型的馬氏體耐熱鋼(A335-P91)作為主蒸汽管道，該鋼具有高溫強(qiáng)度高、抗氧化性能和抗蠕變性能好以及相對(duì)高的熱傳導(dǎo)性與低的熱膨脹率等特點(diǎn)。某公司承攬的某煤化工集團(tuán)煤炭間接液化項(xiàng)目合成氣凈化裝置，A335-P91工藝管道設(shè)計(jì)壓力為13.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度為545 ℃，其中最大規(guī)格為φ610 mm×46 mm。根據(jù)材料焊接性分析，制定了GTAW填絲打底焊、埋弧焊工藝填充蓋面的管道現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接焊接工藝。結(jié)果表明，該工藝可高質(zhì)量地完成A335-P91材料管道的焊接任務(wù)。

馬氏體耐熱鋼埋弧焊熱處理

0 序 言

A335-P91鋼為馬氏體Cr-Mo-V-Nb合金鋼，具有高溫強(qiáng)度高、抗氧化性能和抗蠕變性能好以及相對(duì)高的熱傳導(dǎo)性與低的熱膨脹率等特點(diǎn)。在亞臨界、超臨界鍋爐壁溫≤625 ℃的高溫過熱器、再熱器用鋼管以及壁溫≤600 ℃的高溫集箱和蒸汽管道具有廣泛的應(yīng)用，在核電熱交換器以及石油裂化裝置爐管中也有大量應(yīng)用[1-2]。

某煤化工集團(tuán)煤炭間接液化項(xiàng)目合成氣凈化裝置中工藝管道采用A335-P91耐熱鋼，設(shè)計(jì)壓力為13.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度為545 ℃，其中最大規(guī)格為φ610 mm×46 mm。文中根據(jù)材料焊接性分析，制定了A335-P91耐熱鋼管道現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接焊接工藝，高質(zhì)量地完成了焊接任務(wù)。

1 P91鋼焊接性分析

A335-P91耐熱鋼為馬氏體合金鋼，化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1～2所示。可見，作為一種馬氏體合金鋼，A335-P91耐熱鋼具有非常高的冷裂紋傾向[3-6]。有關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)表明，如果焊前不進(jìn)行預(yù)熱，則焊后裂紋率可達(dá)100%；若焊前實(shí)行200～250 ℃預(yù)熱，則可有效避免產(chǎn)生冷裂紋。

鑒于A335-P91耐熱鋼的高冷裂敏感性，在焊接過程中對(duì)于層間溫度的準(zhǔn)確掌握十分必要，確保焊件穩(wěn)定在預(yù)熱溫度或更高溫度可有效避免冷裂紋產(chǎn)生。

焊接時(shí)需嚴(yán)格控制熱輸入，實(shí)踐證明，較小的焊條直徑、相對(duì)低的層間溫度和適當(dāng)小的焊接熱輸入可以有效提高焊接接頭的沖擊韌性。焊后需進(jìn)行相應(yīng)熱處理以消除焊接接頭中高硬度的不穩(wěn)定組織，并要注意限制焊接完成到熱處理開始時(shí)的時(shí)間間隔。

2 焊接工藝制定

對(duì)于P91鋼，若焊接過程控制不嚴(yán)容易出現(xiàn)焊接裂紋、焊縫金屬韌性低及根部焊縫金屬氧化等問題，所以對(duì)其進(jìn)行焊接具有一定的難度。為確保施工過程中P91鋼管道的焊接工藝和焊接質(zhì)量滿足使用要求，需在施工前結(jié)合P91鋼的焊接特性進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，并將評(píng)定報(bào)告作為現(xiàn)場(chǎng)安裝、焊接施工的工藝規(guī)程，保證在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中嚴(yán)格執(zhí)行其中的工藝要求。

2.1 焊接材料

焊接材料選用日本神鋼和德國(guó)奧鋼聯(lián)伯樂的產(chǎn)品，氬弧焊焊絲使用規(guī)格為φ2.4 mm的日本神鋼焊絲，牌號(hào)為TG-S9CB；埋弧焊焊絲使用規(guī)格為φ2.5 mm的德國(guó)奧鋼聯(lián)伯樂焊絲，牌號(hào)為Thermanit MTS3。焊絲化學(xué)成分見表3。焊劑牌號(hào)為Marathon 543。

表1 A335-P91鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 A335-P91鋼的力學(xué)性能

表3 焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

2.2 焊接工藝及參數(shù)

針對(duì)A335-P91鋼淬硬傾向較高，對(duì)焊接冷裂紋非常敏感的特點(diǎn)，結(jié)合其被用于高壓管道的焊接，決定采用鎢極氬弧焊二層打底、埋弧焊填充和蓋面的焊接方法。

焊接1,2層焊縫時(shí)采用鎢極氬弧焊(GTAW)，第3層及以后填充和蓋面焊采用埋弧焊。所用焊接工藝參數(shù)見表4。

表4 焊接工藝參數(shù)表

3 焊接施工工藝控制

3.1 坡口加工

由于A335-P91管道管壁較厚，單位重量大，為了不增加焊口，預(yù)制施工前先用電腦確定焊縫位置，然后使用帶鋸機(jī)下料，之后利用坡口機(jī)加工坡口，如圖1所示。坡口形式選用U形坡口，如圖2所示。

為徹底清除漆漬、鐵銹、水分、氧化物等對(duì)焊接有害的物質(zhì)，焊前將坡口兩側(cè)管道內(nèi)外20～30 mm處打磨干凈，以露出金屬光澤為準(zhǔn)[7]。

圖1 管道的機(jī)械切割和坡口加工

圖2 坡口示意圖

3.2 焊口組對(duì)

使用專用的對(duì)口卡具進(jìn)行焊前組對(duì)，切勿強(qiáng)行組對(duì)，盡量保證管道內(nèi)壁齊平，允許存在少量錯(cuò)口，錯(cuò)口量需小于壁厚的10%，且≤1 mm；認(rèn)真檢查坡口處母材，確保沒有缺陷后方可對(duì)口，如存在缺陷應(yīng)另行處理；點(diǎn)焊選用的焊材、工藝及指定焊工的技術(shù)水平需要與正式焊接時(shí)一樣。

3.3 焊前預(yù)熱

焊前預(yù)熱采用加熱片進(jìn)行電加熱，進(jìn)行跟蹤預(yù)熱，對(duì)稱放置熱電偶，預(yù)熱前檢查設(shè)備是否完好，儀表件能否正常使用，所需加熱片、熱電偶、線路、打印紙、墨水是否完好齊全。

打底焊采用鎢極氬弧焊，焊前預(yù)熱至150 ℃，焊接兩遍。蓋面焊預(yù)熱溫度220 ℃，達(dá)到預(yù)熱溫度后用測(cè)溫槍檢測(cè)預(yù)熱溫度。預(yù)熱應(yīng)在坡口中心兩側(cè)各不小于5倍壁厚且不小于100 mm的范圍內(nèi)均勻進(jìn)行，保溫范圍為加熱區(qū)以外100 mm，預(yù)熱要均勻，防止局部過熱。

3.4 打底層焊接

當(dāng)預(yù)熱溫度升到要求溫度并分布均勻后，采用鎢極氬弧焊進(jìn)行第1,2層焊縫的焊接。采用內(nèi)送絲法進(jìn)行打底焊，要保證根部充分熔合，并控制焊道厚度在2.8～3.2 mm范圍內(nèi)。打底焊時(shí)為防止根部焊縫金屬氧化，避免合金成分燒損，使焊接接頭性能變差，應(yīng)在管道內(nèi)充氬氣進(jìn)行保護(hù)[8]。充氬保護(hù)可參考以下要求：

(1)充氬保護(hù)范圍以坡口中心為準(zhǔn)，每側(cè)各取200～300 mm，并利用耐高溫膠帶將可溶紙或其它可溶材料于管壁內(nèi)粘牢，形成密封氣室[9]。

(2)充氬時(shí)將“充氣針”插入管壁坡口間隙，開始時(shí)控制流量為10～20 L/min，施焊過程中流量應(yīng)保持在8～10 L/min。

(3)在焊縫間隙附近點(diǎn)燃打火機(jī)或火柴檢驗(yàn)是否完全充氬，如果火焰熄滅，說明內(nèi)部空氣已排盡，滿足鎢極氬弧焊要求，可進(jìn)行打底焊。

3.5 埋弧焊填充、蓋面層焊接

完成一、二層焊接后，升溫至200～250 ℃進(jìn)行預(yù)熱，采用埋弧焊進(jìn)行填充蓋面，如圖3所示。

焊接A335-P91鋼時(shí)，熔池液態(tài)金屬粘度大，流動(dòng)性差，熔渣不易浮出，因而容易出現(xiàn)夾渣、層間未熔合等缺陷。為防止大的缺陷產(chǎn)生并確保焊縫的綜合力學(xué)性能，必須利用多層多道焊工藝進(jìn)行焊接，而且焊道厚度盡可能薄，每層焊道厚度≤4 mm；焊接接頭應(yīng)錯(cuò)開，不可重疊，避免造成接頭晶粒粗大，韌性降低。焊接過程中重點(diǎn)是控制熱輸入，熱輸入不能過高，層間溫度保持在200～250 ℃，防止產(chǎn)生裂紋，焊接時(shí)用測(cè)溫槍對(duì)層間溫度進(jìn)行檢查。收弧時(shí)要填滿弧坑，避免產(chǎn)生弧坑裂紋。

圖3 埋弧焊接填充蓋面

3.6 焊后熱處理

由于A335-P91耐熱鋼冷裂紋敏感性高，P91管道焊接完成后，必須保溫緩冷至80～100 ℃，恒溫2 h。P91鋼馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Mf約為100 ℃，焊縫降溫至100 ℃以下，可實(shí)現(xiàn)向馬氏體完全轉(zhuǎn)變，從而保證在隨后的高溫回火過程中生成具有良好強(qiáng)度、韌度的回火馬氏體。

焊接完成后立即進(jìn)行高溫回火處理是由于最后一層焊縫沒有后續(xù)焊道，因而沒有回火效應(yīng)，表層硬度高，殘余應(yīng)力大。如直接放置，容易吸收空氣中水汽，從而腐蝕、淬硬表層，另外疊加殘余應(yīng)力、氫致開裂傾向、應(yīng)力腐蝕，表層金屬極其容易開裂，進(jìn)而延伸至焊縫深處。

如果焊后不能及時(shí)進(jìn)行熱處理，應(yīng)立即對(duì)接頭采取后熱措施，加熱溫度為300～350 ℃、保溫時(shí)間為2 h。

焊后熱處理要求更加嚴(yán)格：多路加熱、多點(diǎn)測(cè)溫，保證加熱器與熱電偶對(duì)應(yīng)，接頭各處溫度均勻一致；升溫至300 ℃以上后，升、降溫速度為≤150 ℃/h；降溫過程中，300 ℃至室溫階段可在保溫層內(nèi)進(jìn)行；熱處理控溫在750～770 ℃，保溫時(shí)間按5 min/mm確定，但至少應(yīng)保證4 h保溫；保溫過程中，各點(diǎn)測(cè)得的溫度均應(yīng)在750～770 ℃之間。

焊前編制應(yīng)急預(yù)案，程序、材料、備用發(fā)電機(jī)等可靠適用，保證焊接和焊接熱處理一次連續(xù)完成。只有同時(shí)滿足下列兩個(gè)條件時(shí)，方可中斷焊接：

(1)至少已經(jīng)焊接9 mm厚的焊縫或填滿25%坡口深度，取較小值。

(2)焊縫進(jìn)行后熱處理。后熱工藝為300～350 ℃之間恒溫2 h。

重新焊接時(shí)，首先檢測(cè)表面有無(wú)裂紋，沒有裂紋方可按照規(guī)定重新預(yù)熱、焊接。

3.7 焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)

(1)外觀要求：焊縫應(yīng)成型良好，保證每邊超出坡口2 mm。焊接接頭不得有裂紋、夾渣、氣孔、未熔合等缺陷存在；焊縫表面不得有咬邊現(xiàn)象，且不得低于母材表面。

(2)無(wú)損檢驗(yàn)：按NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》要求對(duì)焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)(RT)探傷，檢測(cè)時(shí)機(jī)應(yīng)在熱處理24 h后進(jìn)行。

(3)硬度要求：熱處理完成后，應(yīng)測(cè)定焊縫硬度，硬度應(yīng)小于241 HB。

(4)光譜分析：焊后進(jìn)行光譜分析，復(fù)查焊縫金屬合金成分。

4 結(jié) 論

通過選擇以上管道現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接施工工藝，焊接生產(chǎn)效率顯著提高，以規(guī)格為φ610 mm×46 mm的管道為例，采用管道埋弧工藝，每臺(tái)設(shè)備每天可焊接3個(gè)焊口，生產(chǎn)效率相對(duì)焊條電弧焊提高近5倍；焊縫可以連續(xù)焊接完成，減少了焊條電弧焊接時(shí)對(duì)焊縫多次的預(yù)熱與后熱，使得焊接質(zhì)量得到有效保障，降低人工及綜合成本；焊接質(zhì)量穩(wěn)定，焊縫成型美觀；同時(shí)降低了焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，為公司經(jīng)濟(jì)效益提升做出了重要貢獻(xiàn)。

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TG445

2017-06-21

唐元生,1969年出生。主要從事化工壓力容器、儲(chǔ)罐、鋼結(jié)構(gòu)等設(shè)備的建設(shè)安裝以及焊工培訓(xùn)工作，已發(fā)表論文10余篇。