耐热钢P91材料高压管道现场对接埋弧焊(SAW)工艺

耐热钢P91材料高压管道现场对接埋弧焊(SAW)工艺

唐元生1 李长安2

(1.中石化第十建设有限公司，山东 青岛 266555； 2.山东大学现代焊接技术研究所，济南 250061)

摘要 近十几年来在国内大型发电站机组建设中，从国外引进了一种新型的马氏体耐热钢(A335-P91)作为主蒸汽管道，该钢具有高温强度高、抗氧化性能和抗蠕变性能好以及相对高的热传导性与低的热膨胀率等特点。某公司承揽的某煤化工集团煤炭间接液化项目合成气净化装置，A335-P91工艺管道设计压力为13.5 MPa，设计温度为545 ℃，其中最大规格为φ610 mm×46 mm。根据材料焊接性分析，制定了GTAW填丝打底焊、埋弧焊工艺填充盖面的管道现场对接焊接工艺。结果表明，该工艺可高质量地完成A335-P91材料管道的焊接任务。

关键词： 马氏体耐热钢 埋弧焊 热处理

0 序 言

A335-P91钢为马氏体Cr-Mo-V-Nb合金钢，具有高温强度高、抗氧化性能和抗蠕变性能好以及相对高的热传导性与低的热膨胀率等特点。在亚临界、超临界锅炉壁温≤625 ℃的高温过热器、再热器用钢管以及壁温≤600 ℃的高温集箱和蒸汽管道具有广泛的应用，在核电热交换器以及石油裂化装置炉管中也有大量应用[1-2]。

某煤化工集团煤炭间接液化项目合成气净化装置中工艺管道采用A335-P91耐热钢，设计压力为13.5 MPa，设计温度为545 ℃，其中最大规格为φ610 mm×46 mm。文中根据材料焊接性分析，制定了A335-P91耐热钢管道现场对接焊接工艺，高质量地完成了焊接任务。

1 P91钢焊接性分析

A335-P91耐热钢为马氏体合金钢，化学成分和力学性能如表1～2所示。可见，作为一种马氏体合金钢，A335-P91耐热钢具有非常高的冷裂纹倾向[3-6]。有关施工经验表明，如果焊前不进行预热，则焊后裂纹率可达100%；若焊前实行200～250 ℃预热，则可有效避免产生冷裂纹。

鉴于A335-P91耐热钢的高冷裂敏感性，在焊接过程中对于层间温度的准确掌握十分必要，确保焊件稳定在预热温度或更高温度可有效避免冷裂纹产生。

焊接时需严格控制热输入，实践证明，较小的焊条直径、相对低的层间温度和适当小的焊接热输入可以有效提高焊接接头的冲击韧性。焊后需进行相应热处理以消除焊接接头中高硬度的不稳定组织，并要注意限制焊接完成到热处理开始时的时间间隔。

2 焊接工艺制定

对于P91钢，若焊接过程控制不严容易出现焊接裂纹、焊缝金属韧性低及根部焊缝金属氧化等问题，所以对其进行焊接具有一定的难度。为确保施工过程中P91钢管道的焊接工艺和焊接质量满足使用要求，需在施工前结合P91钢的焊接特性进行焊接工艺评定，并将评定报告作为现场安装、焊接施工的工艺规程，保证在现场施工过程中严格执行其中的工艺要求。

2.1 焊接材料

焊接材料选用日本神钢和德国奥钢联伯乐的产品，氩弧焊焊丝使用规格为φ2.4 mm的日本神钢焊丝，牌号为TG-S9CB；埋弧焊焊丝使用规格为φ2.5 mm的德国奥钢联伯乐焊丝，牌号为Thermanit MTS3。焊丝化学成分见表3。焊剂牌号为Marathon 543。

表1 A335-P91钢的化学成分(质量分数，%)

CSiMnSPCrMoVNiAlNb0.08～0.120.02～0.50.03～0.6≤0.006≤0.0138.0～9.50.85～1.050.18～0.25≤0.4≤0.020.06～0.10

表2 A335-P91钢的力学性能

抗拉强度Rm/MPa屈服强度ReL/MPa断后伸长率A(%)58541520

表3 焊丝化学成分(质量分数,%)

焊接材料CMnSiPSCrMoNiTG-S9CB0.080.990.170.0070.0038.880.870.69ThermanitMTS30.100.550.220.0050.0038.910.970.47

2.2 焊接工艺及参数

针对A335-P91钢淬硬倾向较高，对焊接冷裂纹非常敏感的特点，结合其被用于高压管道的焊接，决定采用钨极氩弧焊二层打底、埋弧焊填充和盖面的焊接方法。

焊接1,2层焊缝时采用钨极氩弧焊(GTAW)，第3层及以后填充和盖面焊采用埋弧焊。所用焊接工艺参数见表4。

表4 焊接工艺参数表

焊层焊接方法牌号焊材直径d/mm焊接电流I/A电弧电压U/V焊接速度v/(cm·min-1)1～2GTAWTG-S9CB2.490～1308～143～103～nSAWThermanitMTS32.5265～33526～3415～35

3 焊接施工工艺控制

3.1 坡口加工

由于A335-P91管道管壁较厚，单位重量大，为了不增加焊口，预制施工前先用电脑确定焊缝位置，然后使用带锯机下料，之后利用坡口机加工坡口，如图1所示。坡口形式选用U形坡口，如图2所示。

为彻底清除漆渍、铁锈、水分、氧化物等对焊接有害的物质，焊前将坡口两侧管道内外20～30 mm处打磨干净，以露出金属光泽为准[7]。

图1 管道的机械切割和坡口加工

图2 坡口示意图

3.2 焊口组对

使用专用的对口卡具进行焊前组对，切勿强行组对，尽量保证管道内壁齐平，允许存在少量错口，错口量需小于壁厚的10%，且≤1 mm；认真检查坡口处母材，确保没有缺陷后方可对口，如存在缺陷应另行处理；点焊选用的焊材、工艺及指定焊工的技术水平需要与正式焊接时一样。

3.3 焊前预热

焊前预热采用加热片进行电加热，进行跟踪预热，对称放置热电偶，预热前检查设备是否完好，仪表件能否正常使用，所需加热片、热电偶、线路、打印纸、墨水是否完好齐全。

打底焊采用钨极氩弧焊，焊前预热至150 ℃，焊接两遍。盖面焊预热温度220 ℃，达到预热温度后用测温枪检测预热温度。预热应在坡口中心两侧各不小于5倍壁厚且不小于100 mm的范围内均匀进行，保温范围为加热区以外100 mm，预热要均匀，防止局部过热。

3.4 打底层焊接

当预热温度升到要求温度并分布均匀后，采用钨极氩弧焊进行第1,2层焊缝的焊接。采用内送丝法进行打底焊，要保证根部充分熔合，并控制焊道厚度在2.8～3.2 mm范围内。打底焊时为防止根部焊缝金属氧化，避免合金成分烧损，使焊接接头性能变差，应在管道内充氩气进行保护[8]。充氩保护可参考以下要求：

(1)充氩保护范围以坡口中心为准，每侧各取200～300 mm，并利用耐高温胶带将可溶纸或其它可溶材料于管壁内粘牢，形成密封气室[9]。

(2)充氩时将“充气针”插入管壁坡口间隙，开始时控制流量为10～20 L/min，施焊过程中流量应保持在8～10 L/min。

(3)在焊缝间隙附近点燃打火机或火柴检验是否完全充氩，如果火焰熄灭，说明内部空气已排尽，满足钨极氩弧焊要求，可进行打底焊。

3.5 埋弧焊填充、盖面层焊接

完成一、二层焊接后，升温至200～250 ℃进行预热，采用埋弧焊进行填充盖面，如图3所示。

焊接A335-P91钢时，熔池液态金属粘度大，流动性差，熔渣不易浮出，因而容易出现夹渣、层间未熔合等缺陷。为防止大的缺陷产生并确保焊缝的综合力学性能，必须利用多层多道焊工艺进行焊接，而且焊道厚度尽可能薄，每层焊道厚度≤4 mm；焊接接头应错开，不可重叠，避免造成接头晶粒粗大，韧性降低。焊接过程中重点是控制热输入，热输入不能过高，层间温度保持在200～250 ℃，防止产生裂纹，焊接时用测温枪对层间温度进行检查。收弧时要填满弧坑，避免产生弧坑裂纹。

图3 埋弧焊接填充盖面

3.6 焊后热处理

由于A335-P91耐热钢冷裂纹敏感性高，P91管道焊接完成后，必须保温缓冷至80～100 ℃，恒温2 h。P91钢马氏体转变结束温度Mf约为100 ℃，焊缝降温至100 ℃以下，可实现向马氏体完全转变，从而保证在随后的高温回火过程中生成具有良好强度、韧度的回火马氏体。

焊接完成后立即进行高温回火处理是由于最后一层焊缝没有后续焊道，因而没有回火效应，表层硬度高，残余应力大。如直接放置，容易吸收空气中水汽，从而腐蚀、淬硬表层，另外叠加残余应力、氢致开裂倾向、应力腐蚀，表层金属极其容易开裂，进而延伸至焊缝深处。

如果焊后不能及时进行热处理，应立即对接头采取后热措施，加热温度为300～350 ℃、保温时间为2 h。

焊后热处理要求更加严格：多路加热、多点测温，保证加热器与热电偶对应，接头各处温度均匀一致；升温至300 ℃以上后，升、降温速度为≤150 ℃/h；降温过程中，300 ℃至室温阶段可在保温层内进行；热处理控温在750～770 ℃，保温时间按5 min/mm确定，但至少应保证4 h保温；保温过程中，各点测得的温度均应在750～770 ℃之间。

焊前编制应急预案，程序、材料、备用发电机等可靠适用，保证焊接和焊接热处理一次连续完成。只有同时满足下列两个条件时，方可中断焊接：

(1)至少已经焊接9 mm厚的焊缝或填满25%坡口深度，取较小值。

(2)焊缝进行后热处理。后热工艺为300～350 ℃之间恒温2 h。

重新焊接时，首先检测表面有无裂纹，没有裂纹方可按照规定重新预热、焊接。

3.7 焊缝质量检验

(1)外观要求：焊缝应成型良好，保证每边超出坡口2 mm。焊接接头不得有裂纹、夹渣、气孔、未熔合等缺陷存在；焊缝表面不得有咬边现象，且不得低于母材表面。

(2)无损检验：按NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》要求对焊缝进行射线检测(RT)探伤，检测时机应在热处理24 h后进行。

(3)硬度要求：热处理完成后，应测定焊缝硬度，硬度应小于241 HB。

(4)光谱分析：焊后进行光谱分析，复查焊缝金属合金成分。

4 结 论

通过选择以上管道现场对接施工工艺，焊接生产效率显著提高，以规格为φ610 mm×46 mm的管道为例，采用管道埋弧工艺，每台设备每天可焊接3个焊口，生产效率相对焊条电弧焊提高近5倍；焊缝可以连续焊接完成，减少了焊条电弧焊接时对焊缝多次的预热与后热，使得焊接质量得到有效保障，降低人工及综合成本；焊接质量稳定，焊缝成型美观；同时降低了焊工的劳动强度，改善了生产作业环境，为公司经济效益提升做出了重要贡献。

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中图分类号： TG445

收稿日期： 2017-06-21

作者简介： 唐元生,1969年出生。主要从事化工压力容器、储罐、钢结构等设备的建设安装以及焊工培训工作，已发表论文10余篇。