厚壁SA335,P91管道埋弧焊

摘 要：对600MW超超临界燃煤汽轮机发电机组，主蒸汽管道材质SA335 P91是焊接难度较高的马氏体耐热钢，为提高其现场安装效率对其施行工厂化施工，现总结在冬季埋弧焊焊接过程的控制要点。

关键词：P91；埋弧焊；工艺

在低温情况下，为了确保厚壁SA335 P91埋弧焊焊缝的质量，我厂根据现场情况及以往的生产经验制定合理的焊接工艺来确保厚壁P91管道的质量。

一、母材及焊材概述

1.P91钢材料特性。P91钢是在9Cr-1Mo钢的基础上加入V、Nb、N，缩小C、Cr、Si、Mo、P、S等元素含量范围的一种马氏体耐热钢。20世纪70年代后期由美国燃烧工程和橡树岭国家试验室（ORNL）共同研制，其目的是应用于温度不超过550℃的液态金属快中子反应堆（LMFBR）材料。P91钢在1984 年得到了美国材料试验学会的批准，纳入ASME SA335标准。由于其具有较好的工艺性能、力学性能、低的热膨胀系数和高的热传导率，广泛应用在制造超临界和超超临界火力发电机组的高温管道和集箱。

2.P91焊接难点。（1）焊接裂纹敏感性。钢含有多种合金元素，总含量有10%左右，碳当量很高，空淬性很高。由于HAZ淬硬倾向大，有较高的冷裂纹倾向；同时钢中含有C、Nb等促进热裂纹的元素，因此该钢还有热裂纹倾向。（2）HAZ塑性降低。由于受焊接热循环的作用，HAZ晶粒较粗大，使该区塑性降低。（3）HAZ的软化。由于受焊接热循环的作用，HAZ出现软化层，恶化了该区的力学性能。（4）焊缝金属韧性的恶化。由于焊缝金属未曾经受控扎和形变热处理过程，晶粒不可能由此细化；同时焊缝中的Nb、V元素在冷却凝固过程中难以呈微细的C、N化合物析出，因此焊缝的韧性比母材低许多。

总体上看，该钢的焊接性问题主要是冷裂纹敏感性较强，以及一定的热裂纹倾向，同时也不可忽视焊缝区的韧性恶化和热影响区的软化。所以合理的焊接工艺是保证该钢焊接质量的前提。

3.德国蒂森焊材概述。电站锅炉用钢蠕变断裂强度的可靠性和稳定性极为重要。所选取的焊材除要求焊缝金属满足室温下的强度外，还必须满足运行温度下的韧性和强度（蠕变强度）的要求。

德国蒂森公司为P91熔敷金属的蠕变断裂强度进行了大量焊接接头的蠕变断裂强度试验。蠕变断裂强度较高，且高温蠕变断裂强度试验已进行了数万小时以上经过TUV认证。这对于电站锅炉提高高温长期运行的安全性非常重要，提供了可靠的试验数据。为了确保超超临界电站用钢长期安全运行，我公司选用德国蒂森焊材（Φ2.4 THERMANIT MTS 3，Φ3.2、Φ4.0 FOX C9MV，Φ2.5 THERMANIT MTS 3）。

二、P91焊接

1.焊接工艺的确定。我公司制造印度****电厂1#机组600MW超超临界燃煤汽轮发电机组，其主蒸汽管道为P91钢，管道规格为ID457.2×103。由于管子壁厚大、加工周期短，要满足业主要求必须设法采用高效率焊接方法来实现P91钢的焊接，为此我公司采用埋弧焊工艺来实现厚壁P91钢的自动化焊接工作。

我公司采用GTAW+SMAW+SAW工艺，内充氩气保护，焊前预热，预热温度为200～300℃，层间温度控制在300℃以内。采用较小的焊接线能量，较小的焊道宽度及厚度以减小焊接热影响区。焊后当焊缝冷却到80～100℃时保温2h进行马氏体转变，然后进行750～770℃恒温8h的焊后热处理。

2.工艺实施要点。（1）焊接工艺。采用GTAW+SMAW+SAW内充氩气保护焊接工艺，为防止埋弧焊击穿打底层，进行2层氩弧焊打底， 4层手工焊填充，然后应用埋弧焊。并且，由于环境温度低（低于零下15℃），层间温度不好控制，采用远红外线测温仪测温，将层间温度控制在250到300℃在进行下一道焊缝的焊接。（2）充氩。为防止P91焊缝根部氧化，在氩弧焊打底（2层）及焊条电弧焊填充的第一次前必须进行充氩保护。充氩方法为采用气室密封充氩，气室的封堵材料用的是胶带。（3）预热。预热方法为电阻加热，氩弧焊打底时，温度为150℃即可，但因为环境温度较低，并且为与手工焊预热温度衔接紧密，不停工，将打底时预热温度提高到200℃。（4）焊接要点。焊口组对前，应将焊口每侧（15～20）mm范围内管子的内外壁的油、锈、垢等影响焊接质量的因素彻底排除，并且使焊口每侧（15～20）mm范围内发出金属光泽；坡口处母材无裂纹、重皮、坡口损伤及毛刺等缺陷；以谨慎的态度施焊，避免保温材料等异物落入焊缝中，并注意层间清理；焊接过程中每层焊道接头错开15～20mm，并且焊道外观平滑，焊道间仔细清理。（5）焊接参数的控制。P91钢焊缝的热输入对接头的冲击韧性有较大的影响。焊缝的热输入量越大，焊接接头的冲击韧性越低，必须采用比较小的焊接热输入进行焊接。所以，采用比较小的焊接电流，比较快的焊接速度，比较低的层间温度。由于焊接线能量是焊接电流、焊接电压、焊接速度的综合体现，是一个抽象的数字。所以为了便于更好的控制产品质量，根据线能量与焊层厚度、层间温度和摆动宽度的辩证关系，确定在焊接过程中的的工艺控制因素：焊条电弧焊焊层厚度不大于所用焊条直径，摆动宽度不大于所用焊条直径的3倍，层间温度必须控制在300℃以内，焊道接头错开。埋弧焊必须严格控制焊接电流、焊接电压、转速的范围。通过控制焊接因素来保证施焊质量。由于P91材料对温度比较敏感，而且由于冬天焊接，环境温度低，降温快，极易出现裂纹，所以要保证工件温度最低不得低于预热温度，层间温度不得高于300℃。焊接过程中，一人主控焊机操作，一人控制层间温度及清理焊道表面的焊渣。（6）焊后热处理。焊接结束后，当焊件降温至80～100℃，保温2h后立即进行焊后热处理。根据DL/T869-2012火力发电厂焊接技术规程中P91焊后热处理规定，恒温温度为750～770℃，保温时间8h。

三、过程监督

为规范施工，严格执行焊接工艺，在施工过程中有专门人员对焊接过程进行旁站监督及记录。内容包括：充氩效果、预热温度、层间温度、焊道宽度来保证焊接质量

四、检验

根据P91钢的化学成分、组织和力学性能，保证P91部件的使用寿命及安全，对P91焊缝力学性能、硬度提出了严格要求：对焊接接头进行力学性能试验（弯曲试验、拉伸试验、冲击试验），对焊口进行100%硬度检查（标准值为180～270HBW）。

根据上述工艺控制要点，合理制定指导生产用的焊接作业指导书，使我厂P91钢埋弧焊工艺更加成熟，不仅质量稳定而且大大缩短了加工周期。 为保证印度****电厂1#机组600MW超超临界燃煤汽轮发电机组发电奠定了基础。

参考文献：

[1] 《焊接手册》.

[2]DL/T869-2012《火力发电厂焊接技术规程》.

[3]DL/T819-2012《火力发电厂焊接热处理技术规程》.

[4]《T/P91钢手册》 瓦卢瑞克·曼内斯曼钢管公司.

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