A335Gr.P91鋼的焊接工藝方法

劉思賢

中國化學工程集團公司中國化學工程第十一建設有限公司 河南開封 475002

A335Gr.P91鋼的焊接工藝方法

劉思賢

中國化學工程集團公司中國化學工程第十一建設有限公司 河南開封 475002

針對A335 Gr.P91鋼的特點，結合筆者的現場施工經驗，論述了A335 Gr.P91鋼的焊接工藝的操作方法，并對施工現場的焊接管理經驗進行了總結說明。

A335 Gr.P91鋼 焊接工藝 焊前預熱 焊后熱處理

由我公司負責承建的阿爾及利亞TERGA 3×400MW燃氣電站的主蒸汽管道材質選用了A335 Gr.P91鋼。主蒸汽管道要求滿足耐高溫的條件，制造安裝執行ASME標準，工作量大，焊接質量要求高，具體參數見表1。

表1 超高壓蒸氣管道具體參數

A335 Gr.P91鋼屬于改進型的9Cr-1Mo鋼，具有較好的耐熱性和抗氧化性，但焊接難度較大，在焊接過程中容易引起硬化和脆化，易產生冷裂紋。為了保證此類材質管道的焊接質量，在P91管道開始施工前首先按照ASME規范第Ⅸ卷用φ355.60×38.10的P91管道完成了PQR，并得到了阿爾及利亞國家質量部門的簽字認可。在焊前根據PQR制定了切實可行的焊接工藝，并在焊工施焊時嚴格執行。筆者根據自己的現場工作經驗，通過本文從A335 Gr.P91鋼的焊接性、焊接工藝制定、實施和焊接管理等幾個方面闡述A335 Gr.P91的焊接工藝。

1 焊接性分析

1.1 化學成分和力學性能

A335 Gr.P91的化學成分見表2，力學性能見表3。

1.2 合金元素對焊縫的影響

合金元素是影響焊縫質量的主要因素：

表2 A335 Gr.P91的化學成分（質量分數）（%）

表3 A335 Gr.P91的力學性能

（1）碳是影響鋼材強度的重要元素，較高的碳含量能提高鋼的強度和耐磨性，導致鋼的耐腐蝕和焊接性能下降，而且與碳化物形成元素（如Mo）結合，在晶界上形成粗大的碳化物。

（2）鉬是提高鋼的熱強度最有效的合金元素，能夠強烈地提高鋼中鐵素體對蠕變的抗力。由于形成特殊的碳化物，可以提高在高溫高壓下抗氫侵蝕的能力。

（3）鉻可以提高鋼的脆性轉變溫度，隨著鉻含量的增加，鋼的脆性轉變溫度也進一步提高，沖擊值隨鉻含量的增加而下降。由于不平衡的加熱和冷卻，晶界可能產生偏析產物，從而增加熱裂紋傾向。

2 焊接工藝

2.1 焊接方法及焊材的選擇

（1）根據PQR制定焊接工藝是焊接的關鍵，除考慮焊接性外，還得結合具體的生產條件和結構特點進行選擇，一般采用鎢極氬弧焊打底（ 兩遍），焊條電弧焊填充及蓋面。鎢極氬弧焊熱輸入和過熱區小，高溫停留時間短，冷卻速度快，適合A335 Gr.P91材料的特點。

（2）焊材選擇：焊條/焊絲牌號E9015-B9/ER90S-B9。焊材的化學成分見表4，力學性能見表5。

表4 焊材的化學成分（質量分數）（%）

表5 焊材的力學性能

2.2 焊前準備

坡口制備采用機械加工的方法，加工雙V形坡口并保證坡口的鈍邊厚度為1.6±0.8mm，對坡口表面進行滲透檢測，不得有裂紋和夾層等缺陷。

對口間隙為3±1mm，焊前應徹底清除坡口及其內外表面20mm范圍的油污、鐵銹、油漆、水跡、污垢、氧化皮及其他對焊接有害的物質，并用砂輪機打磨直至露出金屬光澤。要求焊絲的表面保證無銹蝕和油污，焊前需用丙酮溶劑清洗焊絲表面并及時使用，剩余焊絲下次使用前應重新清洗。

氬弧焊焊接時背面需要充氬保護，以避免焊縫根部氧化。根據要求，保護氣體氬氣純度要≥99.99%。因現場管道口徑都在4口寸以上，現場無法采取專用充氬裝置，經現場試驗得出，可采用耐300～400℃高溫的硬紙板配合耐溫膠布等材料在焊口附150～200mm形成密閉氣室，利用對口間隙將細長銅管或不銹鋼管敲扁后通過坡口伸進焊接區域，進行充氣保護。

2.3 焊前預熱

A335 Gr.P91材質管道焊接時必須預熱，預熱溫度為GTAW(150～200℃) 、SMAW(200～250℃)，最高層間溫度不超過300℃。預熱方式采用電加熱，預熱范圍以對口中心線為基準，兩側各不小于3倍壁厚，且≥100mm。用熱電偶及紅外線測溫儀測溫，熱電偶對稱布置，熱電偶與管件應接觸良好。

2.4 焊接操作工藝

大口徑管道采用兩人對稱焊接，打底焊采用內填絲法。氬弧焊打底時采用高頻引弧、衰減收弧，氬弧焊電流為93～125A。氬弧焊打底前先預熱到150～200℃，打底時焊接速度不宜太快，焊層厚度≥3mm。氬氣流量正面為8～12L/min；背面第一遍打底時為10～25L/min，第二遍氬弧焊時流量為3～8L/min。氬弧焊打底應焊兩遍，目的是防止電焊擊穿打底層，造成根部氧化。打底完成后，要對打底焊縫進行100%的著色檢查，防止細小裂紋的存在。檢查合格后，把焊縫清理干凈，將預熱溫度升至200～250℃，開始焊條電弧焊，采用直流反接法、兩人對稱焊接。第三、四層電弧焊，采用φ3.2mm焊條，電流為90～110A。在保證熔化良好的前提下，盡量減小焊接電流，嚴防燒穿底層。中間層采用φ4.0mm焊條，電流為120～150A，各層接頭應互相錯開，焊工要加強層間清理，嚴防焊縫夾渣。采用多層多道焊，各焊道的單層厚度約3.5mm，單焊道的擺動寬度≤3倍焊條直徑，具體參數見表6。由于E9015-B9焊條的脫渣性能較差，每層焊道需清理干凈，尤其注意清理接頭及焊道兩側。

焊接時應嚴格按焊接工藝及參數進行，嚴禁在坡口之外的母材表面引弧和試驗電流，并應防止電弧擦傷母材。焊縫寬度以每邊蓋過坡口2mm為宜，焊縫余高為0～3mm。

2.5 焊后熱處理

焊后熱處理設備為智能型溫度程序控制箱WCK-360-1212，焊后熱處理方法為電加熱法，焊后熱處理溫度為745～775℃，測溫方法為熱電偶，焊后熱處理加熱范圍為以焊縫中心為基準，每側在焊縫寬度的3倍以上，且≥25mm，加熱應均勻。保溫寬度為加熱寬度及其以外100mm范圍。

熱處理曲線：熱處理時應用熱處理自動記錄儀記錄熱處理曲線。熱處理在焊后立即進行，熱處理工藝見圖1，焊后熱處理之前，必須將焊道冷卻到120℃，恒溫2h使殘余奧氏體全部轉變為馬氏體再進行退火處理。

2.6 射線，硬度和光譜檢驗

熱處理完畢后按比例要進行無損探傷。由于P91鋼對預熱要求的特殊性，盡量不進行中間探傷。探傷合格后進行表面磁粉檢測、金相及硬度檢驗。硬度測定的部位為焊縫區和熱影響區，每個部位測定不少于3點。

表6 焊接參數

2.7 焊縫返修

（1）焊接接頭外觀檢查不符合標準時，輕者打磨焊補，嚴重者應割掉重新焊接。

（2）經無損檢驗不合格的焊接接頭，其缺陷可進行焊補，但必須在確認缺陷已經徹底消除的基礎上，按正常焊接工藝或焊補工藝規定進行。

（3）返修焊補的焊接接頭，一般同一焊口不得超過2次，否則應割掉重新對口焊接。

（4）返修焊補的焊接接頭，必須重新進行焊后熱處理和無損檢驗。

2.8 施工技術關鍵

（1）充氬裝置形成密閉氣室容積越小越好，需注意管道內部氬氣充滿且穩定后方可進行根層焊接，以防止根層氧化。

（2）注意打底質量，兩人對接焊時要相互幫助檢查。

（3）注意層間清理檢查，上層檢查合格后及時進行次層焊接；焊接時注意兩側坡口及根部要熔合良好，避免未熔合缺陷的產生。

（4）注意接頭收弧質量，在熔池邊緣處收弧，收弧時注意填加鐵液并要保證弧坑飽滿，以避免弧坑裂紋的產生，并注意接頭的打磨。

（5）焊接及熱處理時要謹防斷電，可采用備用電源的方式以防止出現焊口冷裂現象，需做好防風和防雨措施。

（6）采用多層多道焊不僅可以控制焊接熱輸入，而且后層焊道對前層的熱處理能細化晶粒，改善接頭性能。

（7）A335 Gr.P91鋼在焊接過程中容易引起硬化和脆化，易產生冷裂紋，熱處理過程中易產生再熱裂紋，無損檢測應在熱處理之后，以便發現焊道產生的再熱裂紋。

（8）熱處理時熱電偶一定要與焊道接觸良好，利用儲能焊機將熱電偶點焊在焊道上，保證熱處理設備儀表顯示的溫度與焊道熱處理的實際溫度相同。

3 焊接管理

（1）挑選焊接水平較高的熟練焊工參加P91母材的焊接培訓取證，從中選取焊接質量穩定的焊工作為該裝置P91母材焊接的專門焊工。

（2）對所有施工人員（檢驗員、管工、焊工、焊材保管員以及熱處理人員等）進行詳細焊前技術交底，確保每名施工人員清楚各項技術要求及自身的職責。

（3）根據不同施工區域，設置專職焊接檢查員，由其每天對所管轄的作業點的每一道工序進行確認，如組對間隙、坡口清理、內部充氬、預熱、層間及后熱溫度控制、層間清理、焊接參數、焊縫外觀質量、熱處理過程控制及硬度檢測等。

（4）防止焊材用錯，確保焊材使用的可追溯性，所有焊材統一管理，集中發放，為此推行了焊材領用卡制度，由焊工到技術員處開具焊材領用卡，焊工憑卡領用焊材，徹底改變了過去焊工要什么焊材，保管員發什么的不利現象。

（5）強化“ 三檢制度”，制訂、細化了各種專項施工記錄表格、檢查表格，確保施工的每一步都有檢查記錄。

4 結語

通過采取上述措施，A335 Gr.P91鋼的焊接取得了很好的效果，焊縫外觀工藝質量和內在質量得到全面控制，射線檢測一次合格率為99.1%，熱處理后硬度檢測一次合格率為99.7%，為主蒸汽的安全運行提供了強有力的保證，為我公司贏得了良好的聲譽。

1李志新.《P91鋼焊接工藝研究》，吉林大學，2007.10.

2宋仁明.《A335-P91鋼主蒸汽管道焊接技術》，青海電力，2007.1.

3朱志前.《P91超厚壁大徑管的焊接》，電焊機，2006.10.

4尹敏，陳滿乾，謝曉勇.《SA335P91鋼的焊接工藝研究》，安微理工大學學報，2008.3.

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1672-9323（2011）01-0051-03

2010-01-06）