SA—335M P11鋼焊接工藝及分析

鄭州鍋爐股份有限公司（河南 450001）段江麗 連艷敏 李 棟 孫臣君

1.概述

我公司生產的某火力發電用循環流化床鍋爐，其過熱器合金鋼集箱采用ASME材質SA—335M P11鋼，且壁厚較大，集箱筒體最厚為35mm。本文對φ377mm×30mm集箱的焊接工藝評定試驗進行了簡單的闡述與分析，按本試驗方案中的焊接工藝進行實際生產的產品，經檢驗符合相關要求，這為以后進行相關材料、相關結構的焊接工作積累了寶貴的經驗。

2.SA—335M P11鋼材的焊接性分析

ASME標準中，SA—335M P11鋼的分類為高溫用鐵素體合金鋼公稱管，國標中低合金耐熱鋼15CrMoG鋼的化學成分和力學性能與SA—335M P11鋼最為接近，如表1、表2所示。

表1 兩種鋼的化學成分（質量分數）（%)

表2 兩種鋼的力學性能

由此可知，首先SA—335M P11鋼屬于1Cr-0.5Mo鋼，其合金成分總質量分數＜5%，為低合金耐熱鋼，其焊接性一般，有淬硬傾向，焊縫和熱影響區內較可能形成對冷裂紋敏感的組織。其次，由于Cr、Mo為強碳化物形成元素，從而使焊接接頭的過熱區具有一定程度的再熱裂紋敏感性。再次，Cr-Mo鋼及其焊接接頭在370～565℃溫度區間長期運行過程中會發生漸進的脆變現象，即回火脆性。另外，還要考慮壁厚及直徑的影響，壁厚的材料在受載或受壓時，不容易產生塑性變形，在焊接接頭中存在焊接殘余應力的情況下，很容易發生脆性斷裂。

為了改善其焊接性，保證焊接質量，焊接時應采取合適的工藝措施，包括焊前準備、焊接方法的選擇、焊接材料的選配和管理、焊前預熱、焊接參數的選擇和焊后熱處理。

3.焊接方法

采用手工鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充、蓋面。

鎢極氬弧焊具有低氫、工藝適應性強、易于實現單面焊雙面成形的優點?？紤]到我單位實際生產情況，焊接接頭的填充層及蓋面層采用焊條電弧焊，為確保焊縫金屬的韌性，降低裂紋傾向，采用低氫型堿性焊條。

4.焊前預熱

預熱是防止焊接接頭冷裂紋和再熱裂紋的有效措施之一。預熱溫度可依據碳當量法和強度等級來估算，還要考慮到接頭拘束度和焊縫金屬的氫含量。不同碳當量所需最低預熱溫度如表3所示，各國壓力容器法規規定的1Cr-0.5Mo鋼最低預熱溫度如表4所示。

表3 焊接材料與碳當量與預熱溫度的關系

表4 1Cr-0.5Mo鋼預熱溫度推薦值

根據國際焊接學會（IIW）計算碳當量的公式：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，可估算出SA—335M P11鋼的標準碳當量：0.388%≤CE≤0.68%。

參考表3和表4，估算出SA—335M P11鋼最低預熱溫度約120℃。預熱溫度并非越高越好，為防止氫致裂紋的產生，規定較高的預熱溫度是必要的，但過高時，則可能產生馬氏體組織，從而降低韌性。另外，還要考慮到焊接操作時的情況，則最終決定預熱溫度為120～170℃，層間溫度≤250℃。

5.焊前準備

焊件采用熱切割法下料，機械加工坡口。用風砂輪將焊縫兩側20mm范圍內打磨至金屬光澤，清除焊縫及兩側100～200mm內的油污等雜質。采用火焰加熱，將待焊部位及其周圍150～200mm預熱。

6.焊接材料

低合金耐熱鋼焊接材料的選擇應根據鋼材的化學成分、接頭的力學性能要求、結構的拘束程度、焊接結構的服役工況，以及焊后是否要熱處理、焊接位置和施焊要求等方面綜合考慮。

本文所述集箱設計壓力7.74MPa，水壓試驗壓力11.61MPa，運行時工質口溫度為395℃，出口溫度為485℃，因此對焊縫的要求是要有較好的力學性能與熱強性能。

由于低合金耐熱鋼在焊接時的主要問題是裂紋和脆化，所以在選擇焊接材料時必須注意以下幾個方面的問題：選擇與母材化學成分相近的焊接材料，為保證焊接接頭的強度、抗裂性和韌性，應選用低氫的焊接材料；考慮熔合比和冷卻速度的影響；考慮焊后熱處理對焊縫力學性能的影響。

H13CrMoA、E5515—B2是1Cr-0.5Mo鋼采用氬弧焊、焊條電弧焊時常用的焊絲、焊條，具有良好焊接性和綜合性能，其合金成分與SA—335M P11鋼基本相當，且E5515—B2為低氫堿性，綜合考慮熔合比、冷卻速度、焊后熱處理的影響，決定選用這兩種焊接材料。焊接材料的化學成分和力學性能如表5、表6、表7所示。

表5 H13CrMoA焊絲的化學成分（GB/T14957—1994）（質量分數） （%）

表6 E5515—B2焊條的化學成分（GB/T5118—1995）（質量分數） （%）

表7 E5515—B2焊條熔敷金屬的力學性能（GB/T5118—1995）

7.焊后熱處理

根據ASME 規范，進行消除應力退火熱處理。退火溫度（680±15）℃。焊后熱處理可有效地消除焊接接頭中的殘余應力，降低硬度，改善組織。

8.焊接工藝評定（PQR）

焊接工藝評定所用SA—335M P11鋼的規格為φ377mm×30mm，按ASME規范進行，其焊接工藝如下：預熱溫度：122℃；層間溫度：118～168℃；組裝間隙：0～2mm；坡口形式：U形帶鈍邊和V形帶鈍邊，如圖1、圖2所示；焊接材料：H13CrMoA，φ2.5mm；E5515—B2，φ3.2mm，φ4mm，φ5mm；焊接參數：如表8所示；焊后熱處理：（680±15）℃，180min。

圖2

表8 PQR焊接參數

根據ASME 規范將試件進行焊接接頭力學性能試驗，所得拉伸試驗結果如表9所示，彎曲試驗合格。

表9 PQR拉伸試驗

9.產品集箱焊接工藝

產品中，筒體材質為SA—335M P11鋼的集箱共5根，筒體規格有φ377mm×30mm、φ325mm×35mm、φ219mm×20mm三種，坡口形式有U形帶鈍邊和V形帶鈍邊兩種。除此之外，產品集箱焊接工藝與評定時完全相同。

采用評定所示焊接工藝，產品上5根SA—335M P11鋼的集箱上共10條環縫，經100%射線探傷，均合格，無缺陷產生。產品試件的力學性能試驗結果也符合相關要求。

10.結語

通過以上焊接工藝評定（PQR）、實際焊接操作情況以及探傷結果表明：在現有的焊接條件下，通過此焊接工藝評定試驗，證明所選焊接規范及工藝正確，能夠滿足產品技術要求。集箱筒體主焊縫的焊接質量良好，達到了要求的探傷合格標準。為以后進行ASME產品的生產、相關材料、相關結構的焊接提供了寶貴的經驗。