P91鋼埋弧焊工藝研究

于景剛

1. 概述

A335 P91 是一種馬氏體耐熱鋼，其熱強性好、強韌性高、淬透性好、焊接性良、熱導率高、線脹系數小，抗蝕性和價格在P22和TP304H之間。從20世紀90年代至今，P91鋼在我國電力工程主蒸汽管道及再熱蒸汽管道中也逐步得到了應用。目前，電站建設正向大機組、高參數方向發展，大直徑厚壁管應用越來越多。以前的手工焊接方法的缺點：生產效率低、勞動強度大、質量不穩定等逐漸凸顯出來。因此，研究和開發合適的埋弧焊工藝，對提高焊接效率、質量，具有重要的現實意義和經濟價值。

2. P91焊接性分析

P91鋼是在9Cr-1Mo耐熱鋼的基礎上加上一定的V、Nb、N等強化元素形成的一種新鋼種。其化學成分如表1 所示。

從表1可看出，P91鋼合金元素種類多、含量高，具有相當高的空淬透性。Cr、Mo、Mn及Ni等元素可以顯著提高鋼的淬硬性，在焊接中易產生裂紋。V和Nb元素的加入會增加鋼對再熱裂紋的敏感性，結構和設備在高溫下長期使用時， 會使熱影響區的粗晶區出現再熱裂紋。P91鋼焊接最突出的問題就是容易產生焊接冷裂紋，使焊接接頭韌性下降，尤其是焊縫金屬的的韌性不易保證。這些問題主要通過焊接工藝來解決，其中包括合理的選擇焊接方法、焊接材料和焊接參數等。

表1 SA335—P91鋼的化學成分（質量分數） （%）

3. 焊條電弧焊和埋弧焊的比較

（1）P91鋼焊條電弧焊 在實際的焊接生產中，使用焊條電弧焊焊接P91鋼存在以下問題。

第一，P91鋼合金元素含量高，冷裂紋敏感性強，焊接全程需要控制溫度，焊接效率低。

第二，P91鋼焊接時，易產生弧坑裂紋。

第三，大直徑、厚壁P91鋼管焊接一般采用多層多道焊，每一焊道的寬度和厚度都有嚴格的規定，焊道厚度不超過焊條直徑，焊道寬度不能超過焊條直徑的3倍。例如一道18'' Sch120的焊口焊接需要兩名焊工耗時近3天才能完成。這就給焊接過程中的預熱、層間溫度控制、后熱及焊后熱處理等帶來了很大的麻煩和資源損耗，也給焊縫質量帶來諸多的不確定因素。

（2）P91鋼埋弧焊 第一，埋弧焊施工過程中，道間溫度比較均勻，連續施焊可以保證層間溫度的控制要求，從而可減少許多因層間溫度可能出現的缺陷。

埋弧焊的焊接效率很高，是焊條電弧焊的7~10倍，管壁越厚，體現的越明顯。

埋弧焊焊接過程中人為的偶然因素較少，而焊條電弧焊焊縫質量與焊工的技術水平關系很大，人為因素影響大。

4. 埋弧焊焊接工藝

P91鋼微觀組織為馬氏體組織，在組織上有冷裂紋敏感性，由于鋼材、焊材及焊接過程等原因，可導致在馬氏體轉變中，氫以過飽和狀態殘留于焊縫中，使區域脆化。同時焊接后的相變，加上P91鋼管壁厚本身造成的結構拘束應力及焊接殘余應力，使焊接接頭處的焊接應力增大。

基于上述因素的存在，焊接前必須采取預熱措施，減小溫度梯度，防止冷裂紋的發生。根據P91鋼馬氏體轉變溫度特點，預熱溫度一般在200~300℃，同時層間溫度也要控制在200~300℃。

（1）焊前準備 焊接接頭采用U形坡口，鈍邊為1~2mm，根部間隙3~4mm，如圖1所示。焊接前將坡口兩側20~30mm區域內鐵銹、油漆清理干凈。焊縫采用GTAW方法打底，打底厚度5mm。由于P91鋼合金含量高，所以為防止焊縫根部氧化，在打底焊時，背面要通氬氣保護。為保證背面焊縫質量，打底過程需全程充氬保護。

（2）焊接材料的選用 目前國內P91鋼的焊接材料大部分依靠進口，本公司選用德國蒂森焊絲和焊劑產品。氬弧焊絲選用Thermanit MTS3（AWS型號ER90S—B9），焊絲直徑2.4mm。埋弧焊絲牌號為Thermanit MTS3（AWS型號EB9），規格φ3.2mm，埋弧焊焊劑牌號為marathon 543，是氯堿型高堿度燒結焊劑，焊劑粒度為8~50目（2.5~0.355mm）。

（3）焊接工藝 焊前采用電加熱帶預熱，預熱溫度為250℃，氬弧焊打底時注意起弧和收弧的接頭質量，避免出現弧坑裂紋。每道焊縫焊接完畢后，都要使用砂輪機或鋼絲刷進行層間清理，尤其注意中間接頭和坡口邊緣。

圖1

表2 焊接參數

表3 力學性能

埋弧焊時，預熱溫度200℃，采用多層多道焊，控制好層間溫度在200℃~300℃，將熱輸入控制在1.3~2.0kJ/mm，焊接參數如表2所示。

為了降低焊縫中的氫含量，促使氫氣逸出，提高組織穩定性，改善接頭的綜合力學性能，P91鋼焊縫在焊接完成后要立即進行后熱處理，在250~300℃下保溫2h。同時為降低焊縫中的焊接殘余應力，焊縫必須進行焊后熱處理，保溫溫度為（760±10）℃，保溫2h。熱處理過程中，必須嚴格控制升溫速率和降溫速率。為確保馬氏體轉變的充分進行，在進行焊后熱處理之前，焊縫的溫度需冷卻至100℃以下。

（4）性能試驗 對試件焊縫取樣進行力學性能試驗，試驗結果如表3所示。

從表3可看出，使用埋弧焊焊接的焊接接頭力學性能均滿足標準要求。從圖2金相分析結果看，焊后熱處理焊縫金屬變為回火索氏體，經焊后熱處理，消除了焊縫樹枝狀分布組織和母材熱影響區的過熱組織，使組織均勻化。

圖2

5. 焊接注意事項

（1）焊接前要對母材表面嚴格清理，保證清理的距離，焊前要對埋弧焊劑進行烘干，烘烤溫度和烘烤時間要滿足要求。

（2）為防止合金元素燒損和氧化，氬弧焊打底時根部要充氬，采用兩遍打底，第1、2層打底背面均需氬氣保護。

（3）焊縫間隙用石棉堵塞，打底時邊打底邊揭開石棉條。

（4）埋弧焊時要注意層間清理，用鋼絲刷或砂輪機將層間清理干凈，防止夾渣等缺陷的產生。

6. 結語

（1）選用德國蒂森公司的埋弧焊焊接材料，選用合適的焊接參數，合理控制預熱溫度和層間溫度，控制熱輸入，焊后進行消氫和焊后熱處理，可使焊接接頭性能滿足使用要求。

（2）與焊條電弧焊相比，采用高效的埋弧焊工藝，焊接效率可提高兩倍以上，大大縮短了生產周期。

（3）采用埋弧焊工藝焊接的接頭，其力學性能滿足各項要求，公司在實際生產中采用埋弧工藝焊接了大量的預制管道，經過各方面檢查，焊縫全部合格，取得了滿意的效果。

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