P91管道的焊接工藝

韓春光

中化二建集團有限公司 太原 030021

P91管道的焊接工藝

韓春光

中化二建集團有限公司 太原 030021

通過對山西潞安礦業(集團)有限責任公司高硫煤清潔利用油化電熱一體化示范項目全廠工藝及供熱外管的高壓蒸汽(HS)系統P91材質的管道材質分析,評定管道焊接工藝,從而制定了正確的焊接施工工藝,保證了該項目P91管道的焊接質量,為類似的管道焊接提供了技術工藝參數,具有很好的推廣應用價值。

P91(10Cr9Mo1VNbN)中合金耐熱鋼焊接工藝熱處理

山西潞安礦業(集團)有限責任公司高硫煤清潔利用油化電熱一體化示范項目全廠工藝及供熱外管的高壓蒸汽母管汽源為動力站高壓鍋爐,其主要用戶為全凝式空分透平和動力站內的高壓背壓發電透平。高壓蒸汽(HS)系統由熱電裝置直接至空分裝置界區,設計壓力10.4MPa,設計溫度540℃,材質P91,采用2根管徑DN550(Φ559×38)的雙母管配置,以提高供汽的可靠性。高壓蒸汽(HS)系統P91材質的管道焊口約240道。

1 焊接性分析

1.1 P91的化學成分和力學性能

在常規的碳含量下,所有中合金鉻鋼的組織均為馬氏體組織,P91(ASTM A335)對應的牌號為10Cr9Mo1VNbN,其化學成分和力學性能如下表1、表2所示。

從上述表中可以看出,此鋼屬于中合金耐熱鋼。

1.2 P91的焊接特性

P91中合金耐熱鋼普遍具有較高的淬硬傾向,為保證耐熱鋼的高溫蠕變強度,以兼顧焊接性,中合金耐熱鋼的W(C)一般控制在0.10～0.20%的范圍內,在這種情況下,接頭熱影響區的組織均為馬氏體組織,其硬度一方面取決母材的實際碳含量和合金成分,另一方面亦取決于焊接和焊后熱處理的溫度參數和冷卻條件。

(1)由于P91是中合金鋼,具有相當高的冷裂傾向,在不預熱條件下焊接裂紋達100%,當預熱200℃～250℃時可避免冷裂紋的產生。

(2)在焊接過程中嚴格控制焊件的層間溫度,使其保持在預熱溫度或更高的溫度是首要的任務。其次要十分注意后一層焊縫的層間溫度冷卻至P91馬氏體轉變溫度(80～120℃)的時間,以及焊后熱處理開始的時間間隔。

(3)對焊接輸入熱量的控制要求比較高,采用較小的焊條直徑、比較低的層間溫度(不應小于預熱溫度)和較小的焊接線能量,沖擊韌性可以大大提高。

(4)焊接接頭在焊后必須作相應的熱處理。

表1 P91材質的化學成分表

表2 P91材質的力學性能表

1.3 焊接方法確定

中合金耐熱鋼由于淬硬和裂紋傾向較高,在選擇焊接方法時,應優先采用低氫的焊接方法,因此采用鎢極惰性氣體保護氫弧焊打底、低氫堿性藥皮焊條手工電弧焊填充及蓋面相結合的焊接方法。

2 焊接工藝

2.1 管道焊接程序

如圖1所示。

圖1 P91管道焊接程序

2.2 焊材管理

2.2.1 焊材管理流程

如圖2所示。

圖2 焊材管理流程

2.2.2 焊材的質量保證

焊材應符合相應標準要求,焊材質量證明書中應包括以下內容：

(1)焊材型號、牌號、規格；

(2)批號、數量及生產日期；

(3)熔敷金屬化學成分檢驗結果；

(4)熔敷金屬對接接頭各項性能檢驗結果；

(5)制造廠名、地址；

(6)制造廠技術檢驗部門與檢驗人員簽章。

2.2.3 焊材的儲存保管

項目部統一設置一級庫、二級庫,配置專職保管員,嚴禁露天存放。其中,焊材庫的管理應遵循：

(1)室內應有溫度計、相對濕度計,調節庫內溫度、濕度的去濕、換氣設備；焊接材料存放貨架等必要設施。

(2)焊材庫室內保持：室內溫度5℃以上,相對濕度不超過60%；當相對濕度較高時,應開機去濕。保管員應每天3次測量并記錄焊材庫的溫度和相對濕度。

(3)庫房內不得存放除焊材以外的物品。焊材應存放在貨架上,離墻離地的距離不少于300mm,并應分類碼垛,每垛的型號(牌號)、規格、爐批號應一致。庫存期間不得損壞原包裝。

2.2.4 焊材的烘干、發放

(1)焊材烘干室應有足夠的焊條、烘干及恒溫存放的烘干箱和恒溫箱,箱上溫度和時間計量器具應經檢定合格,并在有效期內。

(2)焊條使用前,應按外包裝或使用說明書的要求嚴格烘烤。

(3)烘烤焊條時應注意,升降溫度率不得超過150℃/h,以防藥皮開裂脫落。不允許烘干溫度和保溫時間不同的焊材同爐烘干,焊材在烘干箱或恒溫箱內應有牌號、規格等標志,以免混淆。

(4)堿性低氫電焊條(P91材質用焊條型號為E9015-B9)烘焙至350℃保溫1～2h,隨烘隨用。焊條重復烘干不超過2次。

(5)焊工領用焊條要用焊條保溫筒,每次領用焊條不超過4kg,當天的焊口必須焊接完畢,嚴禁中途中斷,由于焊接的特殊性要做到焊條隨用隨領,并按照焊工的工作時間段、焊接部位(預制轉動口、管架固定口)的難易程度控制焊條的發放數量,以“根”進行計量,嚴格執行焊條領用卡制度,必須由專業技術人員和焊接責任工程師簽字。

(6)領用的焊條超過4h,應退回重新烘干；用剩的焊條應退回焊材庫,防止放在現場受潮和錯用；現場禁止從地上撿用焊條頭點焊工件；建立焊條回收制度,以回收的焊條頭數量作為重新領取焊條的依據,現場應工完料凈場地清。

(7)烘烤員如實做好焊接材料烘烤、發放等記錄,按生產日期先進貨先烤、先發。

2.3 焊接技術準備

必須嚴格執行正確的焊接工藝和焊接技術要求,應用科學、合理的管理方法,并做好焊接檢驗工作。

(1)認真做好焊接工藝評定工作。

(2)焊工培訓及焊工考試：確保所有焊工持證上崗,并且確保合格證的有效性、合格證項目和施焊范圍的一致性。

(3)在焊接前,制定焊接工藝規程,向施工人員下發焊接工藝卡,焊工在焊接過程中應嚴格按焊接工藝進行施焊。焊工在施焊前應了解所采用的焊接工藝、坡口形式、焊絲、焊條型號、焊接電流、電壓、層間溫度、焊接線能量、預熱和熱處理要求等。

(4)P91管道的焊接設置專職的焊接質量檢查員,負責對焊接質量進行全面檢查,包括焊前、焊接中間、焊后檢查,尤其是對預熱、層間溫度控制、馬氏體轉變、后熱、焊后熱處理等溫度的質量檢查。

(5)施工中要協調好焊接、熱處理、無損檢測三者的關系,合理安排,緊密配合。

2.4 焊材的選擇

表3 焊絲、焊條化學成分(質量%)

在保證接頭具有與母材相當的高溫蠕變強度和抗氧化性的前提下改善其焊接性,首先,為保持接頭的高溫強度,焊縫金屬必須含有與母材相當的鉻和鉬含量,但在焊材中,鉻含量不宜過高,因鉻能與碳、鐵等形成復雜的碳化物(Fe·Cr)3C,對鋼的焊接性產生不利影響,提高鋼的空淬傾向。為解決這一矛盾,可采用妮、釩和欽等元素對鉻鉬鋼滲合金。因為這些元素能形成高度穩定的碳化物,在電弧焊短時的熱周期作用下,這些碳化物來不及溶解于固溶體中,從而使奧氏體內碳含量降低。隨之過冷能力減弱,促使其在較高的溫度下分解成珠光體型組織,因而提高了焊縫金屬的韌性和抗裂性。

焊絲選用ER90S-B9,質量標準：AWS A5.28-2005；焊條選用E9015-B9,質量標準：AWS A5.5-2006,焊絲和焊條的化學成分見表3。

2.5 管道下料、坡口加工

管道的下料和坡口加工,采用機械加工的方法。

2.5.1 管子切口質量控制

應符合下列規定：

(1)機械加工坡口時一次吃刀量不能過大,切口表面應該平整、無裂紋、重皮、毛刺、凸凹、縮口、溶渣、氧化物、鐵屑物。

(2)切口端面應與管道中心線垂直,其偏斜度△不應超過2mm見圖3。

圖3 切口端面偏斜度示意圖

2.5.2 坡口制備、坡口形式的確定

焊接坡口應機械加工,坡口面上的熱切割硬化層應清除干凈,必要時應作表面硬度測定加以鑒別。

接頭坡口形式和尺寸的設計原則是盡量減少焊縫的橫截面。在保證焊縫根部全焊透的前提下應盡量減小坡口張開角,縮小坡口寬度,這樣可使焊接過程在盡可能短的時間內完成,容易實現等溫焊接工藝。

對接接頭采用V型坡口(帶鈍邊),坡口形式見圖4。

2.6 對口

(1)對口前應將坡口表面及附近母材(坡口每側各10～15mm范圍)的油、漆、垢、銹等清理干凈,直至發出金屬光澤。

圖4 坡口形式

(2)對口時一般應做到內壁齊平,如有錯口,其錯口量不應超過壁厚的10%,且不大于1mm。

(3)點焊用的焊接材料、焊接工藝和選定的焊工技術條件應與正式焊接時相同。

(4)點焊或施焊過程中,不得在管子表面引燃電弧試驗電流。

(5)大直徑厚壁管道點固焊時,可采用“定位塊”法點固在坡口內,見下圖,點固焊不少于3點。

(6)焊接過程中,施焊至“定位塊”處時,應將“定位塊”除掉,并將焊點用砂輪機磨掉.不得留有焊疤等痕跡。并以肉眼或低倍放大鏡檢查,確認無裂紋等缺陷后,方可繼續施焊。

圖5 “定位塊”點固焊示意圖

2.7 焊接環境要求

允許進行焊接操作的最低環境溫度為5℃。(最低環境溫度可在施焊部位為中心的以1m為半徑的空間范圍內測量)

應采取防風措施,焊接環境風速應符合以下規定：

(1)氫弧焊,環境風速應不大于2m/s；

(2)手工電弧焊,環境風速應不大于8m/s。焊接現場應該具有防潮、防雨、防雪設施。

2.8 焊前預熱

2.8.1 預熱溫度要求

(1)鎢極惰性氣體保護氫弧焊打底,預熱溫度150～200℃；

(2)低氫堿性藥皮焊條手工電弧焊填充及蓋面,預熱溫度

200～250℃；

(3)環境溫度低于5℃時,應在原預熱溫度的基礎上提高30～50℃。

2.8.2 其他注意事項

(1)當監測焊件坡口外熱電偶達到預熱溫度時,應保持一定時間,使坡口待焊接部位的溫度達到要求,用紅外線測溫儀進行測量達到上述預熱溫度的要求。

(2)當加熱器在待焊接焊縫兩側分別布置時,加熱寬度自待焊接焊縫邊沿始計算,每側加熱寬度不少于管道壁厚的4倍。

(3)用繩形加熱器對管道進行預熱時,焊縫坡口兩側布置的加熱器的纏繞圈數、纏繞密度應盡可能相同,纏繞方向應相反。

2.9 鎢極惰性氣體保護氬弧焊打底

(1)電焊機采用直流正接。

(2)當預熱溫度達到150～200℃并均勻后,進行焊接,第一層和第二層焊縫均采用氫弧焊。氫弧焊打底的焊絲選用Φ2.4mm,鎢極為Φ2.5mm,焊層厚度控制在2.8～3.2mm范圍內。

(3)為防止根層焊縫金屬氧化,氫弧焊的第一層和第二層焊縫,應在管子內壁充氫氣保護,且氫氣純度不低于99.99%。

2.10 低氫堿性藥皮焊條手工電弧焊填充及蓋面

(1)電焊機采用直流反接。

(2)氫弧焊完成后,將預熱溫度升至200～250℃,開始電弧焊。

(3)焊條電弧焊進行填充和蓋面時,每根完整的焊條所焊接的焊道長度與該焊條的熔化長度之比應大于50%。為保證后一焊道對前一焊道起到回火作用,焊縫其單層增厚不超過焊條直徑,焊道寬度不超過焊條直徑的4倍。大徑厚壁管應采取多層多道焊接。厚壁管焊道排列要求見圖6：

圖6 厚壁管焊道排列要求

(4)施工過程中,應注意層間溫度的保持,層間溫度不宜超過250℃,每焊完一層均用紅外線測溫儀對層間溫度進行測量,合理控制各層焊縫焊接的間隔時間,確保層間溫度不超標。

(5)焊條擺動的幅度,最寬不得超過焊條直徑的4倍。

2.11 手工電弧焊填充及蓋面的注意事項

(1)焊接時,管道內不應有穿堂風。

(2)每層每道焊縫焊接完畢后,應用砂輪機或鋼絲刷將焊渣、飛濺等雜物清理干凈(尤應注意中間接頭和坡口邊緣),應逐層檢查,經自檢合格后,方可焊接次層焊縫。

(3)施焊中,應特別注意焊接接頭和收弧的質量,收弧時應將熔池填滿。多層多道焊接的接頭應錯開50mm以上。

(4)為減少焊接應力與變形,高壓蒸汽管道Φ559的焊口,宜采用兩人對稱焊接見圖7。同時,注意不得兩個同時在一處收頭,以免局部溫度過高影響施焊質量。

圖7 焊接順序圖

(5)焊工操作技術要熟練,認真觀察熔化狀態,注意熔池和收尾接頭質量,以避免出現弧坑裂紋。

(6)焊縫整體焊接完畢,應將焊縫表面焊渣、飛濺清理干凈,自檢合格后,按規定進行焊口標識(不允許打鋼印),并應按工藝規定要求進行焊后熱處理。

2.12 焊接工藝參數

見表4。

3 焊后熱處理

3.1 馬氏體轉變

焊后緩慢冷卻,給焊接接頭一個馬氏體轉變機會,讓它保持在80～120℃一定時間(約1h～2h),以完成低碳馬氏體的轉變。焊后熱處理之前必須將焊接接頭冷卻到120℃以下,應力較大時冷卻溫度不要低于80℃,不可焊后直接熱處理。如果在室溫下冷卻還應嚴禁潮濕,施工中避免雨淋。加熱時的加熱寬度應不小于預熱時的加熱寬度。

當焊接工作中間停止時,應保持焊接接頭部位在80～120℃緩慢冷卻,然后保溫1h～2h。

后熱應在焊接完成,焊件溫度降至80～120℃、保溫1h～2h后立即進行。

后熱工藝為：溫度300～350℃、保溫2h,采用電加熱器預先設定來控制后熱溫度。后熱時的加熱寬度應不小于預熱時的加熱寬度。

3.2 焊后熱處理工藝

3.2.1 熱處理工藝

熱處理工藝見圖8。

(1)焊后熱處理恒溫溫度選擇：750～770℃,取定為760± 10℃。

(2)焊后熱處理恒溫時間選擇：4h～5h,取定為4h。

表4 焊接工藝參數表

圖8 熱處理工藝

(3)焊后熱處理升溫速度、降溫速度為6250/δ(單位為℃/h,其中δ為焊件厚度,單位mm),取定為150℃/h,溫度降至300℃時,可不控制,冷卻至室溫。

3.2.2 測溫方法選擇

(1)應根據加熱方式選擇測溫方法,柔性陶瓷電阻加熱器宜采用接觸法測溫。

(2)接觸法測溫宜采用熱電偶。

3.2.3 加熱寬度

加熱寬度從焊縫中心起每側不小于管子壁厚的6倍即38×6=228mm(一般管道對接接頭加熱寬度應根據外徑D與壁厚δ的比值來選取,但最少不小于100mm),加熱中心應位于焊縫中心。

焊后熱處理的保溫寬度從焊縫中心算起,每側應比加熱寬度增加至少2倍壁厚,且不少于150mm。焊后熱處理的保溫厚度以40～60mm為宜。

3.2.4 硬度測定

焊接接頭熱處理完畢,應做100%硬度測定,測定部位為焊縫區和熱影響區,每個部位測定不少于三點。硬度測定的平均值≤241HB(布氏硬度)為合格。

4 焊接檢驗

4.1 外觀檢驗

4.1.1 檢驗準備

焊后及時清理干凈焊縫表面的焊渣、飛濺等,并在焊縫邊緣處標記管線焊口編號、焊工鋼印號、管道規格等。

4.1.2 焊縫外觀質量標準

(1)焊縫成型：與母材平緩過渡,外觀成型良好。

(2)焊縫余高：0～3mm。

(3)焊縫兩側增寬≤2mm。

(4)焊縫表面不得有裂紋,未熔合、氣孔、夾渣、飛濺、咬邊等缺陷存在。

4.1.3 檢驗要求

焊縫外觀經質檢員檢驗合格后,方可委托進行無損探傷。

無損檢測應在焊后熱處理完成后24h進行,防止延遲裂紋的產生。

5 結論

通過對P91管道材質的分析,制定了正確合理的焊接工藝并用于施工過程中,通過加強施工管理,嚴格控制各焊接工藝參數(預熱溫度、層間溫度、馬氏體轉變溫度、后熱溫度、焊后熱處理溫度、焊接電流、焊接電壓、焊接速度、線能量等),保證了焊接質量,達到事半功倍的目的。

管道焊口焊接一次合格率達到98%以上,經過連續三天的注水、升壓于2015年5月31日強度(24.97MPa)試驗和嚴密性試驗(10.4MPa)一次合格,實際證明此工藝既保證了質量,又提前了工期,大大節約了成本,也為同類型材料的焊接提供了焊接工藝的數據參考,在施工中具有很好的推廣應用價值。

1 《火力發電廠焊接技術規程》DL/T 869-2012

2 《火力發電廠焊接熱處理技術規程》DL/T 819-2010

3 《焊接手冊第2卷材料的焊接(第3版)》

4 《Specification for Low-Alloy Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding》AWS A5.5/A5.5M：2006

5 《Specification for Low-Alloy Steel Electrodes and Rods for Gas Shielded Arc Welding》AWS A5.28/A5.28M：2005

6 中化二建集團有限公司的《P91焊接工藝評定報告》PQR852

TG47

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1672-9323(2016)05-0055-05

2016-05-23)