P91鋼管道窄間隙TIG自動焊接頭性能研究

劉曉報，賀海波，胡慶，劉奎林，席晉輝，王海東，鄭灼光

1.中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

2.核工業(yè)工程研究設(shè)計有限公司 北京 101300

1 序言

P91鋼是在9C r1M o鋼的基礎(chǔ)上通過添加N、N b、V等合金元素，并采用細晶化、微合金化冶金，以及控軋、控冷等工藝開發(fā)的一種新型馬氏體耐熱鋼[1]。P91鋼具有耐高溫、強度高、抗氧化性能和抗蠕變性能，以及相對高的熱傳導(dǎo)性與低的熱膨脹率等特點，因此被列入電站建設(shè)領(lǐng)域的重要材料。在一些大型超臨界、超高壓的大容量高參數(shù)熱力設(shè)備機組，以及能源和石油化工行業(yè)高溫、高壓管道工程的設(shè)計中，也被優(yōu)先選用。P91鋼屬于空冷馬氏體鋼，焊接性相對較差，其冷裂紋敏感性較強[2]，也有一定的熱裂紋傾向。

窄間隙TIG自動焊方法是一種高質(zhì)量的焊接方法，由于坡口截面和組對間隙小，所以填充金屬量大大減小，能有效提高焊接效率。本文通過P91鋼管道窄間隙TIG自動焊試驗，探討P91鋼管道窄間隙TIG自動焊焊接接頭性能。

2 材料特性

本文使用的P91鋼管道材質(zhì)屬ASME SA355標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼種，管道規(guī)格為φ355mm×27.79mm。母材主要化學(xué)成分見表1，母材力學(xué)性能見表2。

表1 P91鋼管道化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 P91鋼管道力學(xué)性能

3 試件焊接

3.1 管道預(yù)熱

由于P91鋼是中合金鋼，它的冷裂傾向相當(dāng)高，如果在不預(yù)熱條件下焊接，則裂紋的發(fā)生率達100%。理論上，當(dāng)預(yù)熱溫度處于200～250℃時可避免冷裂紋的產(chǎn)生，因此焊前不僅必須預(yù)熱，還要安排專人監(jiān)控測溫。對大直徑厚壁的管道，通常采用遠紅外數(shù)字式測溫儀測量控制預(yù)熱溫度，采用履帶片式電加熱器控制預(yù)熱效果，如圖1所示。

圖1 熱電偶、加熱片布置

在實際焊接時，焊縫預(yù)熱溫度為160℃，預(yù)熱采用連續(xù)加熱方式，并能形成連續(xù)記錄，整個焊接過程中溫度不能低于預(yù)熱溫度。

控溫?zé)犭娕紤?yīng)盡可能布置在加熱區(qū)內(nèi)，監(jiān)測熱電偶應(yīng)盡可能靠近待焊坡口，必要時應(yīng)使用其他測溫方法檢測待焊坡口處的溫度，每側(cè)加熱寬度不少于焊件厚度的4倍。

3.2 試件焊接

用于焊接試驗的P91鋼管道坡口形式為窄間隙U形坡口，焊接位置為水平固定全位置焊，如圖2所示。焊接前應(yīng)保證坡口的加工尺寸和組對精度，采用TIG自動焊接設(shè)備，嚴(yán)格按照工藝指導(dǎo)書進行試件的焊接，焊接過程要嚴(yán)格控制層間溫度，確保溫度≥150℃且≤220℃。試件完成焊接后，經(jīng)射線檢測結(jié)果合格，無氣孔、夾渣、未熔合等超標(biāo)缺陷。

圖2 窄間隙自動焊坡口及焊道排布

為防止P91鋼焊縫根部氧化，打底焊接時需要充氬保護。充氬方法很多，對于不同形狀的母材，可制作相應(yīng)的專用工具。像此類大直徑管，可用耐高溫硬紙板或粘貼可溶紙配合耐溫膠布等材料在焊口附近形成密閉氣室，氣室建好后必須進行密封性試驗，以防氬氣泄漏對操作人員造成危害以及對焊縫成形質(zhì)量產(chǎn)生影響。建好的密閉氣室，可用燃燒的火柴驗證氣室的密封效果。

3.3 管道焊后熱處理

焊接完成后焊件溫度降至80～100℃，保溫1～2h后立即進行焊后熱處理，確保得到100%馬氏體組織，回火馬氏體為焊后熱處理最終組織；焊后熱處理理論恒溫時間按管道壁厚2.4min/mm計算，保溫溫度為760℃±10℃，保溫時間3h，嚴(yán)格保證焊后熱處理升降溫速率≤148℃/h。熱處理溫度降至300℃以下可不控制升溫速度和降溫速度，在保溫層內(nèi)冷卻至室溫。焊后熱處理的加熱寬度，從焊縫中心計算，每側(cè)不小于管道壁厚的3倍，且≥60mm。焊后熱處理的保溫寬度，從焊縫中心算起，每側(cè)不小于管道壁厚的3倍，保溫層厚度以50～80mm為宜。將熱電偶采用捆扎方式布設(shè)于管道外側(cè)，在焊縫中心按圓周對稱位置布設(shè)，且不少于兩點。

為了保證焊后熱處理溫度均勻，采用中頻感應(yīng)加熱熱處理進行焊后熱處理，如圖3所示。

圖3 中頻感應(yīng)加熱熱處理排線實物

4 力學(xué)性能及微觀組織分析

按照ASME標(biāo)準(zhǔn)進行焊接接頭理化試樣的機械加工取樣。

4.1 力學(xué)性能試驗結(jié)果分析

焊接接頭的力學(xué)性能直接關(guān)系到管道安全和壽命，是評價焊縫接頭質(zhì)量和評定焊接工藝的重要指標(biāo)[3]。同時焊接接頭的拉伸、彎曲試驗是驗證管道焊接坡口的力學(xué)性能是否能達到設(shè)計要求所必須進行的試驗項目，因此本文對焊接接頭進行了拉伸、沖擊、彎曲試驗，用以研究焊接接頭的力學(xué)性能。

（1） 拉伸試驗 對焊接接頭進行了拉伸試驗，試驗溫度為室溫、525℃兩種，試驗結(jié)果見表3。

表3 不同試驗環(huán)境溫度下拉伸試驗對比

室溫條件下焊接接頭抗拉強度分別為665MPa和678MPa，均大于母材技術(shù)條件的規(guī)定值585MPa，分別為規(guī)定值的113.6%和115.9%。而拉伸斷裂位置均在母材上，未出現(xiàn)在熱影響區(qū)，說明熱影響區(qū)未出現(xiàn)明顯的軟化。

根據(jù)焊接接頭高溫拉伸試驗結(jié)果，隨著溫度的升高，焊接接頭抗拉強度呈下降趨勢，說明高溫條件下焊接接頭的韌性有所增加，導(dǎo)致材料強度下降，但均大于母材技術(shù)條件的規(guī)定值。

（2）彎曲試驗 進行焊縫的面彎背彎試驗，焊縫彎曲180°后，經(jīng)檢測未發(fā)現(xiàn)尺寸超過0.5mm任何方向的裂紋，彎曲性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 彎曲試驗結(jié)果

（3）沖擊試驗 對熔敷金屬、熱影響區(qū)進行沖擊性能試驗，試驗結(jié)果見表5。由表5可以看出，平均沖擊吸收能量焊縫區(qū)為187J，熱影響區(qū)為216J，遠大于評定指標(biāo)，說明材料的韌性比較好，尤其從焊縫到母材過渡過程中，材料的韌性是逐漸升高的。

表5 焊接接頭沖擊試驗結(jié)果 （J）

（4）硬度試驗 對焊縫、熔合線、熱影響區(qū)、母材分別進行硬度試驗，試驗結(jié)果見表6。由表6可以看出，硬度值都處于母材規(guī)定硬度值范圍內(nèi)，說明焊接及焊后熱處理工藝良好，能很好地控制焊縫硬度，確保焊接質(zhì)量。

表6 焊接接頭硬度測試結(jié)果 （HBW）

（5）小結(jié) 經(jīng)過力學(xué)性能驗證，可以證明P91鋼窄間隙自動焊焊接接頭在力學(xué)性能方面滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)的要求，力學(xué)性能良好。

4.2 金相檢驗結(jié)果

P91鋼管道窄間隙TIG自動焊焊接接頭焊縫頂部、焊縫區(qū)的顯微金相組織，均為回火馬氏體（見圖4），金相組織中δ鐵素體含量＜1%。

圖4 金相組織

由圖4可看出，金相組織均勻連續(xù)，馬氏體形態(tài)細小，未發(fā)現(xiàn)明顯的過熱粗大組織。窄間隙TIG自動焊具有焊接熱輸入小、冷卻速度快的優(yōu)點，有利于獲得細小的晶粒和組織。這種均勻細小的組織決定了焊接接頭具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能[4]。

5 結(jié)束語

通過對P91鋼管道窄間隙TIG自動焊焊接頭進行力學(xué)性能及微觀組織分析，證明自動焊接頭性能滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)的要求，且根據(jù)試驗數(shù)據(jù)表明，焊接接頭具有很好的力學(xué)性能，焊縫金相組織與傳統(tǒng)鎢極氬弧焊相比更加均勻、細小。