P92 鋼的焊接工藝介紹

王興剛

(中國能源建設集團東北電力第一工程公司，遼寧 鐵嶺 112000)

P92 鋼的焊接工藝介紹

王興剛

(中國能源建設集團東北電力第一工程公司，遼寧 鐵嶺 112000)

介紹了P92鋼的高溫蠕變斷裂強度、時效性能及抗氧化性等理化特性，指出P92鋼鐵焊接的常見問題，結合實際工作條件介紹了鎢極氬弧焊(TIG)和手工電弧焊(SMAW)的現場焊接工藝和技術措施，并提出了在焊接過程中的注意事項。

P92鋼；焊接工藝；鎢極氬弧焊；手工電弧焊

1 P92鋼的理化特性

P92鋼是新型鐵素體耐熱鋼，是在P91鋼的基礎上研究開發的，日本鋼號為NF616，于1995年和1996年分別列入了美國ASTM和ASME標準，表示為A335P92和SA335P92。與P91鋼相比，P92鋼加入1.5 %～2.0 %的W，并將Mo含量降至0.3 %～0.6 %，以調整鐵素體-奧氏體元素之間的平衡，還加入微量合金元素B，其化學成分如表1所示。

1.1 高溫蠕變斷裂強度

從新日本制鐵公司P92鋼的蠕變斷裂強度試驗數據可知：P92鋼在550 ℃、600 ℃、625 ℃下105 h的蠕變斷裂強度分別為199 MPa、131 MPa和101 MPa；P91鋼在相應溫度下的蠕變斷裂強度分別為141 MPa、98 MPa和68 MPa。與P91鋼相比，P92鋼的高溫蠕變強度有明顯的提高。

1.2 時效性能

在開發和試用過程中，P92鋼均具有時效傾向，時效傾向發生在550～650 ℃鋼材的工作溫度范圍。在3 000 h時效前，P92鋼韌度下降了許多，其沖擊功從時效前的220 J約降至70 J；在3 000 h時效后，P92鋼韌度下降趨勢平緩，其沖擊功下降傾向不明顯，穩定在時效3 000 h時的水平。

1.3 抗氧化性能

P92鋼與P91鋼在600 ℃、700 ℃下3 000 h的水蒸汽氧化皮厚度大致相同，可認定2者具有相同的抗氧化性能。

2 P92鋼的熔敷金屬性能

限制熔敷金屬成分中Si、Mo、W的含量，有利于限制金屬的時效傾向，也有利于防止出現δ鐵素體。但為保證焊縫金屬的高溫性能，必須將W含量保持在1.8 %左右，M含量限制在0.5 %左右，Si含量不低于0.2 %(電弧焊)。因此，難以通過限制Si、Mo、W的含量來限制時效傾向和防止出現δ鐵素體。為防止出現δ鐵素體，可適當增加奧氏體化元素。若P92鋼母材為單一馬氏體組織，則熔敷金屬在正常的工藝條件下就不會出現δ鐵素體。

表1 P92鋼化學成分wt%

3 P92鋼的焊接問題

3.1 焊接接頭脆化

在焊接過程中，焊縫金屬從高溫熔融狀態冷卻形成固態鑄造組織，即熔池從高溫快速冷卻凝固，Nb、V等微合金化元素仍大量固溶在金屬中，形成固溶強化，降低了焊縫韌性，而W加劇了焊縫金屬韌性的降低傾向。

3.2 熱影響區軟化

在焊接過程中，P92鋼的熱影響區細晶區和臨界區將產生軟化。焊接接頭熱影響區的細晶區和臨界區在焊接熱循環下承受的溫度均高于Ac1溫度(Ac1表示鋼在加熱時開始形成奧氏體的溫度)。處于此溫度區間的金屬部分奧氏體化，沉淀強化相不能夠完全溶解在奧氏體中，未溶解的沉淀強壓相在隨后熱循環下發生粗化，降低了該區域的強度。軟化主要影響高溫持久性能，軟化區在長期高溫運行后易產生裂紋。

3.3 冷裂紋

在焊后冷卻過程中，在Ms點以下或更低溫度范圍內可形成冷裂紋(Ms表示馬氏體轉變開始溫度)。P92鋼作為鐵素體耐熱鋼，焊接殘余應力較大，焊接熱循環條件下冷卻速度控制不當易形成馬氏體組織。焊接接頭剛度過大或氫含量未得到嚴格控制時，都有可能產生冷裂紋。

4 P92鋼的焊接準備

4.1 設備、方法及工具

(1) 焊接設備：電焊機，ZX7-400STG(奧太逆變式弧焊電源Ⅲ)；熱處理機，XDJW-D型-480 kW (24路)；角向磨光機，Φ100～Φ125；遠紅外或激光測溫儀，INFRARED THERMOMETER AR862A；數字鉗形表，BM821。

(2) 焊接方法：TIG/SMAW；電源極性：鎢極氬弧焊(TIG)直流正接，手工電弧焊(SMAW)直流反接。

(3) 工具：鋼絲刷、榔頭、鏨子等。

4.2 焊接材料

(1) TIG：Thermanit MTS 616，規格為Φ2.4；SMAW：Thermanit MTS 616，規格為Φ2.5及Φ3.2。

(2) 焊絲：焊前除掉焊絲表面臟物，使其重現金屬光澤；焊條：焊前在300～350 ℃經2 h烘干后，置入約100 ℃的保溫筒中。

(3) 焊條放入通電的保溫筒中，以便隨取隨用。

4.3 焊接工藝要求

4.3.1 焊前準備與清理

(1) 焊工應通過P91鋼管考試，并經使用P92鋼焊接材料進行焊前練習，以掌握焊材、母材及焊機性能與焊接工藝規范。

(2) 焊接前，用角向磨光機打磨管件坡口附近及其內外壁15～20 mm，使其重現金屬光澤。

4.3.2 對口裝配及點固焊

(1) 試件對口錯邊量≤1.0 mm。

(2) 采用點焊騎馬板進行點固焊，騎馬板可選用Q235或16Mn鋼，在其表面用與母材匹配的Thermanit MTS 616焊條進行堆焊。

(3) 點固焊前加熱點固焊區100～150 mm范圍到250～300 ℃，選用與正常焊接相同的焊材及工藝施焊，焊接電流宜增大10～15 A。

(4) 點固焊電弧偏向“騎馬板”側，盡量減少對母材的損傷。

(5) 焊接到“騎馬板”時，應用機械方法將其去除(不得強力去除)，用角磨機將點固焊焊縫處打磨平整，不得留有焊疤等痕跡。經肉眼或低倍放大鏡觀察，確認無裂紋等缺陷后，方可繼續焊接。

(6) 在點固焊及正常施焊過程中，不得在管子表面試電流、亂引弧。仔細檢查坡口的鈍邊，確保鈍邊不超過2 mm，控制好對口間隙在3～4 mm。

5 焊前預熱及層間溫度

(1) 用電腦控制加熱器進行電阻加熱，焊前用遠紅外履帶式加熱片整圈加熱試件長度。在管外側在坡口外側對稱點焊4個熱電偶，焊接試件時坡口邊緣約留15～20 mm不覆蓋加熱片，預熱及層間溫度工藝曲線如圖1所示。

圖1 焊前預熱及層間溫度工藝曲線

(2) 加熱至工藝規定的預熱溫度后保溫一定時間，使試件內外壁溫差小于20～30 ℃。

(3) 熱處理機溫度表顯示溫度須用激光測溫儀再次確認，熱處理機溫度儀、熱電偶應在標定期限內，旦其誤差符合DL/T819—2002《火力發電廠焊接熱處理技術規程》的規定。

(4) 焊接過程低于或高于層間溫度時，應立即停焊，待到規定溫度后方可繼續施焊。

6 焊接工藝及工藝規范

6.1 TIG焊接工藝

6.1.1 TIG打底焊

TIG打底焊應焊2層，焊層厚度為2.5 mm≤δws≤3.0 mm，TIG打底焊的工藝參數如表2所示。

表2 TIG打底焊接工藝參數

6.1.2 氬弧焊管內充氬氣保護

采用堵板封閉兩端，并在一側堵板上開孔(或坡口處)通入氬氣。焊縫內側對應周向針孔狀出氣孔，使氬氣能夠均勻逸出形成氣室，保證充氬效果。TIG及SMAW第1層管內均應充氬氣保護，氬氣純度≥99.99 %。

6.1.3 氬弧焊打底操作技術

(1) 開始施焊前，以低于100 ℃/h的升溫速度加熱至預熱溫度150 ℃，并至少保持預熱溫度30 min后方可焊接。

(2) 對管內充氬氣，且氬氣流量為30 L/min。打底前確認保護氣體輸入正常，并將管內空氣排凈。充氬氣10 min后，將氬氣流量調節至25 L/min，采用2人對稱焊接根部。

(3) 焊接操作先引弧稍拉長電弧預熱母材，當形成熔池后立即填絲。引弧時應提前1.5～4 s輸送氬氣，排除氬氣輸送皮管內及焊口處的空氣；熄弧后，應適當延時5～15 s關閉，以保護仍處在高溫狀態下的溶池，減小焊縫表面的氧化。

(4) 氬弧焊打底至少2層，每層厚度應為3 mm，層間溫度可以控制在150～200 ℃。打底持續時間內，需保證內壁充氣不中斷。為防止產生裂紋，始焊處速度不宜過快，并多填充焊絲，使焊縫加厚。在氬弧焊打底焊過程中，須及時檢查，保證打底焊縫無內凹、未熔合、夾鎢、焊瘤等缺陷，若發現裂紋、氣孔或其他焊接缺陷，應將其徹底鏟除后重新施焊。

打底時不能靠送絲的力量來突出根部，熔滴過渡依靠自身的表面張力和重力自然地融入熔池，并注意根部焊縫背面的成型情況。收弧時應注意電流的衰減速度，填滿弧坑防止產生裂紋。

6.2 SMAW焊接工藝

6.2.1 工藝參數確定原則

應嚴格控制SMAW焊層厚度小于3 mm，單道焊縫寬度不超過焊條直徑的3倍，焊接線能量小于20 kJ/cm。SMAW焊接工藝參數如表3所示。

表3 SMAW焊接工藝參數

6.2.2 清理與檢查

每焊完一層后，應用角磨機徹底清理焊縫上的藥皮熔渣，特別是中間接頭及坡口邊緣位置。清理完成且檢查無缺陷后，才能繼續焊下一層。

6.2.3 焊接操作技術

(1) 多層多道焊采用2人對稱施焊，以減少焊接應力與變形。氬弧焊打底的根層焊縫檢查合格后，及時升溫至200 ℃并恒溫一定時間，使管內外壁溫差小于20～30 ℃后進行SMAW施焊。電焊第1道采用直徑為2.5 mm的焊條及小電流，以防止打底層擊穿。為防止根部氧化，進行第1層手工電弧焊時應保證內壁充氣不中斷。

(2) 焊接到塞塊時，應將塞塊除掉，用角向磨光機或電磨將點焊縫徹底清除。經肉眼或放大鏡檢查確認無裂紋等缺陷后，方可繼續焊接。焊接時需注意焊條角度、焊接電流參數是否正確，且2人不得同時在一處收尾，以免局部溫度過高影響施焊質量，焊接中應將每層焊道接頭錯開10～15 mm，收弧應平滑，便于清渣和避免出現“死角”。

(3) 要仔細觀察熔化狀態，注意熔池和收尾接頭質量，收弧應采用電流衰減法，避免出現弧坑裂紋。焊縫整體焊接完畢，應將焊縫表面藥皮熔渣、飛濺清理干凈。為避免不必要的熱過程和工序停頓，免去電弧焊部分焊至20 mm厚度時中間探傷，焊口一次連續完成。P92管道焊接采用多層多道焊，水平固定位置蓋面層的焊縫每層至少焊4道，且中間應有“退火焊道”。

7 焊后熱處理

7.1 加熱方法及設備

采用遠紅外履帶式加熱片，加熱設備選用XDJW-D型電腦控制自動電熱器及接觸式熱電偶，同時配合激光(遠紅外)測溫儀：INFRARED THERMOMETER AR862A。

7.2 加熱寬度

施焊結束，將焊縫兩側的加熱片向焊縫中心方向移動，使其緊密接觸并用石棉絨保溫，方便進行冷卻至100 ℃及焊后熱處理工藝。

7.3 測溫點布置與熱電偶點固

為保證熱電偶和補償導線布置合理可靠，熱電偶絲壓焊牢固。補償導線的型號與熱電偶相匹配并調整極性。

加熱時測溫點布置在坡口邊緣3(9)，6，12點，接觸式熱電偶與管壁點焊良好，避免與加熱片直接接觸，熱電偶外側與坡口邊緣距離不大于15 mm。

焊后熱處理時，熱電偶點焊在焊縫寬度中心。采用配套的儲能式焊偶儀將其直接壓焊在焊縫(管道)外表面，焊縫(表面)用砂皮、磨光機等進行打磨，除去油污、氧化層等，形成一小塊平整光滑的表面，并露出金屬光澤。焊完后，通過輕拽熱偶絲來檢查結點是否焊接可靠。距離測量結點50 mm范圍內的熱電偶絲需用厚2 mm以上的隔熱材料覆蓋，以避免熱量從加熱器沿著熱電偶絲向結點傳遞；同時應固定可靠，避免在安裝加熱器時碰落或移位。除與測量結點外，熱電偶絲與其他(如管壁)導體及相互間均需絕緣。熱電偶拆卸熱處理結束后，剪斷熱電偶絲，用磨光機輕輕磨去結點，然后進行目視和滲透檢查。熱電偶固定采用專用儲能點焊機，安裝時保證熱電偶的熱端與焊件接觸良好，熱處理結束后將點焊處打磨干凈。

7.4 焊后熱處理工藝曲線

冷卻至100 ℃后，保證有足夠的時間使焊縫金屬完全轉變為馬氏體組織。在控制冷卻速度的情況下，保證不少于2 h的恒溫時間，再升溫進行(760±5)℃高溫回火處理，如圖2所示。

圖2 試件焊接及焊后熱處理工藝曲線

焊后不能按規定及時進行熱處理的管道，應冷卻至100 ℃恒溫2 h后立即加熱到規定溫度進行后熱(消氫)處理。后熱處理規范為：加熱到350 ℃且保溫2 h。

8 焊接中關注的事項

(1) 焊口在焊接過程中被迫中斷時，應將焊縫用保棉面覆蓋，并在中斷過程中將熱處理機恒定在250 ℃，直至重新開始焊接。

(2) 中斷后再開始焊接前，應仔細檢查并確認焊口無裂紋后，方可按照工藝要求繼續施焊。

(3) 發生中途停電或熱處理設備故障時，要及時作出反應并立即向負責工程師報告。

(4) 在焊接或焊后熱處理過程中，由于意外而被迫中斷時，除了采取保溫和恢復供電的應急措施外，焊接現場應有專人監護。

2014-09-10。

王興剛(1978-)，男，工程師，主要從事電廠焊接工地管理及維護工作，email：904113715@qq.com。