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(qiáng)性好、強(qiáng)韌性高、淬透性好、焊接性良、熱導(dǎo)率高、線脹系數(shù)小，抗蝕性和價(jià)格在P22和TP304H之間。從20世紀(jì)90年代至今，P91鋼在我國(guó)電力工程主蒸汽管道及再熱蒸汽管道中也逐步得到了應(yīng)用。目前，電站建設(shè)正向大機(jī)組、高參數(shù)方向發(fā)展，大直徑厚壁管應(yīng)用越來(lái)越多。以前的手工焊接方法的缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量不穩(wěn)定等逐漸凸顯出來(lái)。因此，研究和開(kāi)發(fā)合適的埋弧焊工藝，對(duì)提高焊接效率、質(zhì)量，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2. P91焊接性分析

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

從表1可看出，P91鋼合金元素種類(lèi)多、含量高，具有相當(dāng)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(chǎn)生裂紋。V和Nb元素的加入會(huì)增加鋼對(duì)再熱裂紋的敏感性，結(jié)構(gòu)和設(shè)備在高溫下長(zhǎng)期使用時(shí)， 會(huì)使熱影響區(qū)的粗晶區(qū)出現(xiàn)再熱裂紋。P91鋼焊接最突出的問(wèn)題就是容易產(chǎn)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(wèn)題主要通過(guò)焊接工藝來(lái)解決，其中包括合理的選擇焊接方法、焊接材料和焊接參數(shù)等。

表1 SA335—P91鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3. 焊條電弧焊和埋弧焊的比較

（1）P91鋼焊條電弧焊 在實(shí)際的焊接生產(chǎn)中，使用焊條電弧焊焊接P91鋼存在以下問(wèn)題。

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

第二，P91鋼焊接時(shí)，易產(chǎn)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(yán)格的規(guī)定，焊道厚度不超過(guò)焊條直徑，焊道寬度不能超過(guò)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(shí)近3天才能完成。這就給焊接過(guò)程中的預(yù)熱、層間溫度控制、后熱及焊后熱處理等帶來(lái)了很大的麻煩和資源損耗，也給焊縫質(zhì)量帶來(lái)諸多的不確定因素。

（2）P91鋼埋弧焊 第一，埋弧焊施工過(guò)程中，道間溫度比較均勻，連續(xù)施焊可以保證層間溫度的控制要求，從而可減少許多因?qū)娱g溫度可能出現(xiàn)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(xiàn)的越明顯。

埋弧焊焊接過(guò)程中人為的偶然因素較少，而焊條電弧焊焊縫質(zhì)量與焊工的技術(shù)水平關(guān)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(guò)程等原因，可導(dǎo)致在馬氏體轉(zhuǎn)變中，氫以過(guò)飽和狀態(tài)殘留于焊縫中，使區(qū)域脆化。同時(shí)焊接后的相變，加上P91鋼管壁厚本身造成的結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力及焊接殘余應(yīng)力，使焊接接頭處的焊接應(yīng)力增大。

基于上述因素的存在，焊接前必須采取預(yù)熱措施，減小溫度梯度，防止冷裂紋的發(fā)生。根據(jù)P91鋼馬氏體轉(zhuǎn)變溫度特點(diǎn)，預(yù)熱溫度一般在200~300℃，同時(shí)層間溫度也要控制在200~300℃。

（1）焊前準(zhǔn)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(cè)20~30mm區(qū)域內(nèi)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(shí)，背面要通氬氣保護(hù)。為保證背面焊縫質(zhì)量，打底過(guò)程需全程充氬保護(hù)。

（2）焊接材料的選用 目前國(guó)內(nèi)P91鋼的焊接材料大部分依靠進(jìn)口，本公司選用德國(guó)蒂森焊絲和焊劑產(chǎn)品。氬弧焊絲選用Thermanit MTS3（AWS型號(hào)ER90S—B9），焊絲直徑2.4mm。埋弧焊絲牌號(hào)為T(mén)hermanit MTS3（AWS型號(hào)EB9），規(guī)格φ3.2mm，埋弧焊焊劑牌號(hào)為marathon 543，是氯堿型高堿度燒結(jié)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(yù)熱，預(yù)熱溫度為250℃，氬弧焊打底時(shí)注意起弧和收弧的接頭質(zhì)量，避免出現(xiàn)弧坑裂紋。每道焊縫焊接完畢后，都要使用砂輪機(jī)或鋼絲刷進(jìn)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(shù)

表3 力學(xué)性能

埋弧焊時(shí)，預(yù)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(shù)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(wěn)定性，改善接頭的綜合力學(xué)性能，P91鋼焊縫在焊接完成后要立即進(jìn)行后熱處理，在250~300℃下保溫2h。同時(shí)為降低焊縫中的焊接殘余應(yīng)力，焊縫必須進(jìn)行焊后熱處理，保溫溫度為（760±10）℃，保溫2h。熱處理過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制升溫速率和降溫速率。為確保馬氏體轉(zhuǎn)變的充分進(jìn)行，在進(jìn)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(yàn) 對(duì)試件焊縫取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)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(xué)性能均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。從圖2金相分析結(jié)果看，焊后熱處理焊縫金屬變?yōu)榛鼗鹚魇象w，經(jīng)焊后熱處理，消除了焊縫樹(shù)枝狀分布組織和母材熱影響區(qū)的過(guò)熱組織，使組織均勻化。

圖2

5. 焊接注意事項(xiàng)

（1）焊接前要對(duì)母材表面嚴(yán)格清理，保證清理的距離，焊前要對(duì)埋弧焊劑進(jìn)行烘干，烘烤溫度和烘烤時(shí)間要滿(mǎn)足要求。

（2）為防止合金元素?zé)龘p和氧化，氬弧焊打底時(shí)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(hù)。

（3）焊縫間隙用石棉堵塞，打底時(shí)邊打底邊揭開(kāi)石棉條。

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

6. 結(jié)語(yǔ)

（1）選用德國(guó)蒂森公司的埋弧焊焊接材料，選用合適的焊接參數(shù)，合理控制預(yù)熱溫度和層間溫度，控制熱輸入，焊后進(jìn)行消氫和焊后熱處理，可使焊接接頭性能滿(mǎn)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(chǎn)周期。

（3）采用埋弧焊工藝焊接的接頭，其力學(xué)性能滿(mǎn)足各項(xiàng)要求，公司在實(shí)際生產(chǎn)中采用埋弧工藝焊接了大量的預(yù)制管道，經(jīng)過(guò)各方面檢查，焊縫全部合格，取得了滿(mǎn)意的效果。

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