A335 Gr.P91材質管道熔化極氣體保護焊接工藝

■ 陳言華，唐元生

掃碼了解更多

1. 概述

我公司承擔的某公司搬遷一體化項目施工中，經園區工藝供熱外管進入丙烷脫氫裝置，蒸汽管線材質為P91，輸送介質為蒸汽、設計壓力10.3MPa、設計溫度540℃，主管線規格為φ508mm×28.50mm。管壁較厚、焊接工程量大，且裝置瀕臨海洋，屬暖溫帶季風性氣候，施工周期處于夏季，雨水較多、環境潮濕、海風較大，給管道焊接帶來了一定的難度。

P91材質工藝管道安裝工程焊接工程量較大，如使用常規的焊條電弧焊工藝，焊接效率低下，對施工周期及成本控制不利。經過分析，熔化極氣體保護焊具有焊接成形好，生產效率高，焊接變形量小，焊接熱輸入低等優點，確定P91管道焊接采用手工鎢極氬弧焊打底，熔化極氣體保護焊填充、蓋面焊接工藝。

2. P91材質的特性

P91材質是采用ASME標準生產的高溫用鉻鉬合金耐熱鋼，類似于我國的材質10Cr9Mo1VNb，主要合金元素為Cr、Mo。

該材質焊接難度大，當焊縫冷卻到較低溫度時發生馬氏體轉變，產生脆硬組織，使焊縫變脆，加之活躍的氫分子以及管道焊接過程中產生的焊接應力，就會導致冷裂紋與延遲裂紋的出現，給裝置生產運行埋下安全隱患。

另外該材質的熱處理難度大， P91材質中Cr、Mo、V、Nb、Ti等元素會促使形成再熱裂紋，經一次熱循環后再次加熱而產生再熱裂紋。因此焊接之前需進行焊接工藝評定，通過科學的焊接工藝和嚴格的作業紀律來控制焊前預熱、焊接過程及焊后后熱處理等各個環節，才能有效保證焊接質量。

3. 焊接工藝評定

施工前結合現場具體的預制條件和P91材質特點，依據NB/47014－2011標準進行了焊接工藝評定。試件規格φ168mm×14.27mm。焊接方法選用手工氬弧焊打底，熔化極氣體保護焊填充、蓋面，焊接位置5G+1G。手工氬弧焊氬氣純度要求≥99.99%，熔化極氣體保護焊蓋面保護氣體選用混合氣（85%Ar+CO2）。根據生產廠家提供的原材料產品質量證明書對P91合金含量、力學性能、金相組織進行分析， P91材質化學成分、力學性能如表1、表2所示。

焊接材料的選擇根據P91材質的化學成分、力學性能、使用與施焊條件綜合考慮，選用與P91化學成分相當，熔敷金屬的抗拉強度值不低于原材料標準抗拉強度值的下限以及具有良好的焊接工藝性能的焊接材料，焊接材料選用如表3所示，焊接材料的化學成分如表4所示。

試件焊接前采用電加熱方法進行200℃預熱，施焊過程中層間溫度控制在200～300℃之間，焊接完成后進行760℃恒溫熱處理，300℃以上進行控溫，升溫和降溫速度≤150℃/h控溫，恒溫期間各測溫點差值≤50℃。焊接參數如表5所示，焊接接頭（試樣）力學性能檢測數據如表6所示。

焊接接頭按規范要求進行外觀檢測，無表面氣孔、夾渣、裂紋、未熔合、咬邊等缺陷，RT檢測6張底片，均為I級片，熱處理后硬度檢測數值為熱影響區163HBW、焊縫176HBW、母材166HBW。以上數據顯示此焊接工藝符合要求，焊接工藝評定合格。

表1 P91材質化學成分（質量分數） （%）

表2 P91材質力學性能

表3 焊接材料選用

表4 焊接材料的化學成分

表5 焊接參數

圖1 坡口形式

圖2 手工氬弧焊打底

4. 施工焊接過程及檢驗

（1）管段下料、坡口制備 P91材質管道下料采用臥式金屬帶鋸機進行冷切割下料，采用端面徑向坡口機進行機械坡口制備后再使用磨光機進行精細修磨，要求坡口處不得有裂紋、分層、夾渣等缺陷，坡口形式如圖1所示。

（2）組對定位與氬弧焊打底 組對焊接前將坡口及其邊緣內外表面≥20mm范圍內的油、漆、垢、銹等清理干凈，組對內壁平齊。采用手工氬弧焊進行打底焊接（見圖2），焊前采用電加熱方式進行預熱，加熱區以外100mm范圍內予以保溫，全程使用紅外測溫儀監控。為避免氬弧打底過程中背面發生金屬氧化，打底前按焊接工藝要求管段內部充氬氣，以坡口中心為基準兩側300mm范圍內制作氣室，氣室采用水溶紙密封，為避免熔化極氣體保護焊蓋面焊接時打底焊道被熔穿，采用兩遍氬弧焊打底。

（3）熔化極氣體保護焊填充、蓋面焊接 氬弧焊打底焊接完成后即采用熔化極氣體保護焊方法填充、蓋面焊接（見圖3）。噴嘴保護氣體為85%Ar+CO2組成的混合氣。焊接過程全程電加熱，加熱范圍與氬弧焊打底一致，層間溫度控制在200～300℃之間，擺動參數為2～12mm，一次性連續焊接完成。

（4）焊接注意事項 ①正確選擇工藝參數，保持干伸長度為15～20mm。②分道焊時，焊槍在坡口兩側及分道處稍作停留，避免熔敷金屬產生未熔合缺陷，平焊位置要加快焊槍擺動，適當加大電流，避免夾渣缺陷的產生。③采用變位機旋轉填充蓋面焊接時預熱溫度達到要求后，可拆下電源線利用電弧產生的熱量可以保證層間溫度的實現，每層焊接完成后如層間溫度過高可稍作等候，待降溫后方可繼續焊接。④焊接過程中每層焊接完成后應進行檢查，焊接接頭要錯開，焊接速度不宜過快，每層焊接的厚度不能超過4mm，避免因應力集中晶粒粗大，熱輸入過高而產生熱裂紋。

表6 焊接工藝評定（試樣）力學性能檢測數據

圖3 熔化極氣體保護焊填充、蓋面

圖4 焊后熱處理示意（單位為mm，圖中S為管壁厚）

5. 熱處理工藝

焊后熱處理如圖4所示。P91材質管道焊接完成后需保溫緩冷至100～120℃之間進行1～2h恒溫處理（馬氏體轉變），然后再進行后續熱處理工作。

熱處理升溫到300℃以上時升溫速度≤150℃/h，恒溫溫度為760℃±10℃。

降溫速度≤150℃/h，降溫至300℃以下時斷電，自由冷卻至環境溫度。

熱處理加熱范圍為焊縫兩側各不小于焊縫寬度的3倍，且≥25mm，加熱范圍以外100mm區域內予以保溫，管道兩端封堵，避免穿堂風（見圖5）。

經熱處理的焊接接頭，對焊縫及熱影響區進行100%硬度檢測，硬度檢測值布氏硬度241HBW以下為合格。

6. 結語

本工程中使用熔化極氣體保護焊焊接P91材質管道焊縫265個，RT檢測全部合格，合格率100%，焊后熱處理焊縫硬度值均為241HBW以下。經對比得出采用熔化極氣體保護焊（機動焊）焊接效率是焊條電弧焊的5倍以上，其高效的生產能力為后續現場安裝爭取了時間，有利于項目整體效益的提高。

圖5 焊接預熱-熱處理熱循環曲線

供熱外管及丙烷脫氫裝置于2014年12月開始通入蒸汽為透平試車提供動力，2015年8月初正式投產運行，至今運行平穩。