电站锅炉SA335-P91高温高压蒸汽钢管焊接工艺

王丽娟，杨国辉

(湖南工学院，湖南衡阳421002)

电站锅炉SA335-P91高温高压蒸汽钢管焊接工艺

王丽娟，杨国辉

(湖南工学院，湖南衡阳421002)

SA335P91钢属改良型9Cr－1Mo高强度马氏体耐热钢，与传统的Cr－Mo耐热钢相比，具有高温强度高、抗蠕变性能和抗氧化性能好等优点。SA335P91钢焊接性的主要问题是冷裂纹敏感性较强以及冲击韧性下降。针对上述问题进行焊接工艺评定试验，选择GTAW＋SMAW焊接方法，制定了合理的焊接工艺：氩弧焊封底时其预热温度为100℃～150℃，焊条电弧焊的焊前预热温度为200℃～300℃；焊条电弧焊层间温度应为200℃～300℃；焊接线能量在25～30 kJ／cm以下，GTAW在12～15 kJ／cm；焊后热处理温度750℃～770℃，保温4～6 h，升降温速度小于150℃／h。根据现场环境条件，采取有效的工艺控制措施，获得了较好的焊接质量，综合性能良好。

SA335P91钢；焊接性；焊接工艺；电站锅炉；主蒸汽管

0 前言

SA335P91钢以其良好的高温持久强度、热稳定性和高温抗蠕变能力等综合性能，已广泛应用于国内外大型电站锅炉主蒸汽管、再热蒸汽管、过热器管和高温蒸汽联箱等设备的核心部件上。我国使用和研究SA335P91钢已有十多年的历史，在焊接工艺方面已经比较成熟，国家电力公司电源建设部下发了《T91／P9l钢焊接工艺导则》指导性文件，但在施工现场施焊时，该钢经常出现焊接质量问题[1－3]。

1 SA335P91钢的焊接性分析

SA335P91钢属改良型9Cr－1Mo高强度马氏体耐热钢，是一种在9%Cr－1%Mo的基础上加入一定量的铌、钒、氮等元素，采用纯净化、细晶化冶金技术，以及微合金化和控轧、控冷等工艺，开发出的新一代中合金耐热钢。典型的SA335P91钢的化学成分和机械性能如表1、表2所示。

表1 SA335P91钢母材的化学成分%

表2 SA335P91钢机械性能

与T9钢相比，由于SA335P91钢降低了碳和杂质元素含量，焊接裂纹敏感性明显减弱，钢的焊接性有所改善。

1.1 较强的冷裂纹敏感性

SA335P91钢属中合金耐热钢，钢中合金元素种类多，总含量达10%左右，碳当量约为2.27%，淬硬倾向大，对冷裂纹具有组织上的敏感性；在焊后的焊缝冷却过程中，存在由奥氏体组织向马氏体组织转变的相变过程中的组织应力，而且焊缝中的氢以过饱和状态残留在马氏体组织中，使得马氏体组织晶体缺陷处的氢浓度增大，加剧了该区域组织的进一步脆化；另外，对于大直径厚壁管，材料本身具有很大的结构刚性和拘束应力。在以上三种因素作用下，焊接过程中如果工艺措施不当，则会产生冷裂纹。

1.2 接头冲击韧性下降

随着焊接线能量的增加，焊缝和热影响区的夏比冲击功值呈下降趋势，变化较明显。过大的焊接线能量使组织严重过热，晶粒尺寸生长过大，如果焊接线能量过大，会造成焊缝组织过热，出现魏氏组织、粗大晶粒和网状晶界，这些组织易产生裂纹源，形成裂纹并扩展，从而造成冲击韧性下降。

2 焊接工艺方案[4－8]

SA335P91钢的供货状态为正火+回火(730℃～760℃)，显微组织为回火马氏体。高温过热器和再热器用SA335P91钢管常用规格有φ 54 mm、φ 57 mm，壁厚4 mm、8 mm和9 mm等；主蒸汽SA335P91钢管常用规格有φ 511 mm×63.5 mm、φ 457 mm×45 mm、φ 347 mm×46 mm、φ 450 mm×41 mm等。

2.1 焊接方法

采用双层手工氩弧焊(GTAW)封底，焊条电弧焊(SMAW)盖面的焊接方法。为防止SA335P91钢焊缝根部氧化，GTAW打底两层及SMAW焊条填充第一层焊缝时，在管内充氦气保护。

主要机具：逆变焊机ZX7－400S型，热处理机型号DWK180，远红外电脑温控仪，AT－30型氩气表，直径150磨光机，RayngerST60手持式远红外线测温仪。

2.2 焊接材料

焊丝牌号为MTS－3，直径φ 2.4 mm，焊条为ChromoT91，焊材的化学成分如表3所示。焊丝使用前要去除表面的油、锈、垢等污物，露出金属光泽。焊条使用前要经350℃～400℃烘焙1.5～2 h，置于80℃～100℃保温筒内，随用随取。

表3 MTS－3焊丝、Chromo T91焊条化学成分%

2.3 坡口制备及点固定位

300 MW机组主蒸汽SA335P91钢管规格为φ 511 mm×63.5 mm，φ 450 mm×41 mm，φ 335 mm× 31 mm，焊接接头采用双V型坡口形式。坡口形式及尺寸如图1所示。坡口角度α=30°～40°，β=8°～12°，坡口间隙b=2～5mm，钝边厚度p=1～2mm。

图1 坡口型式及尺寸

坡口采用机械方法加工，对口装配前应彻底清除坡口内外母材表面两侧20 mm范围内的油污、铁锈、水分等，直至露出金属光泽。

对口装配时采用定位块点固坡口，定位点固焊不得少于三点，定位块选用w(C)＜0.25%的钢材，点固定位所用的焊材和焊接工艺与正式焊接相同。当氩弧焊封底结束时，可去除定位块。去除定位块时，不能损伤母材，要将残留的焊疤用砂轮机清除干净，打磨平整。定位焊接示意如图2所示。

图2 定位焊接示意

2.4 焊接线能量

较小的线能量可有效减少碳化物的析出量和铁素体的含量，防止马氏体晶粒长大，提高焊缝的冲击韧性。焊接时应采用多层多道焊，尽量采用小直径、小电流、快速焊。焊接工艺试验研究表明，手工氩弧焊的焊接线能量应控制在25～30 kJ／cm，氩弧焊以12～15 kJ／cm为好。现场焊接中，可通过控制焊层厚度和焊条摆动宽度来控制焊接线能量，每一焊层厚度小于等于4mm，焊条摆动宽度小于等于15mm。

2.5 焊前预热和层间温度

2.5.1 焊前预热温度

预热温度的确定除了要考虑钢材的碳当量、管壁厚度、拘束度、含氢量等因素外，还要着重考虑钢材马氏体的转变温度。由SA335P91钢的CCT图可知，SA335P91钢的马氏体下转变温度Mf为100℃，上转变温度Ms为380℃。为了防止焊接时出现冷裂纹，一方面必须设法细化一次结晶组织，在此基础上获得尽可能多的淬火马氏体；另一方面，必须控制好焊接热循环，减小焊接热循环对已熔敷焊缝金属和母材的不利影响。采用小的焊接线能量和低的预热温度可使晶粒细化，因此，预热温度应在Mf与Ms点之间。焊接试验结果表明，当预热温度低于100℃时，冷裂纹的产生几率为100%；当预热温度大于200℃时，基本上不会产生冷裂纹。因此，焊前预热温度为200℃～300℃。考虑到氩弧焊封底时，接头中的扩散氢含量比较低，其预热温度可放宽至100℃～150℃。

2.5.2 层间温度

层间温度应介于Mf与Ms点之间，并在焊接过程中保持层间温度不低于预热温度。如果层间温度低于Mf点，接头处产生冷裂纹的几率为100%；而当层间温度高于Ms点时，过高的层间温度会造成马氏体束的尺寸变大和球状碳化物析出，使接头的冲击韧性降低。另外，现场焊接表明，SA335P91钢焊条在该温度范围内焊接时，焊条可操作性强，熔池流动性好，飞溅明显减少，焊接质量比较好。焊接层间温度应为260℃～300℃。

2.6 焊接工艺参数

SA335T91主蒸汽管焊道布置如图3所示，焊接工艺参数如表4所示。

图3 SA335T91主蒸汽管焊道布置

表4 SA335P91钢主蒸汽管道焊接工艺参数

SA335P91钢是一种高合金钢，为防止合金元素烧损，焊接时背面必须进行充氩保护，考虑到打底及次层焊接时均可能造成背面氧化，均需要进行充氩保护。为防止氩弧焊打底时焊缝强度不是产生裂纹，选择氩弧焊双打底工艺，即GTAW打底两层。GTAW打底层氩气保护流量为15～30 L／min，SMAW填充焊接时为8～12 L／min。

2.7 焊后热处理

焊后热处理的目的是降低焊接接头的残余应力，促使焊缝区氢扩散逸出。为防止在焊后热处理过程中，焊缝中的残余奥氏体组织转变为粗大晶粒的魏氏组织，SA335P91钢焊接完毕后不能立即进行高温回火处理，而应先将焊缝冷却至100℃～120℃并恒温1.5 h，待残余奥氏体组织全部转变为马氏体组织后再进行焊后热处理。依据焊材技术条件规定：SA335P91钢焊后消除应力处理760℃，保温4～6 h；按《工艺导则》要求焊后热处理温度为750℃～770℃，保温4 h。故选择的工艺为焊后高温回火，温度750℃～770℃，保温4～6h。升降温速度小于150℃／h。焊前预热、层间保温、热处理工艺参数如图4所示。

图4 焊前预热、层间保温、热处理工艺参数

3 焊接工艺评定

根据焊接工艺评定规程要求，选用φ 333 mm× 30 mm的SA335P91钢管水平固定对接和垂直固定对接接头进行焊接工艺评定试验，接头形式如图l所示，焊接工艺参数如表4所示，环境温度22℃。接头经100%X射线探伤＋100%超声探伤，评定结果为I级。

接头抗拉强度试验结果(均为平均值)：抗拉强度655MPa，屈服强度573.5 MPa，延伸率31.6%，断面收缩率52.8%，塑性断裂于热影响区。

接头弯曲试验结果：弯曲后的面弯、背弯和侧弯试样经10倍放大镜宏观检查，未发现裂纹。接头冲击试验结果：平均冲击值为106 J／cm2。

接头硬度检测结果(平均值)：焊缝硬度246 HB，热影响区硬度240 HB，母材硬度224 HB。热处理后的接头金相组织为回火索氏体。

试验结果表明焊接接头的各项性能指标均符合相关标准。

4 现场焊接工艺控制

4.1 施工环境准备

为确保焊口施焊时不受周边环境的影响，如冬季环境温度低、雨雪大风天气等，在每个焊口施工时应搭设工作棚；在负温环境中，采用点钨灯对焊口周围环境进行加热，以提高焊接时的环境温度；采用挡风措施，防止焊接时层间温度下降过快，影响焊接施工；为防止施工现场突然停电，准备一路备用电源，确保焊接热处理过程不断电，以免影响SA335P91钢的组织转变。

4.2 焊接操作及层间清理

SA335P91钢材质的铁水流动性差，小规范焊接容易产生夹渣、层间未熔合等缺陷，加强层间焊渣的清理很有必要。清理每层焊道时，用角磨机或钢丝刷彻底清除焊渣及飞溅物，特别是中间接头和坡口边缘要保持金属光泽。为了防止焊接接头出现冷裂纹以及保证焊接接头的冲击韧性等力学性能满足要求，焊条电弧焊填充、盖面时应尽量控制焊接热输入，采用短弧、多层多道、小规范的焊接工艺。层间接头处应错开10～15 mm，每层焊道的厚度应小于等于焊条直径，焊条摆动宽度不得超过焊条直径的4倍。焊接收弧时要注意保证收弧量，防止产生弧坑裂纹。

4.3 工艺监督

SA335P91钢管道焊接现场设工艺监督员进行工艺监督。工艺监督员应按监督记录表中的内容进行监督记录，主要包括：环境温度、焊前预热温度、层间温度、焊层厚度、焊道宽度、焊接电流、电压及焊接速度等，并有权对该项工作的焊工及热处理工进行工作调度指挥。

5 结论

(1)SA335P91钢焊接性的主要问题是冷裂纹敏感性较强和冲击韧性下降。焊接方法和焊接材料确定以后，获得优质接头的关键工艺措施是焊前预热、控制层温、较小的线能量以及焊后热处理等工艺。

(2)氩弧焊封底时其预热温度为100℃～150℃；焊条电弧焊的焊前预热温度为200℃～300℃，层间温度200℃～300℃。

(3)严格控制线能量，采用多层多道焊，小直径、小电流、快速焊。焊接线能量应控制在25～30 kJ／cm以下，GTAW最好为12～15 kJ／cm，每一焊层厚度小于等于4 mm，焊条摆动宽度小于等于15 mm。

(4)通过工艺评定试验，制定合理的焊接工艺和焊后热处理工艺，并根据现场环境条件采取有效的工艺控制措施，可以获得综合性能良好的焊接质量。

[1]周振丰.焊接冶金与金属焊接性[M].北京：机械工业出版社，1988.

[2]P91钢焊接工艺导则[R].

[3]P91／T91钢焊接工艺暂行规定[S].

[4]王然，热处理对P91钢金相组织及显微硬度的影响[J].金属热处理，2000(11)：6－8.

[5]周振丰.金属熔焊原理及工艺[M].北京：机械工业出版社，1984.

[6]李振江.特殊及难焊材料的焊接[M].北京：化学工业出版社，2003.

[7]黄嗣罗，余松.石化装置用SA335P91厚壁炉管焊接工艺研究[J].压力容器，2002(2)：42－45.

[8]宋仁明.SA335－P91钢主蒸汽管道焊接技术[J].青海电力，2007(1)：13－16.

Research on welding procedure of SA335－P91 type steel high-temperature and high-pressure main steam pipe in electric power plant

WANG Li-juan，YANG Guo-hui
(Hu'nan Institute of Technology，Hengyang 421002，China)

The SA335P91 steel is the modified form of the 9Cr－1Mo high-strength martensite heat-resistant-steel.Compared with the traditional Cr－Mo heat-resistant steeI，it performs superior in high-temperaturestrength，creep resistance，anti-oxidation and other aspects.The main problem of the weldability of SA335P91 steel are its high constructional sensitiveness to cold crack and declining of the joints'V notch impactstrength.To solve these problems，According to the welding characteristics of SA335P91 steel，welding method of the GTAW＋SMAW were Selected，the reasonable welding parameter were carried out：preheating temperature of GTAW is 100℃～150℃，preheating temperature of SMAW is 200℃～300℃；preserve interpass temperature of SMAW is 200℃～300℃；welding linear energy of SMAW is less than or equal 25～30 kJ／cm，welding linear energy of GTAW is betweem 12～15 kJ／cm，post－weld heat treatment is 750℃～770℃，holding 4～6 h，heating up speed and detemperature rate are less than or equal 150℃／h.Combining the concrete condition in the field，we uses therelated technology control measures.This ensures the work of the SA335P91 steel welding successfully carry out and guarantees good welding quality in comprehensive performance.

SA335P91 steel；weldability；welding process；electric power plant boiler；main steam pipe

book=8,ebook=86

TG457.11

B

1001－2303(2010)08－0071－05

2010－02－09

王丽娟(1963—)，女，湖南衡阳人，高级实验师，主要从事机械设计及理论、热能动力工程等方面的研究工作。