新型耐热钢主蒸汽SA335—P91钢焊接工艺浅析

刘志晨

摘要：本文主要介绍了新型耐热钢SA335-P91钢具有良好的高温综合性能，近十几年来在我国大型发电站的主蒸汽管道中得到了广泛应用。通过我公司这几年承接的300MW以上机组施工安装过程中积累的实践经验、数据和技术资料对P91钢的焊接工艺方法进行分析与探讨。

关键词：SA335-P91；主蒸汽管；焊接工艺；探讨

引言

为了适应我国大型、高效、环保型超（超）临界火电燃煤机组建设发展的需要，火电机组正在向大容量、高参数、大型化发展。全球能源危机和人们环保意识的提高，加速发展洁净煤技术的超（超）临界火电燃煤机组作为能源节约、保护环境、促进社会经济可持续发展的重要战略。

我公司开展了针对主蒸汽管道P91钢的焊接工艺的试验研究工作，对P91钢的焊接性能，做了充分的研究和分析，制定了详细的焊接工艺评定和热处理工艺方案，通过主蒸汽管道P91钢的评定工作，积累了丰富的经验和数据资料。依据评定方案进行焊接施工的超（超）临界火力机组主蒸汽管道P91钢的焊接性能达到标准规定，为推动超（超）临界火电机组采用新型钢做出了重大贡献。

一、SA335-P91钢焊接工艺原理：

SA335-P91钢是在9Cr-1Mo钢基础上加入微量元素V、N、Nb等形成的变质新钢种。它是高合金马氏体耐热钢，具有良好的抗氧化性，较好的耐高温强度和耐硫化氢腐蚀性及具有较好的冷变形性能。

该钢种由于C，P，S等元素含量低，纯净度高，并且具有高的韧性，焊接冷裂倾向相应降低。但它的合金总含量已大于10%，可焊性相对是较差的，尤其焊接时具有强烈的脆硬敏感性。鉴此于，焊接前必须先做行之有效的焊接工艺评定，严格执行各项工艺纪律才能保证P91钢的焊缝质量。

SA335-P91钢具有优良的常温及高温力学性能由于其良好的综合性能，在火电站建设中得到广泛的应用，其使用温度在500℃—650℃左右。SA335-P91钢的化学成份和常温机械性能如表1、2所示。

表1 P91钢的主要化学成分（Wt%）

表2 P91钢的常温力学性能

P91钢已列入ASEM 、JIS和GB标准中。P91钢材尽管焊接性优于F11、F12钢，但它的淬硬倾向仍然是大的，容易产生再热裂纹和冷裂纹。

冷裂紋产生的因素有三个：一是P91钢属于空冷马氏体钢，在组织上有较大的冷裂敏感性；二是在焊后的马氏体转变中，氢以过饱和状态残留在马氏体中，促使该区域进一步脆化；三是由于焊后的马氏体相变，使接头处的组织应力增大。这三个因素的共同作用，使P91钢对冷裂纹较为敏感。因此，P91钢焊接时应采取相应的措施。

二、SA335-P91焊接特性：

（一）焊接接头在焊后状态均为高硬度的不稳定组织，焊后必须作相应的热处理。

（二）对焊接输入热量的控制要求比较高，实践经验证明，采用较小的焊条直径、比较低的层间温度和较小的焊接线能量，冲击韧性可以大大提高。

（三）在焊接过程中严格控制焊件的层间温度，使其保持在预热温度或更高的温度是首要的任务。其次要十分注意从层间温度冷却至焊后热处理开始的时间间隔。

三、SA335-P91钢焊接施工工艺流程及操作要点：

（一）施工工艺流程如下所示：

对口前检查 →设置充氩装置→对口检查→点固前预热→点固→焊前预热→充氩→氩弧打底→层间焊接→盖面焊接→焊后自检、专检→热处理→金属实验室检测。

（二）焊前准备及施工操作要点：

1、SA335-P91钢焊接工艺采用：GTAW+SMAW；

2、焊接设备：ZX7—400ST型逆变焊机。

3、焊接材料：焊丝采用WCrMO91（型号ER90S-B9规格Ф2.4mm），焊条采用CROMOCORD9M（型号E9015-B9 规格Ф3.2mm、Ф4.0 mm）。

4、对口前检查：坡口尺寸和对口间隙应符合《火力发电厂焊接技术规范》（DL/T869-2004）。

5、坡口加工：坡口采用机械加工，坡口应平滑均匀，尺寸符合要求，对口前需认真检查，发现不合格者必须用磨光机等工具修磨至合格。清理坡口内外壁两侧15～20mm范围内的铁锈、油污等污物，直至露出金属光泽。

6、焊前预热：采用电脑温控设备，对焊口进行跟踪预热，热电偶对称布置，热电偶与管件应接触良好，氩弧焊预热温度为100～150℃，焊条电弧焊预热为200～300℃，预热宽度从坡口中心每侧不少于3倍的管壁厚计算。

表3 SA335-P91钢焊接工艺参数表

7、施焊时按照焊接工艺参数表3进行；打底层焊接，当预热温度达到规定温度并均匀后，焊丝选用ER90S-B9规格 Ф2.4mm采用直流正接由两人对称焊接，第一层和第二层焊缝均采用氩弧焊。打底层焊时，采用内送丝法，要注意根部熔合良好，厚度控制在2.8～3.2mm范围内。

8、氩弧焊打底过程中，用聚光手电筒仔细检查根部焊缝，确保无跟不可看缺陷，打底完成并经目测检查合格后，立即进行次层的焊接。为防止根部焊缝金属氧化，应在主蒸汽管子内充氩保护。

9、充氩保护可参照下列要求进行：

（1）充氩装置工具如图1所示。可先在对口前，在焊口每侧使用贴粘两层水溶纸，焊口间隙用耐高温胶带粘牢，充氩可使用φ6mm×1.5mm的铜管，将铜管的一端加工成宽度为8mm，厚度为3mm的扁状体，再用φ1mm的钻头在上面钻4～6个小孔，保证充氩时气体流量均匀。然后将其插入焊缝坡口内充氩。

（2）根层及近根层焊接时，管内必须进行充氩保护，一般应持续2层以上。

（3）用点燃的打火机或火柴放至焊缝间隙附近，当火焰熄灭时，说明内部空气已排空，可进行氩弧焊打底焊接。

（三）氩弧焊打底完成后，将预热温度升至200～300℃、开始层间与盖面焊采用焊条电弧焊（SMAW）方法；焊条选用E9015-B9 φ3.2mm、φ4.0mm。

1、采用直流反接法、两人对称焊接。由于P91钢焊接时，熔池铁水粘度大，流动性差，焊接规范又小，因而容易出现夹渣，层间未熔合等缺陷，因此为避免大的缺陷产生及保证焊接接头的综合机械性能，必须采用多层多道.

2、焊接过程中应将每层焊道接头错开10～15mm，同时注意尽量焊得平滑，便于层间焊渣清理和避免出现死角。

3、每层焊完后，必须把熔渣清理干净，尤其是两侧沟槽中的熔渣，应用磨光机或钢丝刷等将焊渣、飞溅等杂物清理干净，经自检合格后，方可焊接次层。

4、焊接过程中，认真观察熔化状态，应特别注意焊接接头和收弧质量，收弧时应将熔池填满，避免以避免出现弧坑裂纹。

5、焊缝外表焊接完毕，要求焊工立即进行清理自检，发现外表成形不好的马上补焊，严禁在焊缝冷却后再直接补焊。

6、为了控制层间温度、每层可采用间歇式焊接，必要时可加大每层停留时间，焊接时焊口应配有监温装置。

（1）焊后自检：①.焊口焊接完成后，应及时将焊缝表面的焊渣、飞溅物等清理干净，对超标的外观缺陷进行打磨、补焊，补焊时的工艺要求与焊接时相同，并且在同一位置上的挖补次数一般不得超过两次。

（2）自检合格后应及时填报焊接自检记录表，以利于下道工序的进行。

（四）焊后热处理：

1、焊后热处理和后热处理的加热方法、加热范围、保温要求和测温要求等按照《火力发电厂焊接热处理技术规程》（DL/T819-2002）有关规定执行。

2、对于SA335-P91钢，在焊接过程被迫停止或焊后未能及时进行热处理，应在200～300℃的温度范围内停留10min才可在保温中自冷。重新焊接时，按照原工艺要求进行施焊。

3、P91钢预热温度：氩弧焊打底预热温度为100～150℃，电焊盖面预热温度为200℃～300℃。层间温度：200℃～250℃。

4、焊后热处理温度：760±10℃、恒温时间3～4小时、升降温速度140℃/h。

主蒸汽SA335-P91大径管焊接处理曲线如图2所示。

图2 主蒸汽 P91大径管焊接处理曲线图

5、加热寬度按DL/T-819-2002规程要求。

6、保温材料，如硅酸铝、石棉布、矿砂棉（或石棉绳）等由热处理人员根据实际情况选用（切记不能影响工作）。

（五）SA335-P91钢焊后检测；焊缝质量检验焊缝质量按I类焊缝的验收标准检验，检验内容及要求为：

1、外观检验按DL/T869—2004《火力发电厂焊接技术规程》，I类焊缝外观的质量标准验收；

2、无损检验按JB4730对焊缝进行100%超声波（UT）、磁粉（MT）探伤，I级合格；

3、硬度，热处理完毕后，做100%硬度测定，硬度值小于350HB；

4、光谱，对焊缝金属合金成分进行100%光谱分析复查。

四、总结

通过选择以上施工工艺，以及严格的技术、质量管理措施，越南广宁热电厂Ⅱ期2×300MW工程两台机组的主蒸汽管道焊缝的外观质量、接头表面硬度全部符合标准要求、无损探伤一次合格率达到100%。另外，从电厂主蒸汽管道水压试验和投入运行以来的情况来看，焊缝质量正常。因此，P91钢管道采用上述焊接工艺是行之有效的。目前，在大型火力发电机组中采用P91钢已成为一种必然的趋势。

参考文献：

[1]《新型耐热钢焊接》杨富、章应霖等编著 中国电力出版社出版 2007

[2]《电力行业焊接热处理人员培训教材》常建伟、周左平等编写 2004

[3]《T91/P91钢焊接工艺导则》电源质[2002]100号 2002

[4]青海火电工程公司《SA335-P91钢焊接工艺评定》 2005

[5]新型电站用钢焊接，国电焊接信息网咨询中心（上海）2004.6

[6]DL/T869-2004《火力发电厂焊接技术规程》[S].北京：中国电力出版社，2004