高压高温大口径P91合金钢管道的焊接

赵卫雄

摘 要 本文针对SA-335 CrP91（简称P91）钢管的特点，通过分析大口径厚壁P91钢管的焊接特点，严格控制焊接工艺和操作方法两个方面进行严格控制以获得良好的焊接接头。

关键词 大口径;P91钢管;焊接;工艺

中图分类号：TG4 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）22-0140-02

巴陵石化煤代油项目中的高压蒸汽管道是非常重要的一条管线，该管道设计压力为10.8MPa，设计温度为545℃，操作压力为10.3MPa，操作温度为535℃，该管线全长1320米，其中有320米的管道材质为SA-335 CrP91简称P91，规格为φ457×30，此管道的焊接属大口径、厚壁、高温、高压管道的焊接，焊接难度比较大。焊接时主要存在焊缝韧性低、焊接时焊条脱渣性差、易发生焊缝根部氧化等问题。经过施工现场的研究，实践证明，只要严格执行焊接工艺，按工艺操作，可获得良好的焊接接头。

1 P91钢管的特性、化学成分与机械性能

1）P91钢管的特性。

P91钢是一种由Nb、V、N微合金化的高合金铁素体类钢，高温回火后组织是回火马氏体，也可说是由铁素体和弥散分布于其中的C、N化合物组成的。它是在9Cr-1Mo钢的基础上，研究改进而成的新型钢种，除了具有良好高温力学性能以外，还具有高的导热系数和低的线膨胀系数及较好的抗氧化能力。

2）P91钢管的化学成分与机械性能分析，见表1，表2。

2 SA-335 P91钢管焊接存在问题分析

1）近缝区冷裂纹。

P91钢管中含有约9%的Cr，1%的Mo，属于高合金钢，加之高压蒸汽管道壁厚较厚（30 mm），焊缝冷却速度快，使得氢的扩散集中和较大的应力叠加，很容易引起近缝区的冷裂纹产生，针对此特点，焊接中我们通过采取严格控制焊口预热、层间温度均匀及后热处理等措施防止冷裂纹的产生。

2）P91钢焊接时容易产生根部氧化。

P91钢的焊接对外部环境要求比较高，焊接时施工环境温度要求≥5℃，根部焊接时要求在无氧的环境下进行，否责易发生焊缝的根部氧化现象。因此现场焊接时，我们采用对焊缝背面充氩保护的焊接工艺，防止焊缝的根部氧化发生。

3）P91钢具有弧坑裂纹的倾向。

由于焊工收弧不当，造成焊缝区局部温度较高，烧伤焊缝而形成弧坑，加上预热温度不足，焊缝冷却速度快而导致弧坑面产生裂纹。

4）P91钢焊接时焊条脱渣性比较差，容易影响焊缝层间质量。

3 认真编写焊接工艺，从焊接工艺上消除焊接缺陷

1）焊接工艺。

①焊接方法。

坡口形式采用双V型坡口，采用机械加工的方法进行坡口加工，确保满足焊口组对要求（对口间隙3-6 ㎜），采用钨极氩弧焊打底，焊缝采用背面充氩保护工艺，电弧焊填层盖面的方法。

②焊接材料选用。

本工程按照焊接工艺评定选用的焊材为焊丝：TGS-9CB φ2.4，焊条CM-9CB，φ3.2/φ4.0。钨极WCe-20 φ2.5，氩气纯度必须≥99.99%，氩气流量：正面8～12L/min，背面第一层：10～25L/min，第二层5～8L/min。

③焊接工艺参数，见表3。

3）焊前预热。

采用电加热的预热方式，氩弧焊（GTAW）：预热温度150～200℃。电弧焊（SMAW）：预热温度200～250℃。焊接过程中层间温度控制在300℃以内，但不低于预热温度，预热宽度从坡口中心每侧不少于3倍的管壁厚，用测温仪或测温笔检测预热温度达到要求后进行焊接。预热可以减缓焊缝的冷却速度，有利于氢的逸出，减少焊接应力，防止近缝区冷裂纹的产生。

4）P91钢底层焊接时，采用背面充氩保护工艺，避免焊缝根部氧化;不仅第一遍打底时需要充氩保护，第二遍氩弧焊或第一遍电弧焊时仍需充氩保护，以防止过烧发生根部氧化现象。充氩保护工具可自行制作，亦可采用专用工具，必须注意焊接完成后取出保护氩气工具。固定焊口焊接时，可用水溶纸堵塞焊口两端500 ㎜左右，并焊缝处在第一遍打底时前先将坡口内添塞石棉绳，形成密闭气室，利用对口间隙将细长铜管或不锈钢管敲扁后通过坡口伸进焊接区域进行充氩保护。，焊接前应用手进行检测气体保护效果，感觉到氩气从焊缝冒出后方可进行氩弧焊接。

5）氩弧焊打底。

①氩弧焊打底在管道预热到规定温度并加热均匀后采用直流正接法、两人对称焊接，接头位置应该错开，防止焊接接头局部应力集中。

②在开焊前把开始焊接处的石棉绳去开，把开始焊接处的焊缝清理干净开始焊接，其余的石棉绳边焊接边去开。

③氩弧焊打底时，采用高频引弧，衰减收弧的方法，且焊接时速度不宜过快，焊层厚度不小于3 ㎜。氩弧焊接最好焊两遍，目的是防止电焊击穿打底层，造成根部氧化或其他缺陷产生。

6）电弧焊填层盖面。

①打底完成后，将焊道温度升至200～250℃，可以开始电弧焊;采用直流反接法、两人对称焊接。

②第一、二层电弧焊，采用φ3.2 ㎜焊条，在保证熔化良好的前提下，尽量减小焊接电流，严防烧穿氩弧焊打底焊缝。

③中间各层采用φ4.0 ㎜焊条，各层接头应错开，焊工要加强层间清理，严防焊缝夹渣。

④采用多层多道焊，各焊道的单层厚度约4 ㎜，单道焊的摆动宽度≤4倍的焊条直径。

⑤由于焊条的脱渣性能较差，每层焊道须清理干净，尤其注意清理接头及焊道两侧。每道焊缝最好一次完成，焊接完毕后，清理焊缝表面的飞溅及焊渣，表面缺陷应及时处理，即将焊缝加热至350℃的脱氢处理，加热要均匀，之后保温自然冷却后进行探伤工作。

⑥焊缝返修工作与正式焊接工艺相同。

7）焊缝的焊后热处理。

①焊接完毕后，大口径P91钢管要先进行后热处理，即将焊缝加热至300～350℃，然后用保温棉包好自然冷却进行24小时时效处理。

②后热处理结束后，再对焊缝进行焊后热处理，温度为760±10℃，缓慢加热，300℃以上升、降速度为212℃/h，恒温时间为2小时。

4 焊接时操作要点

1）严格控制预热、层间温度，严格控制焊接热输入量，提高焊接接头的冲击韧性。根层焊接需注意管道内部氩气充满后方可进行焊接，以防根层氧化，注意打底质量，两人对接焊时要相互帮助检查。

2）焊接时随时注意焊道的层间清理和检查，上层检查合格后及时进行次层焊接，焊接时注意两侧坡口及根部要熔合良好，避免未熔合缺陷产生。

3）焊接时在熔池边缘处收弧，收弧时注意填加铁水并保证弧坑饱满，同时采用电流的衰减性能以及注意接头的打磨，以避免表面弧坑裂纹的产生。

4）P91钢焊接施工时，环境温度应≥5℃，否则应采取措施，施工时需做好防风、防雨措施，确保满足焊接施工要求。

5 焊接完成后无损检测情况

见表4。

6 结论

实践证明，通过使用合适的焊接工艺，严格的操作方法以及严格的技术、质量管理，我们在巴陵石化煤代油工程中的高压蒸汽管道大口径P91钢管的焊接取得了优异的成绩，大口径SA-335 CrP91钢管的无损探伤一次合格率99.50%，焊缝的光谱、硬度合格率100%，P91钢管的焊接获得了优质的焊接接头。

参考文献

[1]张信林，张佩良.焊工技术问答（第三版）[M].中国电力出版社，2005.

[2]王章忠.机械工程材料[M].机械工业出版社，2001.

[3]徐英才.熔焊原理（第二版）[M].机械工业出版社，2001.endprint

摘 要 本文针对SA-335 CrP91（简称P91）钢管的特点，通过分析大口径厚壁P91钢管的焊接特点，严格控制焊接工艺和操作方法两个方面进行严格控制以获得良好的焊接接头。

关键词 大口径;P91钢管;焊接;工艺

中图分类号：TG4 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）22-0140-02

巴陵石化煤代油项目中的高压蒸汽管道是非常重要的一条管线，该管道设计压力为10.8MPa，设计温度为545℃，操作压力为10.3MPa，操作温度为535℃，该管线全长1320米，其中有320米的管道材质为SA-335 CrP91简称P91，规格为φ457×30，此管道的焊接属大口径、厚壁、高温、高压管道的焊接，焊接难度比较大。焊接时主要存在焊缝韧性低、焊接时焊条脱渣性差、易发生焊缝根部氧化等问题。经过施工现场的研究，实践证明，只要严格执行焊接工艺，按工艺操作，可获得良好的焊接接头。

1 P91钢管的特性、化学成分与机械性能

1）P91钢管的特性。

P91钢是一种由Nb、V、N微合金化的高合金铁素体类钢，高温回火后组织是回火马氏体，也可说是由铁素体和弥散分布于其中的C、N化合物组成的。它是在9Cr-1Mo钢的基础上，研究改进而成的新型钢种，除了具有良好高温力学性能以外，还具有高的导热系数和低的线膨胀系数及较好的抗氧化能力。

2）P91钢管的化学成分与机械性能分析，见表1，表2。

2 SA-335 P91钢管焊接存在问题分析

1）近缝区冷裂纹。

P91钢管中含有约9%的Cr，1%的Mo，属于高合金钢，加之高压蒸汽管道壁厚较厚（30 mm），焊缝冷却速度快，使得氢的扩散集中和较大的应力叠加，很容易引起近缝区的冷裂纹产生，针对此特点，焊接中我们通过采取严格控制焊口预热、层间温度均匀及后热处理等措施防止冷裂纹的产生。

2）P91钢焊接时容易产生根部氧化。

P91钢的焊接对外部环境要求比较高，焊接时施工环境温度要求≥5℃，根部焊接时要求在无氧的环境下进行，否责易发生焊缝的根部氧化现象。因此现场焊接时，我们采用对焊缝背面充氩保护的焊接工艺，防止焊缝的根部氧化发生。

3）P91钢具有弧坑裂纹的倾向。

由于焊工收弧不当，造成焊缝区局部温度较高，烧伤焊缝而形成弧坑，加上预热温度不足，焊缝冷却速度快而导致弧坑面产生裂纹。

4）P91钢焊接时焊条脱渣性比较差，容易影响焊缝层间质量。

3 认真编写焊接工艺，从焊接工艺上消除焊接缺陷

1）焊接工艺。

①焊接方法。

坡口形式采用双V型坡口，采用机械加工的方法进行坡口加工，确保满足焊口组对要求（对口间隙3-6 ㎜），采用钨极氩弧焊打底，焊缝采用背面充氩保护工艺，电弧焊填层盖面的方法。

②焊接材料选用。

本工程按照焊接工艺评定选用的焊材为焊丝：TGS-9CB φ2.4，焊条CM-9CB，φ3.2/φ4.0。钨极WCe-20 φ2.5，氩气纯度必须≥99.99%，氩气流量：正面8～12L/min，背面第一层：10～25L/min，第二层5～8L/min。

③焊接工艺参数，见表3。

3）焊前预热。

采用电加热的预热方式，氩弧焊（GTAW）：预热温度150～200℃。电弧焊（SMAW）：预热温度200～250℃。焊接过程中层间温度控制在300℃以内，但不低于预热温度，预热宽度从坡口中心每侧不少于3倍的管壁厚，用测温仪或测温笔检测预热温度达到要求后进行焊接。预热可以减缓焊缝的冷却速度，有利于氢的逸出，减少焊接应力，防止近缝区冷裂纹的产生。

4）P91钢底层焊接时，采用背面充氩保护工艺，避免焊缝根部氧化;不仅第一遍打底时需要充氩保护，第二遍氩弧焊或第一遍电弧焊时仍需充氩保护，以防止过烧发生根部氧化现象。充氩保护工具可自行制作，亦可采用专用工具，必须注意焊接完成后取出保护氩气工具。固定焊口焊接时，可用水溶纸堵塞焊口两端500 ㎜左右，并焊缝处在第一遍打底时前先将坡口内添塞石棉绳，形成密闭气室，利用对口间隙将细长铜管或不锈钢管敲扁后通过坡口伸进焊接区域进行充氩保护。，焊接前应用手进行检测气体保护效果，感觉到氩气从焊缝冒出后方可进行氩弧焊接。

5）氩弧焊打底。

①氩弧焊打底在管道预热到规定温度并加热均匀后采用直流正接法、两人对称焊接，接头位置应该错开，防止焊接接头局部应力集中。

②在开焊前把开始焊接处的石棉绳去开，把开始焊接处的焊缝清理干净开始焊接，其余的石棉绳边焊接边去开。

③氩弧焊打底时，采用高频引弧，衰减收弧的方法，且焊接时速度不宜过快，焊层厚度不小于3 ㎜。氩弧焊接最好焊两遍，目的是防止电焊击穿打底层，造成根部氧化或其他缺陷产生。

6）电弧焊填层盖面。

①打底完成后，将焊道温度升至200～250℃，可以开始电弧焊;采用直流反接法、两人对称焊接。

②第一、二层电弧焊，采用φ3.2 ㎜焊条，在保证熔化良好的前提下，尽量减小焊接电流，严防烧穿氩弧焊打底焊缝。

③中间各层采用φ4.0 ㎜焊条，各层接头应错开，焊工要加强层间清理，严防焊缝夹渣。

④采用多层多道焊，各焊道的单层厚度约4 ㎜，单道焊的摆动宽度≤4倍的焊条直径。

⑤由于焊条的脱渣性能较差，每层焊道须清理干净，尤其注意清理接头及焊道两侧。每道焊缝最好一次完成，焊接完毕后，清理焊缝表面的飞溅及焊渣，表面缺陷应及时处理，即将焊缝加热至350℃的脱氢处理，加热要均匀，之后保温自然冷却后进行探伤工作。

⑥焊缝返修工作与正式焊接工艺相同。

7）焊缝的焊后热处理。

①焊接完毕后，大口径P91钢管要先进行后热处理，即将焊缝加热至300～350℃，然后用保温棉包好自然冷却进行24小时时效处理。

②后热处理结束后，再对焊缝进行焊后热处理，温度为760±10℃，缓慢加热，300℃以上升、降速度为212℃/h，恒温时间为2小时。

4 焊接时操作要点

1）严格控制预热、层间温度，严格控制焊接热输入量，提高焊接接头的冲击韧性。根层焊接需注意管道内部氩气充满后方可进行焊接，以防根层氧化，注意打底质量，两人对接焊时要相互帮助检查。

2）焊接时随时注意焊道的层间清理和检查，上层检查合格后及时进行次层焊接，焊接时注意两侧坡口及根部要熔合良好，避免未熔合缺陷产生。

3）焊接时在熔池边缘处收弧，收弧时注意填加铁水并保证弧坑饱满，同时采用电流的衰减性能以及注意接头的打磨，以避免表面弧坑裂纹的产生。

4）P91钢焊接施工时，环境温度应≥5℃，否则应采取措施，施工时需做好防风、防雨措施，确保满足焊接施工要求。

5 焊接完成后无损检测情况

见表4。

6 结论

实践证明，通过使用合适的焊接工艺，严格的操作方法以及严格的技术、质量管理，我们在巴陵石化煤代油工程中的高压蒸汽管道大口径P91钢管的焊接取得了优异的成绩，大口径SA-335 CrP91钢管的无损探伤一次合格率99.50%，焊缝的光谱、硬度合格率100%，P91钢管的焊接获得了优质的焊接接头。

参考文献

[1]张信林，张佩良.焊工技术问答（第三版）[M].中国电力出版社，2005.

[2]王章忠.机械工程材料[M].机械工业出版社，2001.

[3]徐英才.熔焊原理（第二版）[M].机械工业出版社，2001.endprint

摘 要 本文针对SA-335 CrP91（简称P91）钢管的特点，通过分析大口径厚壁P91钢管的焊接特点，严格控制焊接工艺和操作方法两个方面进行严格控制以获得良好的焊接接头。

关键词 大口径;P91钢管;焊接;工艺

中图分类号：TG4 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）22-0140-02

巴陵石化煤代油项目中的高压蒸汽管道是非常重要的一条管线，该管道设计压力为10.8MPa，设计温度为545℃，操作压力为10.3MPa，操作温度为535℃，该管线全长1320米，其中有320米的管道材质为SA-335 CrP91简称P91，规格为φ457×30，此管道的焊接属大口径、厚壁、高温、高压管道的焊接，焊接难度比较大。焊接时主要存在焊缝韧性低、焊接时焊条脱渣性差、易发生焊缝根部氧化等问题。经过施工现场的研究，实践证明，只要严格执行焊接工艺，按工艺操作，可获得良好的焊接接头。

1 P91钢管的特性、化学成分与机械性能

1）P91钢管的特性。

P91钢是一种由Nb、V、N微合金化的高合金铁素体类钢，高温回火后组织是回火马氏体，也可说是由铁素体和弥散分布于其中的C、N化合物组成的。它是在9Cr-1Mo钢的基础上，研究改进而成的新型钢种，除了具有良好高温力学性能以外，还具有高的导热系数和低的线膨胀系数及较好的抗氧化能力。

2）P91钢管的化学成分与机械性能分析，见表1，表2。

2 SA-335 P91钢管焊接存在问题分析

1）近缝区冷裂纹。

P91钢管中含有约9%的Cr，1%的Mo，属于高合金钢，加之高压蒸汽管道壁厚较厚（30 mm），焊缝冷却速度快，使得氢的扩散集中和较大的应力叠加，很容易引起近缝区的冷裂纹产生，针对此特点，焊接中我们通过采取严格控制焊口预热、层间温度均匀及后热处理等措施防止冷裂纹的产生。

2）P91钢焊接时容易产生根部氧化。

P91钢的焊接对外部环境要求比较高，焊接时施工环境温度要求≥5℃，根部焊接时要求在无氧的环境下进行，否责易发生焊缝的根部氧化现象。因此现场焊接时，我们采用对焊缝背面充氩保护的焊接工艺，防止焊缝的根部氧化发生。

3）P91钢具有弧坑裂纹的倾向。

由于焊工收弧不当，造成焊缝区局部温度较高，烧伤焊缝而形成弧坑，加上预热温度不足，焊缝冷却速度快而导致弧坑面产生裂纹。

4）P91钢焊接时焊条脱渣性比较差，容易影响焊缝层间质量。

3 认真编写焊接工艺，从焊接工艺上消除焊接缺陷

1）焊接工艺。

①焊接方法。

坡口形式采用双V型坡口，采用机械加工的方法进行坡口加工，确保满足焊口组对要求（对口间隙3-6 ㎜），采用钨极氩弧焊打底，焊缝采用背面充氩保护工艺，电弧焊填层盖面的方法。

②焊接材料选用。

本工程按照焊接工艺评定选用的焊材为焊丝：TGS-9CB φ2.4，焊条CM-9CB，φ3.2/φ4.0。钨极WCe-20 φ2.5，氩气纯度必须≥99.99%，氩气流量：正面8～12L/min，背面第一层：10～25L/min，第二层5～8L/min。

③焊接工艺参数，见表3。

3）焊前预热。

采用电加热的预热方式，氩弧焊（GTAW）：预热温度150～200℃。电弧焊（SMAW）：预热温度200～250℃。焊接过程中层间温度控制在300℃以内，但不低于预热温度，预热宽度从坡口中心每侧不少于3倍的管壁厚，用测温仪或测温笔检测预热温度达到要求后进行焊接。预热可以减缓焊缝的冷却速度，有利于氢的逸出，减少焊接应力，防止近缝区冷裂纹的产生。

4）P91钢底层焊接时，采用背面充氩保护工艺，避免焊缝根部氧化;不仅第一遍打底时需要充氩保护，第二遍氩弧焊或第一遍电弧焊时仍需充氩保护，以防止过烧发生根部氧化现象。充氩保护工具可自行制作，亦可采用专用工具，必须注意焊接完成后取出保护氩气工具。固定焊口焊接时，可用水溶纸堵塞焊口两端500 ㎜左右，并焊缝处在第一遍打底时前先将坡口内添塞石棉绳，形成密闭气室，利用对口间隙将细长铜管或不锈钢管敲扁后通过坡口伸进焊接区域进行充氩保护。，焊接前应用手进行检测气体保护效果，感觉到氩气从焊缝冒出后方可进行氩弧焊接。

5）氩弧焊打底。

①氩弧焊打底在管道预热到规定温度并加热均匀后采用直流正接法、两人对称焊接，接头位置应该错开，防止焊接接头局部应力集中。

②在开焊前把开始焊接处的石棉绳去开，把开始焊接处的焊缝清理干净开始焊接，其余的石棉绳边焊接边去开。

③氩弧焊打底时，采用高频引弧，衰减收弧的方法，且焊接时速度不宜过快，焊层厚度不小于3 ㎜。氩弧焊接最好焊两遍，目的是防止电焊击穿打底层，造成根部氧化或其他缺陷产生。

6）电弧焊填层盖面。

①打底完成后，将焊道温度升至200～250℃，可以开始电弧焊;采用直流反接法、两人对称焊接。

②第一、二层电弧焊，采用φ3.2 ㎜焊条，在保证熔化良好的前提下，尽量减小焊接电流，严防烧穿氩弧焊打底焊缝。

③中间各层采用φ4.0 ㎜焊条，各层接头应错开，焊工要加强层间清理，严防焊缝夹渣。

④采用多层多道焊，各焊道的单层厚度约4 ㎜，单道焊的摆动宽度≤4倍的焊条直径。

⑤由于焊条的脱渣性能较差，每层焊道须清理干净，尤其注意清理接头及焊道两侧。每道焊缝最好一次完成，焊接完毕后，清理焊缝表面的飞溅及焊渣，表面缺陷应及时处理，即将焊缝加热至350℃的脱氢处理，加热要均匀，之后保温自然冷却后进行探伤工作。

⑥焊缝返修工作与正式焊接工艺相同。

7）焊缝的焊后热处理。

①焊接完毕后，大口径P91钢管要先进行后热处理，即将焊缝加热至300～350℃，然后用保温棉包好自然冷却进行24小时时效处理。

②后热处理结束后，再对焊缝进行焊后热处理，温度为760±10℃，缓慢加热，300℃以上升、降速度为212℃/h，恒温时间为2小时。

4 焊接时操作要点

1）严格控制预热、层间温度，严格控制焊接热输入量，提高焊接接头的冲击韧性。根层焊接需注意管道内部氩气充满后方可进行焊接，以防根层氧化，注意打底质量，两人对接焊时要相互帮助检查。

2）焊接时随时注意焊道的层间清理和检查，上层检查合格后及时进行次层焊接，焊接时注意两侧坡口及根部要熔合良好，避免未熔合缺陷产生。

3）焊接时在熔池边缘处收弧，收弧时注意填加铁水并保证弧坑饱满，同时采用电流的衰减性能以及注意接头的打磨，以避免表面弧坑裂纹的产生。

4）P91钢焊接施工时，环境温度应≥5℃，否则应采取措施，施工时需做好防风、防雨措施，确保满足焊接施工要求。

5 焊接完成后无损检测情况

见表4。

6 结论

实践证明，通过使用合适的焊接工艺，严格的操作方法以及严格的技术、质量管理，我们在巴陵石化煤代油工程中的高压蒸汽管道大口径P91钢管的焊接取得了优异的成绩，大口径SA-335 CrP91钢管的无损探伤一次合格率99.50%，焊缝的光谱、硬度合格率100%，P91钢管的焊接获得了优质的焊接接头。

参考文献

[1]张信林，张佩良.焊工技术问答（第三版）[M].中国电力出版社，2005.

[2]王章忠.机械工程材料[M].机械工业出版社，2001.

[3]徐英才.熔焊原理（第二版）[M].机械工业出版社，2001.endprint