P91钢埋弧焊工艺研究

于景刚

1. 概述

A335 P91 是一种马氏体耐热钢，其热强性好、强韧性高、淬透性好、焊接性良、热导率高、线胀系数小，抗蚀性和价格在P22和TP304H之间。从20世纪90年代至今，P91钢在我国电力工程主蒸汽管道及再热蒸汽管道中也逐步得到了应用。目前，电站建设正向大机组、高参数方向发展，大直径厚壁管应用越来越多。以前的手工焊接方法的缺点：生产效率低、劳动强度大、质量不稳定等逐渐凸显出来。因此，研究和开发合适的埋弧焊工艺，对提高焊接效率、质量，具有重要的现实意义和经济价值。

2. P91焊接性分析

P91钢是在9Cr-1Mo耐热钢的基础上加上一定的V、Nb、N等强化元素形成的一种新钢种。其化学成分如表1 所示。

从表1可看出，P91钢合金元素种类多、含量高，具有相当高的空淬透性。Cr、Mo、Mn及Ni等元素可以显著提高钢的淬硬性，在焊接中易产生裂纹。V和Nb元素的加入会增加钢对再热裂纹的敏感性，结构和设备在高温下长期使用时， 会使热影响区的粗晶区出现再热裂纹。P91钢焊接最突出的问题就是容易产生焊接冷裂纹，使焊接接头韧性下降，尤其是焊缝金属的的韧性不易保证。这些问题主要通过焊接工艺来解决，其中包括合理的选择焊接方法、焊接材料和焊接参数等。

表1 SA335—P91钢的化学成分（质量分数） （%）

3. 焊条电弧焊和埋弧焊的比较

（1）P91钢焊条电弧焊 在实际的焊接生产中，使用焊条电弧焊焊接P91钢存在以下问题。

第一，P91钢合金元素含量高，冷裂纹敏感性强，焊接全程需要控制温度，焊接效率低。

第二，P91钢焊接时，易产生弧坑裂纹。

第三，大直径、厚壁P91钢管焊接一般采用多层多道焊，每一焊道的宽度和厚度都有严格的规定，焊道厚度不超过焊条直径，焊道宽度不能超过焊条直径的3倍。例如一道18'' Sch120的焊口焊接需要两名焊工耗时近3天才能完成。这就给焊接过程中的预热、层间温度控制、后热及焊后热处理等带来了很大的麻烦和资源损耗，也给焊缝质量带来诸多的不确定因素。

（2）P91钢埋弧焊 第一，埋弧焊施工过程中，道间温度比较均匀，连续施焊可以保证层间温度的控制要求，从而可减少许多因层间温度可能出现的缺陷。

埋弧焊的焊接效率很高，是焊条电弧焊的7~10倍，管壁越厚，体现的越明显。

埋弧焊焊接过程中人为的偶然因素较少，而焊条电弧焊焊缝质量与焊工的技术水平关系很大，人为因素影响大。

4. 埋弧焊焊接工艺

P91钢微观组织为马氏体组织，在组织上有冷裂纹敏感性，由于钢材、焊材及焊接过程等原因，可导致在马氏体转变中，氢以过饱和状态残留于焊缝中，使区域脆化。同时焊接后的相变，加上P91钢管壁厚本身造成的结构拘束应力及焊接残余应力，使焊接接头处的焊接应力增大。

基于上述因素的存在，焊接前必须采取预热措施，减小温度梯度，防止冷裂纹的发生。根据P91钢马氏体转变温度特点，预热温度一般在200~300℃，同时层间温度也要控制在200~300℃。

（1）焊前准备 焊接接头采用U形坡口，钝边为1~2mm，根部间隙3~4mm，如图1所示。焊接前将坡口两侧20~30mm区域内铁锈、油漆清理干净。焊缝采用GTAW方法打底，打底厚度5mm。由于P91钢合金含量高，所以为防止焊缝根部氧化，在打底焊时，背面要通氩气保护。为保证背面焊缝质量，打底过程需全程充氩保护。

（2）焊接材料的选用 目前国内P91钢的焊接材料大部分依靠进口，本公司选用德国蒂森焊丝和焊剂产品。氩弧焊丝选用Thermanit MTS3（AWS型号ER90S—B9），焊丝直径2.4mm。埋弧焊丝牌号为Thermanit MTS3（AWS型号EB9），规格φ3.2mm，埋弧焊焊剂牌号为marathon 543，是氯碱型高碱度烧结焊剂，焊剂粒度为8~50目（2.5~0.355mm）。

（3）焊接工艺 焊前采用电加热带预热，预热温度为250℃，氩弧焊打底时注意起弧和收弧的接头质量，避免出现弧坑裂纹。每道焊缝焊接完毕后，都要使用砂轮机或钢丝刷进行层间清理，尤其注意中间接头和坡口边缘。

图1

表2 焊接参数

表3 力学性能

埋弧焊时，预热温度200℃，采用多层多道焊，控制好层间温度在200℃~300℃，将热输入控制在1.3~2.0kJ/mm，焊接参数如表2所示。

为了降低焊缝中的氢含量，促使氢气逸出，提高组织稳定性，改善接头的综合力学性能，P91钢焊缝在焊接完成后要立即进行后热处理，在250~300℃下保温2h。同时为降低焊缝中的焊接残余应力，焊缝必须进行焊后热处理，保温温度为（760±10）℃，保温2h。热处理过程中，必须严格控制升温速率和降温速率。为确保马氏体转变的充分进行，在进行焊后热处理之前，焊缝的温度需冷却至100℃以下。

（4）性能试验 对试件焊缝取样进行力学性能试验，试验结果如表3所示。

从表3可看出，使用埋弧焊焊接的焊接接头力学性能均满足标准要求。从图2金相分析结果看，焊后热处理焊缝金属变为回火索氏体，经焊后热处理，消除了焊缝树枝状分布组织和母材热影响区的过热组织，使组织均匀化。

图2

5. 焊接注意事项

（1）焊接前要对母材表面严格清理，保证清理的距离，焊前要对埋弧焊剂进行烘干，烘烤温度和烘烤时间要满足要求。

（2）为防止合金元素烧损和氧化，氩弧焊打底时根部要充氩，采用两遍打底，第1、2层打底背面均需氩气保护。

（3）焊缝间隙用石棉堵塞，打底时边打底边揭开石棉条。

（4）埋弧焊时要注意层间清理，用钢丝刷或砂轮机将层间清理干净，防止夹渣等缺陷的产生。

6. 结语

（1）选用德国蒂森公司的埋弧焊焊接材料，选用合适的焊接参数，合理控制预热温度和层间温度，控制热输入，焊后进行消氢和焊后热处理，可使焊接接头性能满足使用要求。

（2）与焊条电弧焊相比，采用高效的埋弧焊工艺，焊接效率可提高两倍以上，大大缩短了生产周期。

（3）采用埋弧焊工艺焊接的接头，其力学性能满足各项要求，公司在实际生产中采用埋弧工艺焊接了大量的预制管道，经过各方面检查，焊缝全部合格，取得了满意的效果。

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