P91管道的焊接工艺

2016-12-12韩春光

石油化工建设 2016年5期

关键词：施焊焊材焊条

韩春光

中化二建集团有限公司太原 030021

P91管道的焊接工艺

韩春光

中化二建集团有限公司太原 030021

通过对山西潞安矿业(集团)有限责任公司高硫煤清洁利用油化电热一体化示范项目全厂工艺及供热外管的高压蒸汽(HS)系统P91材质的管道材质分析,评定管道焊接工艺,从而制定了正确的焊接施工工艺,保证了该项目P91管道的焊接质量,为类似的管道焊接提供了技术工艺参数,具有很好的推广应用价值。

P91(10Cr9Mo1VNbN)中合金耐热钢焊接工艺热处理

山西潞安矿业(集团)有限责任公司高硫煤清洁利用油化电热一体化示范项目全厂工艺及供热外管的高压蒸汽母管汽源为动力站高压锅炉,其主要用户为全凝式空分透平和动力站内的高压背压发电透平。高压蒸汽(HS)系统由热电装置直接至空分装置界区,设计压力10.4MPa,设计温度540℃,材质P91,采用2根管径DN550(Φ559×38)的双母管配置,以提高供汽的可靠性。高压蒸汽(HS)系统P91材质的管道焊口约240道。

1 焊接性分析

1.1 P91的化学成分和力学性能

在常规的碳含量下,所有中合金铬钢的组织均为马氏体组织,P91(ASTM A335)对应的牌号为10Cr9Mo1VNbN,其化学成分和力学性能如下表1、表2所示。

从上述表中可以看出,此钢属于中合金耐热钢。

1.2 P91的焊接特性

P91中合金耐热钢普遍具有较高的淬硬倾向,为保证耐热钢的高温蠕变强度,以兼顾焊接性,中合金耐热钢的W(C)一般控制在0.10～0.20%的范围内,在这种情况下,接头热影响区的组织均为马氏体组织,其硬度一方面取决母材的实际碳含量和合金成分,另一方面亦取决于焊接和焊后热处理的温度参数和冷却条件。

(1)由于P91是中合金钢,具有相当高的冷裂倾向,在不预热条件下焊接裂纹达100%,当预热200℃～250℃时可避免冷裂纹的产生。

(2)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。其次要十分注意后一层焊缝的层间温度冷却至P91马氏体转变温度(80～120℃)的时间,以及焊后热处理开始的时间间隔。

(3)对焊接输入热量的控制要求比较高,采用较小的焊条直径、比较低的层间温度(不应小于预热温度)和较小的焊接线能量,冲击韧性可以大大提高。

(4)焊接接头在焊后必须作相应的热处理。

表1 P91材质的化学成分表

表2 P91材质的力学性能表

1.3 焊接方法确定

中合金耐热钢由于淬硬和裂纹倾向较高,在选择焊接方法时,应优先采用低氢的焊接方法,因此采用钨极惰性气体保护氢弧焊打底、低氢碱性药皮焊条手工电弧焊填充及盖面相结合的焊接方法。

2 焊接工艺

2.1 管道焊接程序

如图1所示。

图1 P91管道焊接程序

2.2 焊材管理

2.2.1 焊材管理流程

如图2所示。

图2 焊材管理流程

2.2.2 焊材的质量保证

焊材应符合相应标准要求,焊材质量证明书中应包括以下内容：

(1)焊材型号、牌号、规格；

(2)批号、数量及生产日期；

(3)熔敷金属化学成分检验结果；

(4)熔敷金属对接接头各项性能检验结果；

(5)制造厂名、地址；

(6)制造厂技术检验部门与检验人员签章。

2.2.3 焊材的储存保管

项目部统一设置一级库、二级库,配置专职保管员,严禁露天存放。其中,焊材库的管理应遵循：

(1)室内应有温度计、相对湿度计,调节库内温度、湿度的去湿、换气设备；焊接材料存放货架等必要设施。

(2)焊材库室内保持：室内温度5℃以上,相对湿度不超过60%；当相对湿度较高时,应开机去湿。保管员应每天3次测量并记录焊材库的温度和相对湿度。

(3)库房内不得存放除焊材以外的物品。焊材应存放在货架上,离墙离地的距离不少于300mm,并应分类码垛,每垛的型号(牌号)、规格、炉批号应一致。库存期间不得损坏原包装。

2.2.4 焊材的烘干、发放

(1)焊材烘干室应有足够的焊条、烘干及恒温存放的烘干箱和恒温箱,箱上温度和时间计量器具应经检定合格,并在有效期内。

(2)焊条使用前,应按外包装或使用说明书的要求严格烘烤。

(3)烘烤焊条时应注意,升降温度率不得超过150℃/h,以防药皮开裂脱落。不允许烘干温度和保温时间不同的焊材同炉烘干,焊材在烘干箱或恒温箱内应有牌号、规格等标志,以免混淆。

(4)碱性低氢电焊条(P91材质用焊条型号为E9015-B9)烘焙至350℃保温1～2h,随烘随用。焊条重复烘干不超过2次。

(5)焊工领用焊条要用焊条保温筒,每次领用焊条不超过4kg,当天的焊口必须焊接完毕,严禁中途中断,由于焊接的特殊性要做到焊条随用随领,并按照焊工的工作时间段、焊接部位(预制转动口、管架固定口)的难易程度控制焊条的发放数量,以“根”进行计量,严格执行焊条领用卡制度,必须由专业技术人员和焊接责任工程师签字。

(6)领用的焊条超过4h,应退回重新烘干；用剩的焊条应退回焊材库,防止放在现场受潮和错用；现场禁止从地上捡用焊条头点焊工件；建立焊条回收制度,以回收的焊条头数量作为重新领取焊条的依据,现场应工完料净场地清。

(7)烘烤员如实做好焊接材料烘烤、发放等记录,按生产日期先进货先烤、先发。

2.3 焊接技术准备

必须严格执行正确的焊接工艺和焊接技术要求,应用科学、合理的管理方法,并做好焊接检验工作。

(1)认真做好焊接工艺评定工作。

(2)焊工培训及焊工考试：确保所有焊工持证上岗,并且确保合格证的有效性、合格证项目和施焊范围的一致性。

(3)在焊接前,制定焊接工艺规程,向施工人员下发焊接工艺卡,焊工在焊接过程中应严格按焊接工艺进行施焊。焊工在施焊前应了解所采用的焊接工艺、坡口形式、焊丝、焊条型号、焊接电流、电压、层间温度、焊接线能量、预热和热处理要求等。

(4)P91管道的焊接设置专职的焊接质量检查员,负责对焊接质量进行全面检查,包括焊前、焊接中间、焊后检查,尤其是对预热、层间温度控制、马氏体转变、后热、焊后热处理等温度的质量检查。

(5)施工中要协调好焊接、热处理、无损检测三者的关系,合理安排,紧密配合。

2.4 焊材的选择

表3 焊丝、焊条化学成分(质量%)

在保证接头具有与母材相当的高温蠕变强度和抗氧化性的前提下改善其焊接性,首先,为保持接头的高温强度,焊缝金属必须含有与母材相当的铬和钼含量,但在焊材中,铬含量不宜过高,因铬能与碳、铁等形成复杂的碳化物(Fe·Cr)3C,对钢的焊接性产生不利影响,提高钢的空淬倾向。为解决这一矛盾,可采用妮、钒和钦等元素对铬钼钢渗合金。因为这些元素能形成高度稳定的碳化物,在电弧焊短时的热周期作用下,这些碳化物来不及溶解于固溶体中,从而使奥氏体内碳含量降低。随之过冷能力减弱,促使其在较高的温度下分解成珠光体型组织,因而提高了焊缝金属的韧性和抗裂性。

焊丝选用ER90S-B9,质量标准：AWS A5.28-2005；焊条选用E9015-B9,质量标准：AWS A5.5-2006,焊丝和焊条的化学成分见表3。

2.5 管道下料、坡口加工

管道的下料和坡口加工,采用机械加工的方法。

2.5.1 管子切口质量控制

应符合下列规定：

(1)机械加工坡口时一次吃刀量不能过大,切口表面应该平整、无裂纹、重皮、毛刺、凸凹、缩口、溶渣、氧化物、铁屑物。

(2)切口端面应与管道中心线垂直,其偏斜度△不应超过2mm见图3。

图3 切口端面偏斜度示意图

2.5.2 坡口制备、坡口形式的确定

焊接坡口应机械加工,坡口面上的热切割硬化层应清除干净,必要时应作表面硬度测定加以鉴别。

接头坡口形式和尺寸的设计原则是尽量减少焊缝的横截面。在保证焊缝根部全焊透的前提下应尽量减小坡口张开角,缩小坡口宽度,这样可使焊接过程在尽可能短的时间内完成,容易实现等温焊接工艺。

对接接头采用V型坡口(带钝边),坡口形式见图4。

2.6 对口

(1)对口前应将坡口表面及附近母材(坡口每侧各10～15mm范围)的油、漆、垢、锈等清理干净,直至发出金属光泽。

图4 坡口形式

(2)对口时一般应做到内壁齐平,如有错口,其错口量不应超过壁厚的10%,且不大于1mm。

(3)点焊用的焊接材料、焊接工艺和选定的焊工技术条件应与正式焊接时相同。

(4)点焊或施焊过程中,不得在管子表面引燃电弧试验电流。

(5)大直径厚壁管道点固焊时,可采用“定位块”法点固在坡口内,见下图,点固焊不少于3点。

(6)焊接过程中,施焊至“定位块”处时,应将“定位块”除掉,并将焊点用砂轮机磨掉.不得留有焊疤等痕迹。并以肉眼或低倍放大镜检查,确认无裂纹等缺陷后,方可继续施焊。

图5 “定位块”点固焊示意图

2.7 焊接环境要求

允许进行焊接操作的最低环境温度为5℃。(最低环境温度可在施焊部位为中心的以1m为半径的空间范围内测量)

应采取防风措施,焊接环境风速应符合以下规定：

(1)氢弧焊,环境风速应不大于2m/s；

(2)手工电弧焊,环境风速应不大于8m/s。焊接现场应该具有防潮、防雨、防雪设施。

2.8 焊前预热

2.8.1 预热温度要求

(1)钨极惰性气体保护氢弧焊打底,预热温度150～200℃；

(2)低氢碱性药皮焊条手工电弧焊填充及盖面,预热温度

200～250℃；

(3)环境温度低于5℃时,应在原预热温度的基础上提高30～50℃。

2.8.2 其他注意事项

(1)当监测焊件坡口外热电偶达到预热温度时,应保持一定时间,使坡口待焊接部位的温度达到要求,用红外线测温仪进行测量达到上述预热温度的要求。

(2)当加热器在待焊接焊缝两侧分别布置时,加热宽度自待焊接焊缝边沿始计算,每侧加热宽度不少于管道壁厚的4倍。

(3)用绳形加热器对管道进行预热时,焊缝坡口两侧布置的加热器的缠绕圈数、缠绕密度应尽可能相同,缠绕方向应相反。

2.9 钨极惰性气体保护氩弧焊打底

(1)电焊机采用直流正接。

(2)当预热温度达到150～200℃并均匀后,进行焊接,第一层和第二层焊缝均采用氢弧焊。氢弧焊打底的焊丝选用Φ2.4mm,钨极为Φ2.5mm,焊层厚度控制在2.8～3.2mm范围内。

(3)为防止根层焊缝金属氧化,氢弧焊的第一层和第二层焊缝,应在管子内壁充氢气保护,且氢气纯度不低于99.99%。

2.10 低氢碱性药皮焊条手工电弧焊填充及盖面

(1)电焊机采用直流反接。

(2)氢弧焊完成后,将预热温度升至200～250℃,开始电弧焊。

(3)焊条电弧焊进行填充和盖面时,每根完整的焊条所焊接的焊道长度与该焊条的熔化长度之比应大于50%。为保证后一焊道对前一焊道起到回火作用,焊缝其单层增厚不超过焊条直径,焊道宽度不超过焊条直径的4倍。大径厚壁管应采取多层多道焊接。厚壁管焊道排列要求见图6：

图6 厚壁管焊道排列要求

(4)施工过程中,应注意层间温度的保持,层间温度不宜超过250℃,每焊完一层均用红外线测温仪对层间温度进行测量,合理控制各层焊缝焊接的间隔时间,确保层间温度不超标。

(5)焊条摆动的幅度,最宽不得超过焊条直径的4倍。

2.11 手工电弧焊填充及盖面的注意事项

(1)焊接时,管道内不应有穿堂风。

(2)每层每道焊缝焊接完毕后,应用砂轮机或钢丝刷将焊渣、飞溅等杂物清理干净(尤应注意中间接头和坡口边缘),应逐层检查,经自检合格后,方可焊接次层焊缝。

(3)施焊中,应特别注意焊接接头和收弧的质量,收弧时应将熔池填满。多层多道焊接的接头应错开50mm以上。

(4)为减少焊接应力与变形,高压蒸汽管道Φ559的焊口,宜采用两人对称焊接见图7。同时,注意不得两个同时在一处收头,以免局部温度过高影响施焊质量。

图7 焊接顺序图

(5)焊工操作技术要熟练,认真观察熔化状态,注意熔池和收尾接头质量,以避免出现弧坑裂纹。

(6)焊缝整体焊接完毕,应将焊缝表面焊渣、飞溅清理干净,自检合格后,按规定进行焊口标识(不允许打钢印),并应按工艺规定要求进行焊后热处理。

2.12 焊接工艺参数

见表4。

3 焊后热处理

3.1 马氏体转变

焊后缓慢冷却,给焊接接头一个马氏体转变机会,让它保持在80～120℃一定时间(约1h～2h),以完成低碳马氏体的转变。焊后热处理之前必须将焊接接头冷却到120℃以下,应力较大时冷却温度不要低于80℃,不可焊后直接热处理。如果在室温下冷却还应严禁潮湿,施工中避免雨淋。加热时的加热宽度应不小于预热时的加热宽度。

当焊接工作中间停止时,应保持焊接接头部位在80～120℃缓慢冷却,然后保温1h～2h。

后热应在焊接完成,焊件温度降至80～120℃、保温1h～2h后立即进行。

后热工艺为：温度300～350℃、保温2h,采用电加热器预先设定来控制后热温度。后热时的加热宽度应不小于预热时的加热宽度。

3.2 焊后热处理工艺

3.2.1 热处理工艺

热处理工艺见图8。

(1)焊后热处理恒温温度选择：750～770℃,取定为760± 10℃。

(2)焊后热处理恒温时间选择：4h～5h,取定为4h。