SA-335P91管道焊接工艺研究

摘要在这快速发展的21世纪，各行各业都在快速的发展，因而对能源的需求在不断呈增长的趋势，特别是电力行业和石油化工行业增加极为明显。则需要更好的设施支持这些行业的发展。因而具有热强性、耐腐蚀的SA-335P91马氏体钢被大量的应用在这些行业。SA-335P91钢具有承受高温、高压力等优点，但也有许多不足的地方。都说成分决定组织，组织决定性能，其SA-335P91钢的组织为马氏体，其马氏体组织就决定P91钢硬而脆的特点，这种硬而脆的特点就导致了P91钢焊接性不好。因而人们就会不断的研究P91钢的焊接工艺，希望优化其焊接工艺，为以后的实际生产带来帮助。本文也对P1钢进行了焊接工艺的研究，通过拟定焊接工艺，然后对P91钢进行焊接性实验和焊接环缝接头实验，最终基本掌握了P91管道焊接工艺。关键字：焊接性焊接工艺焊接工艺评定AbstractRapiddevelopmentinthe21stcentury,therapiddevelopmentinallwalksoflife,andthusthedemandforenergycontinuesanupwardtrend,especiallyinthepowerindustryandpetrochemicalindustryincreasedverysignificantly.Youneedbetterfacilitiestosupporttheseindustries.Whichhasaheatresistance,corrosion-resistantSA-335P91martensiticsteelisusedinalotoftheseindustries.SA-335P91steeltowithstandhightemperature,highpressure,etc.,buttherearemanyshortcomings.Saidcompositiondeterminetheorganization,determinesperformance,theSA-335P91martensitesteel,theP91steelmartensitedecisioncharacteristicsofhardandbrittle,hardandbrittlecharacteristicsofthishasledtotheP91steelweldingnotgood.SopeoplewillcontinuetostudyP91steelweldingprocess,wanttooptimizetheweldingprocess,theactualproductionforthefuturetobringhelp.ThisarticlealsoP1steelweldingtechnologyresearch,throughthedevelopmentofweldingtechnology,thenP91steelweldingexperimentsandgirthweldjointexperiments,thefinalbasicgraspofP91pipeweldingprocess.Keywords:Weldabilityweldingprocessweldingprocedurequalification1前言SA-335P91钢是由美国燃烧工程公司与美国橡树岭国家实验室在9CrlMo钢的基础上，加入少量的v、Nb等元素的基础上研研究开发的，由于其出色的常温性能和650℃以下的优良的持久和蠕变性能、低的线膨胀系数、良好的工艺性、成本低（合金量9.5-11.5％）以及长期高温运行下优异的组织稳定性，使它得以一枝独秀地得到迅速推广与发展[1]。近几十年来,SA-335P91钢在欧美和日本等国被广泛地应用于电站及石油化工行业，。我国于1987年开始引进使用这种钢，并已在十几个电厂中得到应用[2]。SA-335P91钢是一种改进型的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[3]。SA-335P91钢不仅可以提高设备使用的安全性,而且还能有效降低设备的重量,减少材料的用量,并为设备的安装、焊接、检验和检修带来极大的便利。SA-335P91马氏体钢有着良好的抗氧化性和耐热性，广泛被应用到大型火力发电站机组建设中[3]。但SA-335P91属于马氏体耐热钢，而马氏体耐热钢在焊接过程中会出现接头脆化、软化和冷裂纹等各种问题。由于SA-335P91钢在我国电站锅炉中应用时间短，锅炉制造和现场安装单位对的SA-335P91焊接工艺特点掌握不够、研究得也比其它成熟钢种少，因此对SA-335P91焊接、热处理的特点都需要在施工过程中摸索和完善。为保证P91钢管道的焊接接头质量和性能满足要求，必须根据P91钢的焊接特性进行焊接工艺研究，并进行相应的焊接工艺评定试验验证工艺的正确性，以此作为工厂制造、现场安装中焊接施工的依据。或者对SA-335P91马氏体钢管道现行焊接工艺不足的地方进行改进和优化，以提高焊接接头质量和性能，减少缺陷的发生。因此，研究SA-335P91马氏体钢管道焊接工艺有着极其重要的意义。2SA-335P91钢的成分及性能2.1SA-335P91钢材的化学成分(表2-1)SA335-P91钢是一种改良型的9Cr-1Mo马氏体钢种加入V、Nb等合金元素，具有良好的抗高温氧化和抗蠕变性能[3]。P91钢金棚组织和亚结构的不同导致其力学性能的差异。淬态马氏体回复为破碎的、晶粒细小的回火马氏体组织。优于同复为位向明显、板条粗大的回火马氏体组织。亚结构上表现为淬态马氏体适当回复、多边形化。并析出细小弥散分布的碳化物和高密度分布的位错网，可保证P91钢具有良好的热强性。由下面表2-1的SA335-P91钢的化学成分可知，C、S、P含量低，纯净度很高，但也可以看出，除了C、S、P含量很低外，其他的Mn、Cr、Mo的含量很高，其合金含量高达10%以上，属于高合金钢，因而SA335-P91钢的强度很高，但韧性很差。表2-1SA335-P91钢的化学成分[4]CMnPSSiCrMoVNNiAlNb0.08～0.120.30～0.60≤0.020≤0.0100.20～0.508.0～9.500.85～1.050.18～0.250.03～0.07≤0.40≤0.040.06～0.102.2SA-335P91钢的常温力学性能（表2-2）表2-2SA335-P91钢的常温力学性能[5]σb(Mpa)σ0.2(Mpa)δ(%)AKV(J)硬度HB≥585≥415≥20≥41≤250SA-335P91钢属于马氏体耐热钢，有着较好高温持久性能，同时由于P91钢有着很强的强度，因而可在高压高温下运行使用，在现在的火力发电厂以及管道得到很好地应用。由表2-1可以看出，P91钢中合金元素含量很高，因而从高温慢慢冷却过程中，合金元素就会固溶于铁素体基体中，导致形成过饱和，从而晶格发生一定的畸变。P91铬含量为8.0%—9.50%，鉬的含量为0.85%—1.05%，与一般的Cr-Mo耐热钢相比，SA-335P91钢耐氧化性和高温腐蚀性能与9%Cr钢比较相似，但比一般的耐热钢有着更好的高温强度，也可以说是热强钢，及在高温下又既有一定抗氧化性，又有一定的高温强度。由表2-2可以看出，SA-335P91马氏体钢的抗拉强度大于等于580Mpa，屈服强度大于等于450Mpa，这说明了在拉伸试验过程首先发生屈服然后断裂，也可以看出SA-335P91钢在常温下强度较高、屈强比较大。SA-335P91马氏体钢的伸长率为20%，在材料力学中一般伸长率δ＞5%的材料称为塑性材料，因而SA-335P91钢有一定的塑韧性，可以归结为为塑性材料；冲击吸收功AKV为41J，材料韧性也较好；SA-335P91钢的硬度小于等于250HB，硬度不高。由表2-1化学成分和表2-2室温力学性能可以看出SA-335P91的综合力学性能较好，但由于元素较多、总含量较高，材料淬硬性和淬透性也高，因而在焊接过程中要注意由于合金元素含量过高对焊接接头力学性能的不利影响。2.3SA-335P91马氏体钢高温力学性能SA-335P91马氏体钢的力学性能不能只简单地用常温下短时的拉伸应力-应变曲线来评定，要充分考虑SA-335P91马氏体钢在实际应用的环境[6]。由于SA-335P91马氏体钢是长时间工作在高温，因而还得考虑在高温下的力学性能，不管是常温力学性能还是高温力学性能，其归根结底取决于材料的成分和组织。SA-335P91马氏体钢合金含量高达10%以上，因此在焊接后冷却过程中很容易出现马氏体等淬硬组织。SA-335P91钢在高温中表现出高的强度的原因主要有一下因素：（1）Cr的含量比较高Cr会在晶界形成致密的钝化膜，同时钢中还含有Al等元素，也可形成致密完整的氧化膜来防止SA-335P91马氏体钢发生氧化。因而SA-335P91钢在高温下表现较好的抗氧化性。（2）含Ni、W、Mo等元素Ni的存在稳定马氏体的基体相，W、Mo起到固溶强化作用，提高了原子间的结合力。（3）含有V、Ti、NbV、Ti、Nb是强碳化物形成元素，它们与碳形成（MC、M6C、或M23C6[7]）等碳化物，成为的第二相，从而增强SA-335P91钢的强度。（4）含有微量的B微量B的存在可以减少晶界和强化晶界，提高了晶界强度和高温组织稳定性。SA-335P91的在高温条件下会发生蠕变现象，也就是在高温长时间载荷作用下会发生缓慢而连续的塑性变形，使管径逐渐增大，但塑性显著下降，缺口敏感性增加，往往出现脆性断裂现象[6]。SA-335P91马氏体钢的高温性能也会受到合金的化学成分、冶炼工艺、热处理工艺、晶粒度等因素影响[6]。P91钢的合金成分基本固定，所以合金成分因素影响很小；冶金工艺对其影响因为至关重要，SA-335P91马氏体钢中含有微量的S、P元素，如果冶金工艺不行，就会使S、P有害元素增多，在焊接冷却过程中就会形成液态薄膜，减弱晶界之间的结合能力，从而导致P91高温性能下降；最后就是晶粒度的影响，焊后如果在高温停留的时间过长，就会使晶粒增大，就会导致SA-335P91马氏体钢韧性和塑性下降。这每一个方面都会导致P91钢的高温力学性能受到影响。2.4物理性能SA-335P91为马氏体钢，材料硬度较高；其热导率、线膨胀系数均比奥氏体钢小。这些物理特点使这种材料高温工作时管壁内外温差小、热应力低，不仅提高了热交换系数、且使材料在同样工况下比不锈钢的热疲劳更好。SA-335P91物理性能见表2-3。表2-3SA-335P91钢的主要物理性能[8]温度℃℉206850122100212150302200392250480300572350662400752450842弹性模量GPa103ksi21831.621631.321330.921030.520730.020329.519928.919528.319027.018627.0平均线膨胀系数10-6/℃10-6/℉0.00.010.65.910.96.111.16.211.36.311.56.411.76.511.86.612.16.712.16.7比热容量J/kgK440460480490510530550570630650比重X103kg/m7.77热传导性W/mK262627272828282929293SA-335P91钢焊接性分析钢的焊接与其所含的化学成分有着很大的关系，成分决定了性能，钢的化学成分不同，其焊接性也有一定的不同，从而可以根据SA-335P91钢的化学成分来分析其焊接性。但焊接性也分为工艺焊接性和使用焊接性有所不同，两者有所不同，具体的分析下文会进行详细的分析。3.1工艺焊接性分析3.1.1焊接热裂纹及其影响因素焊接热裂纹主要有结晶裂纹和液化裂纹两种形式。结晶裂纹是在结晶后期，由于低熔点共晶形成的液态薄膜削弱了晶粒间的联系，在拉应力作用下发生开裂的裂纹[9]；液