A335-P91材料管道焊接

华夏监理专用课件禁止外传前言：9Cr—1Mo（SA335—P91SA213—T91）钢是美国于七十年代末八十年代初开发的新型马氏体耐热钢，以其热膨胀系数，弹性模量、蠕变性能以及抗氧化性等多方面的优胜在许多国家的电站的主蒸汽管道中得以广泛的应用。由于其材料特殊性，焊接工艺、热处理的特点需要在施工过程中摸索，而且管道对口、安装顺序对焊接质量也起着关键作用。为保证P91钢管道的焊接工艺和焊接质量达到要求，首先必须制订出P91钢焊接工艺、安装要求，做为指导焊接工艺评定及现场焊接施工的依据，在现场施工过程中严格执行工艺要求。一．管道材料特性分析P91合金管钢相当于国标10Cr9Mo1VNb。该钢是在9Cr-1Mo的基础上，适当地降低了C、S、P含量，添加微量的V、Nb、N元素，其化学成分和常温力学性能见表1，表2.与P91钢对应的德国钢号为X10CrMoVNNb91，日本钢号为HCM95，法国则为TUZ10CDVNb0901表1P91钢的化学成分（%）材质化学成分A335-P91CMnPSSiCrMo其他0.18-0.120.30-0.600.020.010.02-0.508.00-9.500.85-1.05V0.18-0.25；N0.03—0.07；Ni≤0.40；Al≤0.02；Ti≤0.01；Zr≤0.01；Nb0.06-0.10表2P91钢的常温力学性能标准屈服极限σ0.2(MPa)抗拉强度σb(MPa)延伸率δ5(%)硬度（HB）SA-335P91≥415≥585≥20≤250P91合金钢管特点：不仅具有高的抗氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀性能，而且还具有良好的冲击韧性和高而稳定的持久塑性及热强性能。在使用温度低于620℃时，其许用应力高于奥氏体不锈钢。在550℃以上，推荐的设计许用应力约为P9和2.25Cr-1Mo钢的两倍。P91合金管在不预热条件下进行焊接时，产生裂纹的机率是100%。可以说P91合金钢管具有较大的冷裂纹倾向,一般认为当预热温度提高到200—250℃时，就可有效避免冷裂纹的产生。由于P91材料焊接工艺特性的要求，往往业主、监理对其焊接的整个过程严格控制，在对口、预热、点固焊、GTAW封底焊接、SMAW焊接、层间温度、层间厚度、根层探伤、外观检查、最终热处理、无损检验等多道工序进行监控。•P91材料焊接时存在的问题••1、热影响区淬硬组织的产生••P91材料，高温下奥氏体十分稳定，要冷却到较低温度(约400℃)才能变为马氏体。粗大的马氏体组织脆而硬，接头又处在复杂应力状态下。同时，焊缝冷却过程中氢由焊缝向近缝区扩散，氢的存在促使了马氏体脆化，其综合作用的结果，很容易在淬硬区产生冷裂纹。••由于热影响区的各种组织具有不同的密度、膨胀系数和不同的晶格形式，在加热和冷却过程中必然会伴有不同的体积膨胀和收缩；另一方面，由于焊接加热具有不均匀和温度高的特点，故而P91焊接接头内部应力很大。••2、热影响区晶粒长大焊接热循环对焊接头热影响区的晶粒长大有重大的影响，特别是紧邻加热温度达到最高的熔合区。当冷却速度较小时，在焊接热影响区会出现粗大的块状铁素体和碳化物组织，使钢材的塑性明显下降；冷却速度大时，由于产生了粗大的马氏体组织，也会使焊接接头塑性下降。•总的来说，P91钢的焊接，主要需注意两方面的问题，一是防止焊缝和热影响区脆化及裂纹，在热影响区或焊缝金属中尽量减小粗晶区；二是减少拘束度，从而降低焊接接头残余应力，防止产生裂纹。合金元素在P91钢中的作用：1.碳是钢中固溶强化作用最明显的元素，随含碳量的增加，钢的短时强度上升，塑性、韧性下降，对P91这类马氏体钢而言，含碳量的上升会加快碳化物球化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低钢的焊接性、耐蚀性和抗氧化性，故耐热钢一般都希望降低含碳量，但含碳太低，钢的强度将降低。P91钢与12Cr1MoV钢相比，含碳量降低20%，这是综合考虑上述因素的影响而决定的。2.P91钢中含微量氮，氮的作用体现在两个方面。一方面起固溶强化作用，常温下氮在钢中的溶解度很小，P91钢焊后热影响区在焊接加热和焊后热处理过程中，将先后出现VN的固溶和析出过程：焊接加热时热影响区内已形成的奥氏体组织由于VN的溶入，氮含量增加，此后常温组织中的过饱和程度提高，在随后的焊后热处理中有细小的VN析出，这增加了组织稳定性，提高了热影响区的持久强度值。另一方面，P91钢中还含有少量A1，氮能与其形成A1N，A1N在1100℃以上才大量溶入基体，在较低温度下又重新析出，能起到较好的弥散强化效果。。3.加入铬主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力，含铬量小于5%时，600℃开始剧烈氧化，而含铬量达5%时就具有良好的抗氧化性。12Cr1MoV钢在580℃以下具有良好的抗氧化性，腐蚀深度为0.05mm/a，600℃时性能开始变差，腐蚀深度为0.13mm/a。P91含铬量提高到9%左右，使用温度能达到650℃，主要措施就是使基体中溶有更多的铬。4.钒与铌都是强碳化物形成元素，加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物，有很强的弥散强化效果。5.加入钼是为了提高钢的热强性，起到固溶强化的作用。6.P91钢靠合金化原理，尤其是添加了少量铌、钒等微量元素，高温强度、抗氧化性较12Cr1MoV钢有较大的提高，但其焊接性能较差。P91焊后热处理前，必须冷却至100～150℃，保温1h；回火温度730～780℃，保温时间不少于1h。二、现场施工要求1、对P91钢的管道系统施工采用单方向施工，即至少总保持一端为自由伸缩端，以便于减小管道系统的应力，防止焊接是产生裂纹。2、对口装配要求采用机械对口卡具，不建议采用门型块电焊固方法进行焊口点固。3、严禁在坡口及管道上任意引弧和电弧擦伤，严禁损伤母材。4、、P91钢焊接时最低环境温度应在5℃以上为宜，环境温度低于此温度时，严禁焊接，必要时一定要采取特殊措施。采取有效的防风、防雨措施，严禁在雨、雾等不良天气条件下进行焊接及热处理工作，以防止冷裂纹产生，提高焊接质量。5、必须保证焊接、热处理的连续性，避免由于以外断电导致焊接及热处理非正常中断。现场配备两路专用电源，其中一路为备用。6、充氩装置需要耐高温，要有较好的密封性，并且易于取出和安装。在整个预热、焊接、热处理过程中，保留充氩装置，即可防止管道内穿堂风，又可在焊接区域形成封闭气室，起到保温和减小内外壁温差的作用。若出现不合格焊口，而且缺陷出现在根部或近根部，则焊缝进行返修时，仍需充氩保护。2.1焊接方法选择目前，P91钢管道的焊接一般采用GTAW+SMAW和GTAW+GMAW的焊接方法；要求焊前预热及焊后热处理，均采用远红外电加热；为防止根部氧化，要求背部充氩保护；焊接完成后焊缝要求进行100%无损探伤（通常RT），另做100%表面探伤（PT）检验。2.2坡口形式选择及加工坡口一般采用V型或VU坡口，其间隙、钝边、坡口角度如图：坡口的制备应以机械加工的方法进行。严禁使用热加工方法（火焰、等离子切割）下料。2.3焊口组对及点固管件对口时一般应做到内壁齐平，如有错口，其错口量应符合下列要求：对接单面焊的局部错口值不应超过壁厚的10%，且不大于1mm。焊口禁止强力对口（冷拉口除外），更不允许热膨胀法对口，以防引起附加应力。点固对接焊缝时必须预热，点固焊时采用坡口内侧搭桥点固或加紧固板的方式，选用焊材与母材相同，且采用氩弧焊点固。2.4焊缝背面焊接保护焊口组对后，必须经过焊接质检员（或焊接技术人员）检查认可，并在工序交接单签字确认后，才能进行氩弧焊打底焊接。氩弧打底背部充氩：由于SA335-P91为高铬合金钢，焊接时根部焊缝易氧化，因此在对口前必须做好根部充氩保护的措施。在坡口两侧约300-500mm的位置封堵，形成气室，封堵物用一铁丝系牢，焊接结束后，从管道开口端取出；可采用如下图方法加工堵板；焊缝坡口内用岩棉撕成条状封堵，以减少氩气的溢出。焊接前预先通入氩气5~15分钟，以排尽管道内空气。开始流量可为20-30L/min以排尽气室内空气，施焊过程中流量应保持8-10L/mi。a背面充气装置简图b现场应用效果图焊缝充氩保护焊接装置示意图管内保护氩气的检验：焊接前首先要对管内氩气纯度进行检验。检验方法：焊丝放在坡口内处在氩气保护下，用电弧将焊丝端部加热至变红后迅速将焊丝伸到管内并将电弧熄灭，待焊丝端部温度降到室温后抽出观察焊丝端部的颜色来判断管内氩气的纯度。焊丝端部为银白色，说明管内气体为纯氩；金黄色说明管内氩气不太纯净，但也可以满足焊接需要。焊丝端部为蓝、灰、白等颜色说明管内氩气纯度不够，需要继续置换。钨极端部磨制焊丝端部合格焊丝端部不合格a打底过程中温度测量b填充过程中温度测量图3焊前预热三.焊接过程3.焊接预热及热处理采用微电脑程序控温柜，预热前检查设备是否完好，仪表件是否能正常使用，加热片、热电偶、线路、打印纸、墨水是否完好齐全。焊接过程中，氩弧焊预热温度200℃，焊接两遍。气保焊预热温度200-250℃，达到预热温度后用测温枪检测预热温度。预热时应在坡口两侧均匀进行加热，预热范围应为坡口中心两侧各不小于壁厚的5倍，要防止局部过热，加热区以外100mm范围予以保温。3.2氩弧焊焊接（GTAW）打底须进行2层，施焊中，应特别注意接头和收弧的质量，收弧时应将熔池填满，多层多道焊的接头应错开，如下图；焊口打底效果如图5.焊接层道示意图封底焊接效果图3.3焊工打底完毕后，经检查无裂纹或其他缺陷方可使用焊条电弧焊焊接，采取对称焊法，如下图。焊工对称焊接3.4手工电弧焊时采用分道分层焊接，焊肉厚度不得超过3mm，宽度不得超过所使用焊条直径的3倍，焊条直径3.2mm,且采用回火焊道，焊件达到预热温度后及时进行焊接。3.5每道焊缝尽可能一次焊完。当中断焊接时对焊接接头采取300～350℃、2h后热处理措施。恢复焊接时，检查接头无裂纹后再按焊接工艺要求重新预热、焊接。a水平口外观成型（中间道为回火焊道）b横口外观成型焊缝外观成形3.6焊接时应严格遵守焊接工艺卡规定的工艺参数，焊缝外形尺寸、焊缝表露缺陷和焊接角变形应符合DL/T869-2004规程要求：3.7对接接头：焊缝余高≯3mm（平焊位置不大于2mm），余高差≤2mm，焊缝表面不允许有深度大于1mm的尖锐凹槽，且不允许低于母材表面；焊缝每侧增宽＜2mm；角接接头：坡口角焊焊脚为δ±2mm，焊脚尺寸差＜3mm3.8焊缝边缘应圆滑过渡到母材，表面不允许有未熔合、气孔、夹渣等缺陷；焊缝根部不允许有未焊透情况，内凹≤1.5mm。咬边深度≯0.5mm；焊缝两侧总长度≯焊缝全长的10%，且≯40mm。焊接角变形≯3/200。3.9由于P91钢焊接时，熔池铁水粘度大，流动性差，要求焊接规范较小，因而容易出现夹渣、层间未熔合等焊接缺陷。为避免焊接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、小规范进行焊接，每层厚度尽量减薄，焊肉的厚度不宜超过所用焊条直径，焊条摆幅不超过焊条直径的3倍，每层焊道必须清理干净，尤其注意清理接头及焊道两侧，焊缝外表焊接完毕，要求焊工立即进行清理自检，发现外表成形不良马上修补，严禁在焊缝冷却后再直接补焊。3.10层间温度、焊接热输入量的控制要求比较高：为了获得满意的韧性，层间温度应小于300℃，由于SA335-P91钢的导热系数比较小，焊接热量比较集中，如层间温度达到300~350℃，冲击韧性会大大降低，必须采用低的焊接输入热量的焊接工艺施焊，才能控制层间温度小于300℃，对于厚壁大管径的管道尽能可选用小的焊条直径，分道、分层进行焊接。3.11加强对P91钢管焊接过程控制，从措施、人员、材料、设备、对口、焊接、热处理参数、焊接接头表面质量、无损探伤、缺陷焊缝的返修等全方面加强监控。四、焊缝返修1焊接接头外观检查不符合标准时。轻者打磨焊补，严重者应割掉重新焊接。2经无损检验不合格的焊接接头，其缺陷可进行焊补，但必须在确认缺陷已经彻底消除的基础上，按正常焊接工艺或焊补工艺