P91大管焊接热处理工艺及缺陷预防

摘要：本文主要对P91钢材质及焊接过程中易产生的缺陷进行了分析，介绍了P91钢的焊接热处理工艺及操作手法，并提出了焊接缺陷的预防方法，通过焊接工艺评定试验，提出了简单实用、可指导实际施工的焊接工艺。

关键词：P91大管；焊接工艺；缺陷预防

中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：

1、概述

近年来，随着工业快速发展，电力需求也随之不断扩大，原有小型火电机组逐渐退居二线，60MW、100MW超临界，超临界火电机组不断涌现，火电建设施工中焊接质量的重要性被进一步体现。由于火电机组压力、温度参数越来越高，从美国引进的P91材料大量用于现代火电机组的建设，故本文对P91大管焊接工艺及缺陷预防进行分析。

2、焊接母材性能分析

2.1P91化学成分及力学性能

P91钢具有较高的高温蠕变断裂强度，低的热膨胀性，良好的导热性，较好的加工性和抗氧化性能。但是P91钢属于空冷马氏体钢，其合金元素很高，总含量大于13%，这说明该钢材的淬硬倾向大，冷裂纹敏感性强，而且还有一定的热裂纹倾向(1)。P91的化学成分及力学性能分别见表1和表2。

表1：P91的化学成分（%）

表2：P91的常温力学性能

2.2P91冷裂纹敏感性分析

根据国际焊接学会推荐公式：

Ceq=C+Mn/6+（Ni+Cu）/15+(Cr+Mo+V)/5

≈0.10+0.38/6+(0.07+0)/15+(8.64+0.95+0.20)=2.13%

因为Ceq值（2.13%）远大于0.6%，根据经验可知，P91钢具有较大的淬硬倾向，可焊性差，焊接时需采取较高的预热温度和严格的工艺措施，才能防止裂纹的产生。

只有焊接规范适当，才能保证良好的熔合比和焊缝形状系数。这不仅对防止产生裂纹等缺陷是必要的，而且对保证接头性能也是十分重要的。除了控制热输入外，还要控制焊接电流、电弧电压及焊接速度,使之保持在一定的范围内。此外，预热温度和层间温度的控制也是焊接P91钢时的重要因素。

3、焊前准备

3.1由于现场施工环境恶劣，且焊接质量受环境的影响很大，因此在焊接施工开始前，必须做好防风防雨措施。

3.2彻底清理坡口及附近的油、锈、漆，可有效的防止焊接时气孔、裂纹等缺陷的产生。清理范围为坡口面及其周围15～20mm，直至露出金属光泽。

3.3检查气、电路是否畅通，焊机设备及附件应状态良好。

3.4为防止管子根部氧化或过烧，焊接时管子内部应充氩保护，氩气纯度不低于99.99%。根据现场实际情况采取合适的充氩方式。氩气流速为18～24L/min，太大则容易造成内凹缺陷，太小则不能将焊口区域空气排尽，达不到保护的目的，容易造成根部过烧缺陷。

3.5氩弧焊枪使用前，应提前将气阀打开，将焊枪内积气排尽。

4、焊接工艺

4.1焊接材料

为了提高P91钢焊缝的韧性，采用小电流的小线能量施焊，推荐选用ER90S-B9焊丝及E9018B9（φ2.5、φ3.2）焊条。焊接材料的化学成分见表3。为保证焊接质量，焊条应按规定进行烘干和保存，焊丝应严格除油、除锈。

表3：焊接材料化学成分

4.2预热温度和层间温度

因为焊缝的韧性对热输入和层间温度极其敏感，P91预热温度和层间温度要严格控制。氩弧焊预热温度可控制在150℃，电焊预热温度可控制在200℃，层间温度宜控制在200～250℃之间。

4.3施焊工艺

氩弧焊工艺参数见表4。

表4：氩弧焊工艺参数

电焊焊接工艺参数见表5。

表5：电弧焊工艺参数

4.4常见缺陷的产生及预防

（1）未焊透。焊接电流偏小，根部间隙小，焊接速度过快等均易产生未焊透的缺陷。根部间隙以3mm为宜，合适的焊接电流及焊接速度可避免未焊透缺陷。

（2）氧化严重。氩弧焊打底时，管内充氩装置未能起到良好的保护作用，焊缝背面将被氧化，焊接过程中对熔池及焊丝端头保护不良，或焊丝表面有杂质也会氧化严重。充氩装置尽可能与管子对称，不能留有间隙，避免焊缝被氧化。

（3）夹渣、夹钨。焊接过程中，若焊丝端头在高温过程中脱离了氩气保护区，在空气中被氧化，当再次焊接时被氧化的焊丝端头未清理，又送入熔池中，在射线检验中判为夹渣；若钨极长度伸出量过大，焊枪动作不稳定，钨极与焊丝或钨极与熔池相碰后，又未终止焊接，从而造成夹钨。所以手法一定要稳、准，就能避免夹渣、夹钨的缺陷。

（4）内凹。装配间隙大，焊接过程中焊枪摆动幅度大，致使电弧热量不能集中于根部，产生了背面焊缝低于试件表面的内凹现象。电弧热量尽量集中于根部，在后小半圈打底焊时减小背面保护氩气的流量。

（5）气孔。由于坡口边缘的污物未清除干净。在施焊前必须调整好氩气流量并做好防风、防雨措施，清除坡口及其附近的油、锈等污物。

5、热处理工艺

5.1热处理是P91钢焊接的重要环节，焊缝的韧性与焊后热处理密切相关。通过远红外温控仪对预热温度、层间温度和热处理工艺参数的严格控制，降低焊接接头的残余应力，改善焊缝金属的组织与性能，对焊缝金属的最终质量起决定性作用。

5.2为保证焊缝组织完全转变成马氏体，宜在焊后缓冷到80～100℃恒温1～2小时，然后立即进行热处理,热处理温度区间宜为750～770℃,若不能立即进行焊后热处理,应立即进行后热处理,后热工艺为:温度300～350℃,时间为2小时(2)。

5.3加热之前应确保焊缝不受外力作用，并做好防雨措施，以免热处理过程中焊接接头被雨水冷却，影响焊接接头质量。热处理时管子两头要封闭，避免穿堂风。

5.4热处理测温必须准确可靠，宜用铠装热电偶测温，并用自动温度记录仪记录温度。

5.5热电偶应对称布置在焊缝中心两侧，并尽可能靠近焊缝。水平管道应上下对称布置。

6、检验

6.1外观检验

在每道焊焊完后，都要求焊工进行100%的自检，对发现的缺陷要及时清除。

6.2射线探伤

射线探伤在热处理结束后进行，对探伤不合格的焊口，用机械方式清除缺陷，再按正规焊口的焊接工艺进行补焊,补焊完成后立即再次进行热处理。

6.3硬度检验

热处理结束后应对焊口进行硬度检验，硬度要求区间宜为180-270HB,对硬度不合格的焊口，应重新进行热处理。

6.4光谱复查

为对焊缝材质对待复查，应在焊接完成后对焊缝金属进行光谱检验，如焊材用错，割口重新焊接。

7、试验

我们对P91焊接试件进行了射线、拉伸、弯曲、金相、硬度等试验,试验结论如下。

7.1射线检验：未见缺陷。

7.2拉伸试验

符合要求。

7.3弯曲检验:共做了4组侧弯试验,未见裂纹。

7.4金相试验

回火索氏体

7.5硬度检验

我们对母材,热影响区,焊缝各做了三点硬度检验,数据见下表。

由以上数据可见,硬度符合要求(4)。

8、结论

P91的焊接工艺相对比较复杂，涉及充氩、预热、后热、热处理等几个环节。只要每个环节都严格按照工艺要求进行，焊接接头的质量一定是符合要求的。

参考文献

(1)《P91钢材焊接裂纹的探讨》，赵立,《电焊机》2007年第11期

(2)DL/T869-2012《火力发电厂焊接技术规程》

(3)DL/T819-2010《火力发电厂焊接热处理技术规程》

(4)四川电力建设二公司焊接工艺评定报告