P91超厚壁大径管道在电站锅炉中的焊接分析及运用

李琪文 解天俊

[摘要]以P91钢材焊接性能为依据,从人机料法环方面分析P91超厚壁大径管道现场焊接工艺并推广应用,对提高P91钢材及管道焊接质量提供参考。

[关键词]P91超厚壁焊接分析

中图分类号:TM8文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110017-01

P91(9Cr-1MoVNb)钢具有良好的高温持久强度、热稳定性和高温抗蠕变能力等综合性能并在高参数电站锅炉管道中广泛应用。云南滇东第二发电厂4×600MW机组锅炉二级过热器出口联箱就是典型一例。该机组锅炉由北京巴威公司生产,出口联箱直径φ787.4mm、壁厚76.5mm,现场组装焊口一道。

一、P91钢焊接性能分析

(一)P91钢对热输入参数的选择较为敏感。焊接热输入参数包括焊前预热温度、层间温度、焊接热输入量三方面的内容。首先,当预热温度在350～380℃时室温冲击值在28～50J;当预热温度在250℃左右时,室温冲击值在60～100J;当预热温度在100～150℃时,室温冲击值可以控制在标准值41J左右。其次是焊接热输入量也称焊接线能量,其输入值大于25J/cm时室温冲击值将达不到标准值。

(二)P91钢对热处理温度控制的严格性。9Cr-1MoVNb钢是多元素强化而成,合金元素含量较高,其理论AC1温度在800～830℃之间。热处理温度为760±10℃,接近AC1下限温度,若热处理过程发生温度控制偏差就可能超过AC1温度。另一方面,为了获得良好的工艺性能和塑韧性,在焊接材料中加入的镍元素(属扩大奥氏体区元素)会降低焊缝的AC1温度,使其接近热处理温度。当热处理温度超过AC1温度时室温冲击韧性急剧下降,室温冲击值甚至会降到10J以下,从而使热处理危险性加大。

(三)P91钢对焊接材料选用的差异性较大。电力行业应用P91钢已经多年,如英国曼彻特、德国蒂森、日本神钢、法国萨福、瑞士奥林康、奥地利伯乐、国家电力建设研究生产的“科建牌”等。这些材料的AC1温度差别很大,若焊接材料选用不当焊接接头很容易发生质量问题。近年来上海电力修造总厂生产该钢材的焊接材料也在广泛推广运用。

(四)P91钢材产生冷裂纹的原因。冷裂纹是焊后缓冷至380℃及以下温度过程在马氏体转变点附近产生的。主要原因:第一是在接头母材近缝区会形成脆而硬的马氏体组织,通过控制焊接热循环避免产生粗大的马氏体组织。第二是母材和焊接材料中含氢量越高越容易产生冷裂纹。可选用低氢型焊材、控制母材坡口表面质量或在焊后进行消氢处理来降低产生冷裂纹的可能性。第三是焊接接头由于强行对接产生的内应力和焊接应力释放。应力越大,接头产生裂纹的倾向和程度也越大。

结论:P91钢材焊接性能差,焊接接头、母材容易产生裂纹及脆化现象、热处理温度控制难度大等问题,若要获得P91钢材良好的焊接接头质量,可以从人、机、料、法、环等五个方面严格控制每道工序。

二、工艺评定(法、料)

工艺评定是验证焊接工艺参数的正确性和指导现场焊接技术的措施性文件,是工程监理重点监控的技术资料,直接反映焊接技术水平。通过对国外的几种焊材进行优化评定,选用英国曼彻特公司ER-90S焊丝和E9018-B9焊条,焊缝接头质量优良、性能可靠。

三、焊接人员(人)

焊工是影响焊接质量的重要因素,是焊接质量控制的关键点。焊前必须严格按照工艺评定进行培训、仿样及实际操作,试样合格方可实际施焊。

四、焊前准备(机、料、环)

1.措施制定。严格按照工艺评定要求编制焊接技术措施和作业指导书,施工前对焊工进行交底,让操作人员做到心中有数。

2.坡口制备及检验。安装前用角向磨光机对坡口内外壁30mm范围内的铁锈、油污等杂质打磨干净,检查坡口型式及角度是否符合设计要求。坡口进行PT或MT检验。

3.P91不允许在管道表面焊接任何临时构件以减少裂纹产生的可能性。

4.根据焊接作业指导书,采用材质为16Mn或20G的定位块在坡口内部预热后点焊,待根部焊接完成后用磨光机将焊点打磨干净并取出定位块,检查确认无裂纹后方可进行施焊。

5.焊接及热处理两个过程不能中断,电源必须有保障,以防止焊口产生冷裂纹。

6.焊材入库前应仔细检查外包装是否完好,用光谱分析抽样复查其材质。焊条使用前严格按说明书要求进行烘焙,使用保温筒并维持焊材温度在100～110℃之间。

7.焊机及焊接参数的选用。可以选用北京时代科技股份有限公司或成都熊谷电器工业有限公司生产的ZX7-400型逆变焊机,在电流110-130A、电压20-30V的参数情况下焊接。

8.在雨天、冬季或者风速超过2米/秒等恶劣环境条件下,需要采取防护可靠措施。

五、工艺控制重点(法)

1.焊前预热及层间温度跟踪。根据P91焊接性能的分析,必须严格控制焊前预热温度和焊缝层间温度,TIG焊的预热温度选择100～150℃,SMAW升温至250～300℃,在整个焊接过程中,采用远红外测温仪监控焊缝层间温度。

2.充氩保护。P91钢由于合金含量高,铁水流动性差,根部易烧焦。氩气能够充分保护金属熔池不被氧化、提高焊缝机械性能。焊接前根据现场实际制作一套简易充氩装置,在管道内部形成气室,可以确保焊接接头质量。

3.多层多道焊。P91钢焊接要求小线能量输入,采用多层多道焊即可以解决此问题。对前层的热处理作用可起到细化晶粒、提高焊缝的冲击韧性,且每层焊缝厚度越薄,后层对前层的热处理作用越明显,焊缝的冲击韧性越高。在施焊过程中严格控制焊道宽度不得超过焊条直径(焊条直径最大选用φ3.2)的3倍,且每层厚度不超过焊条直径。

4.焊缝层间清理。P91铁水流动性差,很容易形成夹渣。现场采用角向磨光机清理,不可使用榔头、錾子用劲敲击,以免产生裂纹。

5.中间检验。根据《焊接规程》要求:壁厚大于70mm的焊口,必须进行层间检验。当焊缝厚度达到20～25mm时停止焊接,立即进行保温等后热处理,待RT检验合格后连续施焊。

6.焊后热处理。在焊接后接头冷却到100-120℃之间,立即进行750-760℃恒温4h的焊后热处理。

六、结论

通过实际操作,工艺评定有效、工艺方法正确,人员培训得当,P91焊接接头质量无损检测、硬度检验一次合格,冷态1.25倍汽包工作压力水压强度试验无渗漏。经推广运用,现场所有T91小管道焊接质量均为优良,焊接工艺质量赢得了业主和工程监理单位的一致好评,对同类型材质焊接工艺有一定参考和指导意义。

参考文献:

[1]国家电力公司电源建设部,《T91/P91钢焊接工艺导则》.