SA—335M P11钢焊接工艺及分析

郑州锅炉股份有限公司（河南 450001）段江丽 连艳敏 李 栋 孙臣君

1.概述

我公司生产的某火力发电用循环流化床锅炉，其过热器合金钢集箱采用ASME材质SA—335M P11钢，且壁厚较大，集箱筒体最厚为35mm。本文对φ377mm×30mm集箱的焊接工艺评定试验进行了简单的阐述与分析，按本试验方案中的焊接工艺进行实际生产的产品，经检验符合相关要求，这为以后进行相关材料、相关结构的焊接工作积累了宝贵的经验。

2.SA—335M P11钢材的焊接性分析

ASME标准中，SA—335M P11钢的分类为高温用铁素体合金钢公称管，国标中低合金耐热钢15CrMoG钢的化学成分和力学性能与SA—335M P11钢最为接近，如表1、表2所示。

表1 两种钢的化学成分（质量分数）（%)

表2 两种钢的力学性能

由此可知，首先SA—335M P11钢属于1Cr-0.5Mo钢，其合金成分总质量分数＜5%，为低合金耐热钢，其焊接性一般，有淬硬倾向，焊缝和热影响区内较可能形成对冷裂纹敏感的组织。其次，由于Cr、Mo为强碳化物形成元素，从而使焊接接头的过热区具有一定程度的再热裂纹敏感性。再次，Cr-Mo钢及其焊接接头在370～565℃温度区间长期运行过程中会发生渐进的脆变现象，即回火脆性。另外，还要考虑壁厚及直径的影响，壁厚的材料在受载或受压时，不容易产生塑性变形，在焊接接头中存在焊接残余应力的情况下，很容易发生脆性断裂。

为了改善其焊接性，保证焊接质量，焊接时应采取合适的工艺措施，包括焊前准备、焊接方法的选择、焊接材料的选配和管理、焊前预热、焊接参数的选择和焊后热处理。

3.焊接方法

采用手工钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊填充、盖面。

钨极氩弧焊具有低氢、工艺适应性强、易于实现单面焊双面成形的优点。考虑到我单位实际生产情况，焊接接头的填充层及盖面层采用焊条电弧焊，为确保焊缝金属的韧性，降低裂纹倾向，采用低氢型碱性焊条。

4.焊前预热

预热是防止焊接接头冷裂纹和再热裂纹的有效措施之一。预热温度可依据碳当量法和强度等级来估算，还要考虑到接头拘束度和焊缝金属的氢含量。不同碳当量所需最低预热温度如表3所示，各国压力容器法规规定的1Cr-0.5Mo钢最低预热温度如表4所示。

表3 焊接材料与碳当量与预热温度的关系

表4 1Cr-0.5Mo钢预热温度推荐值

根据国际焊接学会（IIW）计算碳当量的公式：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，可估算出SA—335M P11钢的标准碳当量：0.388%≤CE≤0.68%。

参考表3和表4，估算出SA—335M P11钢最低预热温度约120℃。预热温度并非越高越好，为防止氢致裂纹的产生，规定较高的预热温度是必要的，但过高时，则可能产生马氏体组织，从而降低韧性。另外，还要考虑到焊接操作时的情况，则最终决定预热温度为120～170℃，层间温度≤250℃。

5.焊前准备

焊件采用热切割法下料，机械加工坡口。用风砂轮将焊缝两侧20mm范围内打磨至金属光泽，清除焊缝及两侧100～200mm内的油污等杂质。采用火焰加热，将待焊部位及其周围150～200mm预热。

6.焊接材料

低合金耐热钢焊接材料的选择应根据钢材的化学成分、接头的力学性能要求、结构的拘束程度、焊接结构的服役工况，以及焊后是否要热处理、焊接位置和施焊要求等方面综合考虑。

本文所述集箱设计压力7.74MPa，水压试验压力11.61MPa，运行时工质口温度为395℃，出口温度为485℃，因此对焊缝的要求是要有较好的力学性能与热强性能。

由于低合金耐热钢在焊接时的主要问题是裂纹和脆化，所以在选择焊接材料时必须注意以下几个方面的问题：选择与母材化学成分相近的焊接材料，为保证焊接接头的强度、抗裂性和韧性，应选用低氢的焊接材料；考虑熔合比和冷却速度的影响；考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响。

H13CrMoA、E5515—B2是1Cr-0.5Mo钢采用氩弧焊、焊条电弧焊时常用的焊丝、焊条，具有良好焊接性和综合性能，其合金成分与SA—335M P11钢基本相当，且E5515—B2为低氢碱性，综合考虑熔合比、冷却速度、焊后热处理的影响，决定选用这两种焊接材料。焊接材料的化学成分和力学性能如表5、表6、表7所示。

表5 H13CrMoA焊丝的化学成分（GB/T14957—1994）（质量分数） （%）

表6 E5515—B2焊条的化学成分（GB/T5118—1995）（质量分数） （%）

表7 E5515—B2焊条熔敷金属的力学性能（GB/T5118—1995）

7.焊后热处理

根据ASME 规范，进行消除应力退火热处理。退火温度（680±15）℃。焊后热处理可有效地消除焊接接头中的残余应力，降低硬度，改善组织。

8.焊接工艺评定（PQR）

焊接工艺评定所用SA—335M P11钢的规格为φ377mm×30mm，按ASME规范进行，其焊接工艺如下：预热温度：122℃；层间温度：118～168℃；组装间隙：0～2mm；坡口形式：U形带钝边和V形带钝边，如图1、图2所示；焊接材料：H13CrMoA，φ2.5mm；E5515—B2，φ3.2mm，φ4mm，φ5mm；焊接参数：如表8所示；焊后热处理：（680±15）℃，180min。

图2

表8 PQR焊接参数

根据ASME 规范将试件进行焊接接头力学性能试验，所得拉伸试验结果如表9所示，弯曲试验合格。

表9 PQR拉伸试验

9.产品集箱焊接工艺

产品中，筒体材质为SA—335M P11钢的集箱共5根，筒体规格有φ377mm×30mm、φ325mm×35mm、φ219mm×20mm三种，坡口形式有U形带钝边和V形带钝边两种。除此之外，产品集箱焊接工艺与评定时完全相同。

采用评定所示焊接工艺，产品上5根SA—335M P11钢的集箱上共10条环缝，经100%射线探伤，均合格，无缺陷产生。产品试件的力学性能试验结果也符合相关要求。

10.结语

通过以上焊接工艺评定（PQR）、实际焊接操作情况以及探伤结果表明：在现有的焊接条件下，通过此焊接工艺评定试验，证明所选焊接规范及工艺正确，能够满足产品技术要求。集箱筒体主焊缝的焊接质量良好，达到了要求的探伤合格标准。为以后进行ASME产品的生产、相关材料、相关结构的焊接提供了宝贵的经验。