P91 耐热钢厚壁管埋弧焊工艺

0 前 言

某GCGV 烯烃裂解厂项目包括裂解炉模块工作包、 烯烃分离和处理模块工作包、 乙二醇模块工作包和聚乙烯模块工作包， 设计烯烃年产量为180 万t。 项目建设涉及大量耐热钢材料的焊接， 其中P91 耐热钢材料的工作量较大且焊接性比较复杂。 通过对裂解炉高温蒸汽管道P91 耐热钢的化学成分、 力学性能及焊接性分析， 完成了P91 厚壁管埋弧焊焊接工艺评定试验， 实现了P91 埋弧焊焊接工艺在该项目的应用。

1 试验材料

焊接工艺试验采用美标ASTM A335 P91 管，规格为Φ457.2 mm×23.88 mm。 P91 钢是通过微合金化制造的细晶强韧型马氏体耐热钢， 具有耐高温性能（≥600 ℃） 和耐高温蒸汽压力（≥25 MPa），具有较低的碳含量、 较低的杂质含量 （S、 P 等元素）， 同时， 具有较高的屈服强度及良好的冲击韧性和高温蠕变断裂强度。 项目规格书要求P91 材料要有EN 10204 3.1 认证且符合标准要求， 按照标准ASTM A335 要求其产品化学成分见表1。

在世界范围内，较早涉及到销售管理系统的理论和实践可以追溯到上个世纪。当时，在1960年前后，作为先进科技代表的美国在传统的计划经济管理的基础上，提出了物质需求管理计划(Material Requirement Planning，简称“MRP”)。在当时背景下，打破了传统的固有管理模式，大大提升了商业贸易效率。在随后的时间里，计算机理论和技术的出现和发展，使得传统的人为干预的记录、计算逐步被计算机所代替。此时，以美国为代表的计算机领域太阳、甲骨文和微软等知名公司，都相继推出了功能较为完善的销售管理软件软硬件产品。[1]

P91 钢化学成分比较复杂， 碳当量较大（本研究采用的P91 管碳当量为2.14%）， 焊接性差， 焊接时需防止冷裂纹和再热裂纹的产生。 焊接过程对工艺参数极为敏感， 存在热影响区粗晶区韧性恶化、 细晶区软化、 焊缝金属产生裂纹及韧度远低于母材的问题， 因此必须进行较高温度预热及焊后热处理 （PWHT）， 以确保焊缝金属和焊缝热影响区得到较好的韧性， 避免出现焊接裂纹。 P91 钢焊接一般采用小的焊接热输入， 并严格控制冷却时间， 以防止焊缝区组织粗大， 较常用的焊接工艺方法为GTAW 和SMAW。 对于SAW 工艺， 由于其焊接电流、 电压等参数较大， 需要更加严格地控制焊接过程。

由于生产力的发展和井田制进一步破坏，使一家一户为生产单位的小农经济迅速发展起来。这样，生产关系发生了变化，导致在社会政治制度方面也有所变化。新兴地主阶级和工商业者，要求打破过去是世卿世禄的权政治格局。新兴的广大拥有私田的平民也要求脱被奴役的地位；广大的奴隶，更是极力要求解放，不断进行斗争。新兴地主阶级和工商业者，在奴隶反抗和平民沉重打击奴隶主反动统治的基础上，向奴隶主贵族开了革命夺权斗争。军功爵制就是在这种历史背景下产生、发展起来的。

2 焊接工艺试验

2.1 焊接材料的选择

点焊前必须进行高温预热， 可采用烤把加热， 保证坡口及周边75 mm 范围内温度达到200～250 ℃。 点焊位置如图2 所示， 至少4 个定位焊点， 点焊采用的桥接块如图3 所示， 点焊应焊在坡口表面， 不允许在母材表面， 且不应在打底焊位置。

2.2 焊接工艺

2.2.1 坡口准备和组对

（1） 需要仔细清除坡口及内外表面的各种污染物质， 去除坡口内外表面25 mm 范围内的杂质并打磨干净直至露出金属表面。

3.增强沟通机制，搭建互动平台。多年的实践证明，油田与地方政府及农户的关系具有接触时间长、工作头绪多的特点。因此，油田应与地方政府建立多层次的沟通机制，坚持高层会晤、油地部门联席会议以及基层工作座谈会等制度。油地双方建立健全联防联治机制，对重点油气井、油气联合站、油气罐区、油库等重要基础设施，实行承包责任制；大力开展工农共建、文明油区创建活动，密切油地关系，创建模范油区；在重要设施建设、整体规划部署上公开公平地进行协商，本着互惠互利的原则，制定相应的发展策略，从而达到增进相互了解和信任，实现企地关系的良性互动。

2.2.3 背部充气

（3） 背部供气需保持直到焊接完成6.5 mm厚填充金属。

混凝土浇筑主要质量控制点之三“浇筑后”。对拆模后的混凝土及时覆盖毛毡，并采取浇水养护，养护时间不少于28 d，养护期间保持混凝土表面湿润。

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（3） 禁止火焰切割坡口， 坡口只能采取加工或打磨方式。 等离子切割的坡口需要打磨3 mm至光亮金属并禁止通过焊接来修复不规则边缘。焊接坡口形状及尺寸如图1 所示。

（2） 焊接工艺参数。 焊接时应严格控制工艺参数， 采用小的焊接热输入并防止晶粒长大。 此外要重点关注起弧和收弧点位置， 保证起弧和收弧弧坑填满， 焊道间的起弧点错开； 打底GTAW 焊需要使用高频引弧电源。 焊道如图5 所示， 具体的焊接工艺参数见表2。

本研究P91 钢焊接采用GTAW+SMAW+SAW方法。 GTAW 打底， 为避免直接使用埋弧焊出现焊漏， 采用SMAW 填充一遍， 其余采用SAW 工艺。 焊材的选择， GTAW 采用奥林康CARBOROD Φ2.4 mm 焊 丝， SMAW 采 用 林 肯Cr-Mo91 CROMOE91 Φ3.2 mm 焊条， 埋弧焊采用奥林康OE-S1 CRMO91 Φ2.4 mm 焊丝搭配使用焊剂OP 90W。

（2） 组对前须进行渗透检验 （PT ） 以保证待焊接区域 （坡口外表面25 mm 范围） 无微观裂纹。 PT 检验时注意管内壁保护， 防止污染。

（1） P91 属于高合金钢， 为避免焊接时背部焊缝氧化， 焊前需背部进行充氩气保护。

（2） 打底焊接前， 必须使用纯度不小于99.995%的氩气充满管内且背部含氧量低于1%。

雷雪英用记忆症状评估量表（memorial symptom assessment scale，MSAS）测量工具，采用便利抽样法调查发现，肝硬化患者各症状分量表与生活质量各维度呈负相关，相关系数在-0.86～-0.05，提示肝硬化患者的症状体验对其生活质量呈负面影响，即患者症状水平越高生活质量越低[6]。

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2.2.4 焊接参数

（1） 焊接预热。 正式焊接需要使用电加热，保证焊道周边75 mm 范围内预热200～250 ℃，层间温度最大为300 ℃。 预热温度监控采用热电偶， 加热区域如图4 所示。

张连长有些急了:“哎,曲干事,话不能这么说啊!她的情况,你又不是不清楚。同情归同情,感动归感动,事情归事情,不是连你都没权力……”

2.2.2 点焊

（3） 消氢处理。 除了定位点焊外， 其余焊道焊接完成或焊接发生中断， 立即进行300～350 ℃至少保温2 h 的消氢处理。 然后焊件缓冷到93 ℃以下， 以保证奥氏体最大限度地转化成马氏体。

（4） 外观检验。 焊缝成形良好， 焊缝与母材圆滑过渡， 无裂纹、 气孔、 夹渣和飞溅， 焊缝宽度均匀， 不允许有咬边。 其他要求应满足ASME B31.3 和业主规格书的相关要求。

（5） 焊接后的NDT 检测。 待焊接试件冷却到室温后， 按照ASME BPVC IX 要求进行NDT检测， 包括磁粉检测 （MT） 和射线检测 （RT），保证焊缝质量合格， NDT 检测结果合格。

（6） 焊后热处理。 对于所有P91 材料的焊接接头， 无论壁厚和直径都需要焊后热处理，热处理应按AWS D10.10 执行， 必须采用电加热片或感应加热带及保温棉， 将热电偶设置在适当的位置以使焊缝及周边全厚度加热均匀。本工艺采用局部热处理方法， 加热方式采用电加热片， 要求保温温度为760℃±14℃， 保温时间为2 h （每25 mm 保温2 h）， 400 ℃以上的加热速率为100～150 ℃/h， 冷却速率最大为200 ℃/h。 其中对最小加热带宽和保温棉宽要求如图6 所示。

（7） 热处理后的NDT 检测。 为避免出现延迟裂纹， 热处理完成后至少经过48 h 才可进行NDT 检测， 包括MT 和RT 检测， 确保焊缝质量合格。

3 力学性能检测

3.1 拉伸试验

工艺评定拉伸试验参照ASME BPVC IX 和ASTM A370 进行， 要求试样抗拉强度不小于母材标准规定的最低抗拉强度。 拉伸试验结果见表3，从表3 可以看出， 拉伸试验结果满足ASTM A355关于P91 材料规定的最低抗拉强度要求485 MPa。

3.2 弯曲试验

按照ASME BPVC IX 要求， 焊件厚度10 mm以上可采用侧弯试验， 侧弯试验压头直径40 mm，弯曲角度180°， 4 个侧弯试验弯曲后弯曲面均无焊接缺陷， 满足标准ASME BPVC IX 的要求。

3.3 冲击试验

冲击试验需在母材、 焊缝金属和热影响区进行。 按照标准要求， 除非业主或承包商同意外，所有焊接方法的冲击功接收值均为20 ℃均值34 J，单值不小于27.2 J。

冲击试验按照ASME BPVC IX 和ASTM A370要求进行， 试样尺寸10 mm×10 mm×55 mm， 冲击试验温度按照技术要求为20 ℃， 冲击摆锤采用KV8， 试验结果见表4。

3.4 硬度试验

项目规格书要求工艺试验进行微观硬度检测， 包括焊缝区、 母材和焊接热影响区。 硬度检查在全厚度焊缝的宏观试样进行， 要求硬度值满足200HV

～290HV

。 硬度试验打点位置如图7所示， 试验结果见表5。

4 金相检测

业主技术规格书要求对于PQR 试样进行宏观金相检测和微观金相检查， 并且要求焊缝和热影响区金属微观组织为100%回火马氏体。 具体试验结果如图8 所示。 从图8 可以看出， 焊接接头无焊接缺陷， 焊缝和热影响区均为回火马氏体组织。

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5 生产应用

按照ASME BPVC IX 完成了P91 钢的焊接工艺评定， 各项试验结果均符合标准和项目规格书的要求。 该埋弧焊焊接工艺得到业主的批准和认可， 在承建项目得以应用， 极大地提高了P91 材料的焊接效率， 各焊接方法的焊接工时见表6。 在焊接施工中， 尤其是大管径、 厚壁管的焊接效率提升更为显著， 为普通手工电弧焊的10 倍左右。

6 结 论

（1） 通过对P91 材料埋弧焊焊接材料的选择、 工艺参数研究和焊接过程的控制， 避免了P91 耐热钢焊接冷裂纹的产生， 保证焊接接头的力学性能满足要求。

（2） 对于P91 材料焊接需要严格注意焊接过程的温度控制， 包括200～250 ℃高温预热、 焊后300～350 ℃保温2 h 的消氢处理以及温度（760±14 ） ℃保温2 h 的焊后热处理。 另外， 为避免焊接接头的硬度超标， 在进行PWHT 之前，需要将焊缝冷却到93 ℃以下， 最大限度地使奥氏体转变为马氏体。

（3） 按照标准ASME BPVC IX 和业主规格书要求完成了P91 埋弧焊焊接工艺评定， 并且成功应用于项目焊接， 显著提高了P91 钢的焊接效率。

[1] ASME. Welding，Brazing and Fusing Qualifications：ASME BPVC IX—2019[S].New York：ASME，2019.

[2] American Welding Society. Recommended Practices for Local Heating of Welds in Piping and Tubing：AWS D10.10-D10.10M—1999[S].Miami：AWS，1999.

[3] American Petroleum Institut. Use of 9Cr-1Mo-V (Grade 91) Steel in the Oil Refining Industry：API TR 938-B[S]. Washington：API，2008.

[4] American Petroleum Institute. Welding Guidelines for the Chemical，Oil, and Gas Industries：API RP 582—2016[S]. Washington：API，2016.

[5] American Petroleum Institute. Fabrication Considerations for Vanadium-Modified Cr-Mo Steel Heavy Wall Pressure Vessels：API TR 934-B—2011[S].Washington：API，2016.

[6] 公永建，郭建锋，丁光柱. SA335-P91 钢焊接及焊后热处理工艺[J]. 焊接技术，2015，44（5）: 84-86.

[7] 王敬红. P91 钢的焊接工艺评定及现场焊接[J]. 焊接技术，2001，30（1）：42-43.

[8] 王文瀚. 焊接技术手册[M]. 郑州: 河南科学技术出版社，2000.

[9] 尹士科.焊接材料手册[M].北京：中国标准出版社，2000.

[10] 钱昌黔.耐热钢焊接[M].北京:水利水电出版社，1988.