P92材料现场焊接工艺分析

张元军(中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086)

0 引言

随着化工及炼油行业的日益扩大，加之部分装置工艺要求较高，铬钼钢管线就成为部分装置重要管线首选材料。因其焊接质量难以管控，现场施工较为复杂，各工序间的衔接需要紧密配合，故铬钼钢管线焊接就成为项目管控中的难点，文章就以P92材料为例，探讨铬钼钢管线焊接的工艺性能及在施工过程中存在重点和难点。

1 P92材料属性

P92材料为SA-335马氏体耐热钢，虽然P92材料多用于发电厂，但由于P92属于马氏体钢，而马氏体的特点就是硬而脆，它是在铁素体的基相上过饱和的溶入了碳和其他合金金属，焊接时形成的熔池易冷却速度过快，在不采取措施情况下易形成脆硬的马氏体组织。虽然P92钢中C、S、P含量低、纯净度较高，但合金含量在10%以上，属低蠕变强度、高合金钢、冷裂纹倾向。同时如果焊缝温度过低，则熔池金属不易流动，焊缝会出现成分不均匀的情况，从而引起偏析；如焊缝熔池温度过高，则会造成焊接接头晶粒粗大，同样也会引起脆化，加之P92合金成分含量较高，不做焊后热处理，随空气冷却会形成粗大马氏体，致焊接质量下降，接头出现脆化。同样P92钢焊接材料的选用不当也会引起焊接接头性能的下降。因此，加强P92合金钢焊接工艺的管控，对其焊接质量有着重大意义。

2 P92化学成分

P92是在P91的基础上降低了Mo的含量，并加入了少量的W元素和P元素，对其材料成分做了进一步的改进，将材料中的钼当量从P91的1%提高到1.5%，并通过多元素强化，形成W-Mo固溶强化，保证了与P91在具有抗氧化性能的同时也具有抗腐蚀性能，形成一种新型的钢种，这就是P92马氏体钢。

3 P92焊接性能

3.1 热影响区的软化

P92钢的初始状态为正火+回火，正火温度为1 050 ℃，回火温度760 ℃，在焊接过程中焊接热影响区的温度T如果在T回＜T＜Ac1这个范围之内就会产生软化，使晶粒粗大，导致这一区域的强度降低，从而形成软化区，严重情况下会出现裂纹。焊接接头热影响区的软化与焊接工艺有一定的关系，如焊前无预热，焊后未做热处理或热处理不到位等，均会造成焊接接头区域的软化，只有加强焊接工艺管控，严格限制焊接线能量的输入，从而减小软化区宽度，方能提高焊接接头的性能[1]。

3.2 焊接再热裂纹

常规情况下焊接热裂纹主要有液化裂纹、结晶裂纹以及多边化裂纹三种，多边化裂纹主要发生在纯金属及单相奥氏体合金中，因而P92马氏体钢则有可能产生结晶裂纹。

由于P92钢中含有S、P等低熔点形成元素，通过金属结晶原理可知，先结晶的金属相对较纯，后结晶的金属杂质较多。且杂质一般集中在晶界，一般来说这些S、P等杂质所形成共晶熔点较低，因而接头焊接时当熔池在凝固后期，低熔点共晶体就析出在中心部位，形成“液态薄膜”，在焊后冷却过程中由于收缩而受到拉应力。这时的焊缝薄膜就因受到的拉应力而开裂，从而形成结晶裂纹，这是产生结晶裂纹的主要原因。当然其他因素的影响也可能影响结晶裂纹的产生，P92钢中所含合金元素较多，每种元素的影响不一样，影响十分复杂。S、P杂质元素在P92钢中极易造成偏析，对结晶裂纹比较敏感。 P92钢中含有Mn、Si、Ni元素，其中Mn元素可以脱硫，通过化学反应把FeS转为MnS，使硫化物的分布状态发生变化，减小了焊接接头的开裂。 由于钢中碳含量的不同，Mn/S的比值也就不一样，随着含碳量的增加，Mn与S的比值也会增加，P92钢中碳含量为0.1%，硫含量为0.006%，锰含量为0.51%，当C≥0.1%时，Mn/S≥22，而P92钢Mn/S=0.51/0.006=83.3＞22，因而P92中的Mn含量能有效提高焊缝的抗裂性。同时，正因为钢中含有Mn、Ni等合金元素，它可以抑制硫的有害作用，从而能够有效地降低结晶裂纹产生的可能性。

3.3 再热裂纹

再热裂纹是由于在热影响区的粗晶粒在受到应力或应力集中时由于应力松弛所产生的变形大于其蠕变性，则可能产生再热裂纹。产生再热裂纹要满足四个条件，即沉淀元素、粗晶粒或粗晶区、应力集中、温度区间。P92钢中含有Al、Nb等沉淀元素，在焊接热能量的作用下，那些沉淀元素因受热而固溶，冷却时不能完全析出，在二次受热或热处理中，这些沉淀元素在晶内会析出，从而强化晶内。这时冷却时应力松弛所产生的变形就集中于晶界，当晶界的塑性不足时，就会产生再热裂纹。由于P92钢含有Cr、Ti、Nb、Mo等碳化物、氮化物，因这些物质的存在，就是晶界塑性不足的根本，焊接工艺控制不当，容易产生再热裂纹。

3.4 冷裂纹

虽然P92钢中碳、硫、磷含量低、纯净度较高，但合金含量在10%以上，属高合金钢，具有冷裂纹倾向，而冷裂纹形成机理主要由钢种的淬硬性、焊接接头氢的含量以及接头承受应力状态，这三个因素是P92高强钢焊接时产生冷裂纹的主要原因。且这三个因素是相互关联、相互促进、相辅相成的。

3.4.1 焊接接头的脆化

由于P92马氏体钢合金成分较高，如果焊接时没有相应的措施，焊后放置在空气中，随着空气快速冷却形成粗大的马氏体组织。同时如焊接过程中线能量摄入太少，致熔池温度过低流动性较差时，焊缝就会出现成分不均，即所谓的偏析；如焊接过程中线能量摄入太大，致熔池温度过高则会造成焊接接头晶粒粗大，致焊接接头发生脆化。另外，当焊接接头在进行高温热循环时，特别是温度超过1 100 ℃时，晶粒则越长越大，越长越快，这也是导致P92马氏体钢焊接接头脆化的原因，从而可知道接头脆化原因是多方面的。

3.4.2 淬硬倾向

P92马氏体钢是碳在铁素体中过饱和固溶体，碳原子存在于晶格之中，使铁原子的位置发生改变，晶格也随之发生变化，使组织处以硬化状态。虽然碳的含量比较低，但其他元素含量之和较高，合金元素也固溶于晶格之中，在碳原子及其他合金元素共同作用使其使其产生淬硬倾向。淬硬倾向主要取决于钢的化学成分，其中碳的作用较为明显，通常情况下，碳当量越高，冷裂纹敏感性则就越大。

4 P92焊接工艺及质量控制要求

由于P92马氏体钢的特点决定了其焊接方法不宜采用埋弧自动焊进行焊接，因为埋弧焊的线能量太大，焊接过程中如温度控制不当容易导致马氏体晶粒粗大，出现脆化，严重影响焊接接头的力学性能。因此对P92马氏体铬钼钢焊接方法选用线能量较小的方法进行焊接，采用钨极氩弧焊(GTAW)打底，焊条电弧焊(SMAW)填充盖面的焊接方法进行焊接，同时焊接过程中使用测温枪严格控制线能量的输入，确保现场焊接工艺严格按照作业指导书的要求进行，使焊接接头的性能得到更好的体现。

4.1 焊前准备

根 据 质 量 管 理“ 人 ”“ 机 ”“ 料 ”“ 法 ”“ 环 ”五 个 要素，要确保P92焊接接头的质量，先从这五个方面做好准备：

(1)“人”：施工前进行焊接人员资质的审核，确保人员资质在有效期且作业项目在合格范围之内，对于P92的焊工，必须取得国家质监局颁发的“全国特种设备作业人员证”，资质审核无误后进入现场考试，试件射线检测合格后方可上岗作业。

(2)“机”：焊接前检查焊机的电缆有无破损、接错或异样，同时检查所有接线柱接触是否良好并已紧固好；查看设备电压表、电流表显示是否正常等。

气瓶应检查其接管螺纹是否完好，胶管有无破损或漏气，其试压日期是否在有效期内；同时检查瓶阀和减压器有无漏气、指针是否灵敏等，现场检查时，可使用少量的肥皂水涂抹在阀体和胶管接口处，看是否漏气，切忌使用明火照明，气瓶如在冬季使用时，务必检查瓶阀和减压器指针是否灵敏，有无冻结现象，如阀门冻结，可适当的使用热水进行解冻，严禁用明火烘烤或铁器敲打；现场气瓶应远离明火及有砂轮机或气割等金属飞溅物等类热源10 m以上，并用防震圈固定在气瓶架上，外部设置防护板，与热源进行隔离，同时气瓶放置区域应设有干粉或二氧化碳灭火器等消防器材，以免发生火灾。

(3)“料”：施工前检查原材料是否已报验合格，且母材已做光谱复检，相关的入场材料均已通过施工单位、监理单元及业主的联合检查验收，且质量证明文件符合规范及设计要求，同时按焊材烘烤程序检查焊材是否按相应程序烘烤完成。

(4)“法”：焊接前要完成工艺评定的报审，并根据工艺评定和现场实际情况编制焊接作业指导书，并对焊工进行技术交底，确保焊工能够严格按照作业指导书中相关工艺参数实施焊接。

(5)“环”：焊接作业中，环境的因素尤为重要，尤其是特殊材质的焊接，如环境因素控制不当，极易出现焊接缺陷。严禁雨天进行焊接作业；普通管线湿度大于90%时停止焊接，但对于P92管，湿度超过85%时就不允许焊接；焊条电弧焊时，当风速超过8 m/s时禁止焊接；氩弧打底时，当风速超过2.2 m/s时，也不得进行焊接作业，如若进行焊接作业现场应增加挡风棚或采取遮风措施，并使用风速仪进行检测，风速在合格范围以内方可焊接。

4.2 焊前打磨

焊接之前对母材坡口及其内外两侧15～20 mm范围内的铁锈、污垢等杂物进行清理，使其两侧不得有铁锈、污垢等杂质存在，且不得有裂纹、夹层等缺陷，其次对焊缝进行充氩保护，因P92马氏体钢中的铬含量很高，其铬质量分数为8.50%～9.50%，在焊接过程中容易引起铬的氧化烧损，会导致焊接接头的铬含量下降，从而影响接头的性能。因此需通过对P92焊缝背面进行充氩气保护，可防止铬在焊接过程的烧损。

4.3 坡口选择

壁厚≤20 mm的母材，坡口形式可采用单V型，壁厚＞20 mm的母材可采用U性坡口，且底部预留2 mm钝边，以便焊接。

4.4 焊材选用

考虑到焊接材料熔化时要保证熔敷金属组织的均匀性，没有偏析，选用实焊芯过渡合金元素的焊材，只能保证焊缝具有良好的力学性能和耐腐蚀性能。如选用低合金耐热钢的焊材，不仅能保证焊缝的力学性能和耐腐蚀性能，还能更好地保证熔敷金属高温的蠕变性能，特别是耐持久高温的强度和蠕变塑性，故焊丝选用ER90S-G，焊条选用E9015-G。

4.5 焊接参数

为确保母材能够充分熔透及背面焊缝成形美观，首道焊采用钨极氩弧焊进行打底，选用φ2.4的焊丝，电流控制在110～120 A，电压控制在10～12 V；第二层及其以后的焊道，采用焊条电弧焊进行填充和盖面焊，焊条选用φ2.5的，电流控制在75～95 A，电压控制在22～24 V。

4.6 定位焊

管道定位焊采用根部定位焊缝，作为正式焊缝组对部分的根部焊缝，应满足下列要求：(1)定位焊焊接工艺与正式焊接工艺相同，应由合格焊工施焊；(2)定位焊宜长度为15～20 mm，高2～4 mm且不超过壁厚的2/3；(3)定位焊点应均匀分布，一般不少于3点，定位焊应保证焊透及熔合良好，且无气孔、夹渣、裂纹等缺陷；(4)为保证底层焊道成型完好，定位焊缝应平滑过渡到母材上，且应将焊缝两端磨削成斜坡过渡，以利于焊接；(5)在焊接根部焊道前，应对定位焊缝进行检查，当发现缺陷时应处理后方可施焊。

4.7 预热

P92预热温度≥150 ℃，预热可采用电阻加热，加热应在坡口两侧均匀进行；加热带宽度最小范围宜为坡口两侧各不小于焊缝壁厚的5倍，且不小于100 mm，并采取防止局部过热的措施；电阻加热时，加热宽度以外100 mm范围应保温，持续加热时，加热带距坡口边缘距离宜为25 mm。

预热温度可在正对着焊接的工件表面，离坡口边缘4倍工件厚度且不超过 50 mm的距离处使用红外线测温枪测量，要求焊前预热的焊件，其道间温度应在预热温度(预热温度根据工艺评定要求)范围内，P92预热温度应在150～200 ℃。

4.8 层间温度(线能量)控制

根据铁碳合金相图P92钢的曲线可知，马氏体开始转变温度Ms 350～400 ℃，马氏体转变结束温度Mf为＞100 ℃且＜200 ℃，因而层间温度或道间温度不能超过Ms点，如果温度超过Ms点，就会发生组织的转变，得到的组织就不是马氏体组织，而是其他的组织形式，从而影响整个焊接结构的性能，应控制在Ms和Mf温度之间。同时层间温或道间温温度不能过低，应该不低于预热温度，以防产生冷裂纹。一般P92马氏体钢的层间温度应控制在200～300 ℃，最高为350 ℃。

4.9 后热及热处理

焊后热处理不仅可以消除焊接残余应力，更重要的是可以改善组织、可有效的减少扩散氢的含量，使氢元素能够充分地从钢中溢出，提高焊接接头的综合力学性能，焊接后采取后热处理是防止氢致裂纹、降低焊接残余应力的重要措施，由于后热减少了钢的冷却速度，相当于对钢进行了一定的热处理措施，降低P92的硬淬性，改善了焊缝的金属性能，因此焊后如不能立即进行热处理则应马上进行后热，即均匀加热到200～350 ℃，用岩棉保温0.5 h，缓慢冷却到常温后去除保温棉，待后续具备条件后马上进热处理。如焊接完成后具备条件马上可以进行热处理，则应加热到330～350 ℃，恒温2 h的后进行，但需要注意在进行后热处理前应先将焊缝保温缓冷至80～100 ℃恒温2 h，待马氏体组织完全转变后在进行热处理。焊后热处理采用高温回火[2]，回火加热温度760 ℃左右，恒温6 h，然后在升温降速，以每小时小于100 ℃的速度降到300 ℃以下，可不控制冷却速度，随空气缓慢冷却至常温。

P92材质的焊缝热处理后应及时进行硬度检验，除设计文件另有规定外，热处理后的硬度值应≤241 HB，当管道组成件和焊缝重新进行热处理时，应重新进行硬度检验。硬度检验区域应包括焊缝和两侧热影响区(热影响区的测定区域应紧邻熔合线)的母材。

焊接接头热处理后，同时还应确认热处理自动记录曲线，如：热处理自动记录曲线异常，应查明原因；被查部件的焊接接头硬度值超过规定范围时，应重新进行热处理。

4.10 无损检测及焊缝返修

P92管焊焊后应进行外观检查，检查合格后委托检测单位进行无损检测，检测比例按照设计及规范要求执行，其射线检测的技术等级为 AB 级，合格级别不低于Ⅱ级。

对于外观检查和无损检测不合格的焊缝要进行返修，返修时应按返修工艺进行返修，返修前要彻底清理缺陷，补焊后按原检测方法进行累进检测。焊缝的返修工作由优秀的合格焊工担任，P92铬钼钢返修次数不超过2次，如超过2次，应报监理、PMT，并做好台账记录，返修后的焊口经外观检测合格后按以上程序重新进行热处理、无损检测及硬度检测等相关工作。

5 过程管控中的重点和难点

5.1 焊工超项

焊接接头焊工超项问题在每个项目都是不可避免的，焊工超项，主要是材质超项、管径超项和壁厚超项这三大类。现场为了更好地管理焊工超项，我们通常在焊工考试准入证上面进行标注，注明焊工可以焊接那类材质的管线，管道直径多少以下不能焊接，焊接的最大壁厚是多少等。同时加强焊工的技术交底及现场巡检力度，对特殊材质的焊工要进行固定，不能穿插，避免多种材质来回焊接时焊材使用错误等情况的发生。

5.2 预制下料

P92管道下料时或开孔时宜采用机械切割，如现场条件不具备，使用火焰切割后，则必须按照SH 3501—2011《 石油化工有毒、可燃介质钢制管道工程施工及验收规范》的要求对其坡口及其附近的母材进行PT检测，检测合格后方可进入下道工序。

5.3 温度管控

由于P92材料的属性，在焊接时容易出现冷裂纹、再热裂纹及焊接接头的脆化，出现此问题的主要原因就是焊接时因热量输入不均，比如焊前未预热或焊后未及时热处理致焊接接头在空气中快速冷却时因温度偏差使熔池金属不易流动，致使焊缝出现成分不均匀的情况，从而引起偏析和接头脆化的情况，为避免此问题，焊前必须进行预热，预热温度在150～200 ℃之间，焊接过程中层间温度应保持在200～300 ℃，并严格控制线能量的输入，焊后马上进行热处理，热处理时先加热到300～350 ℃，恒温2 h，再均匀加热至760 ℃，恒温6 h后以＜100 ℃/h的速度降到300 ℃以下，然后随空气冷却至常温。

5.4 检测时机的选择

由于P92铬钼钢属性可知，其焊接接头很容易出现延迟裂，如检测时机控制不当，在裂纹未形成前完成检测，致后续裂纹不能及时检出，使检测结果发生误判，造成质量隐患。因此，对P92这种有延迟裂纹的焊接接头，其无损检测必须在焊接完成24 h后进行。

6 结语

P92合金钢是化工装备中常用的一种优质铬钼钢管金属材料，加强P92合金钢焊接工艺的管控，对其焊接质量有着重大意义。文章以P92材料为例，探讨铬钼钢管线焊接的工艺性能及在施工过程中存在重点和难点，对化工设备加工和维护以及正确加工和使用该种金属材料进行了有益的探索。