武汉锅炉股份有限公司 张崇文 王向斌
摘 要: 本文介绍了我公司制造的石咀山330MW 锅炉过热器、再热器中第一次使用 SA335P91 钢大口径管性能和焊接工艺。
关键词： SA335P91 钢管 焊接工艺
前言
早在70年代初，美国就开始着手研究9Cr-1Mo钢,且在不断地改进。直到1983年研制出改进型的9Cr-1Mo钢，这是一种在9%Cr-1%Mo的基础上,加一定量的铌、钒及氮等元素的合金。同年P91钢被美国材料试验学会(ASME)和美国机械工程池会(ASME)正式接受为锅炉管道用材料。其材料级别为SATM-213-T91 和ASME/A/SA335P91。
SA335P91 为合金大口径管材。该材料具有良好的高温热强和抗氧化性能。目前，国内外大型电站锅炉再热器，过热器管道和集箱已在广泛使用。使用SA335P91 钢，可以减少结构的设计臂厚，降低结构整体重量。在同样的工作条件下，SA335P91钢与传统的CrMo耐热钢相比(如P22,X20)其厚度仅为它们的1/2和2/3。典型的SA335P91 钢的化学成份及机械性能见表1，表2。
表1 SA335P91 钢母材的化学成份 (%)*
成份 C Mn Si S P Cr Ni Mo Nb V N
下限 0.08 0.30 0.20 - - 0.88 - 0.85 0.06 0.18 0.03
上限 0.12 0.60 0.50 0.01 0.02 9.50 0.40 1.05 0.10 0.25 0.07
表2 SA335P91 钢机械性能*
σb(Mpa) σs(Mpa) δ(%) ψ(&) 硬度(HB)
≥585 ≥415 ≥20 NR** NR**
*: ASME section II-A/BS 标准
**: NR: 没有规范要求。
通过膨胀法测得P91钢AC1温度介于810~850℃之间(1450~1560℃F),AC3温度介于900~940℃(1650~1725℃)在连续冷却曲线(CCT)图中,SA335P91 钢的Ms温度为大约为370℃,Mf温度为200℃左右，其马氏体组织硬度可达到420HV。
1 焊接工艺
我公司用于高温过热器和再热出品段的SA335P981材料,其规格为Φ464×64的SA335P91与12CrMoV;Φ558×95的SA217WC9和SA335P91 钢的异种钢对接焊。因SA3351P91 刚焊接工艺复杂，加之工件大、壁厚、给焊接时的预热、焊接操作带来了很多困难。考虑到采用手工氩弧焊封底,手工电弧焊焊妥工作效率低,且质量难以保证:拟定用手工氩弧焊封底+手工电弧焊+埋弧焊工艺进行焊接。
1.1 焊接预热和层间温度
在SA335P91钢的焊接中,首先主要考虑的是:焊缝金属与SA335P91 钢母材相似,一般来说,在所有的冷却条件下,SA335P91 钢焊缝金属的组织也是全马氏体(或多或少量的铁素体)。其焊态硬度可达450HV。因此，要特别注意防止焊缝氢致裂纹的产生。所以，焊接过程中选择正确的预热温度和层间温度,对焊出满足要求的焊缝是至关重要的.根据SA335P91钢手册和曼彻特焊接材料公司的推荐资料,我公司通过试验,认为手间工氩焊封底时预热度≥150度;手工电弧焊和埋弧焊时,预热温度≥205度;最高层间温度≤300度为宜。
1.2 焊接和焊接材料
1.21 手工氩弧焊
大口径SA3351P91 钢对接焊缝坡口为单U型，钝边为1~1.5mm,装配时不留间隙,焊前将坡口周围用丙酮清洗干净,见金属光泽.焊前将工件预热≥150度,对于同种钢或异种钢对接,焊接材料均选择满足SA335P91 钢的化学成分及性能要求。氩弧焊丝为TGS-9cb, Φ2.4为了保证氩弧焊封底焊透,内面成形好,不氧化。焊接时,管内一定要充氩气保护。焊后缓慢冷却到室温，并对打底焊缝进行100%的着色查后(有时会有细小裂纹存在),才能进行手工电弧焊焊接.TGS-9cb焊丝化学成份见表3。
表3 TCS-9cb焊丝化学成份(%)
成份 C Si Mn Mo Ni V S P Cr Nb Cu
TGS-9cb 0.08 0.17 0.99 0.97 0.07 0.18 0.009 0.007 0.9 0.047 0.12
1.2.2 手工电弧焊
当手工氩弧焊封底检查合格后,用手工电弧焊焊两面三刀层,以便使用埋弧焊接.手工电弧焊施焊时,SA213P92钢管应预热≥205℃焊条使用CM-9cb,Φ3.2(日本),E9015-B9Φ4,(ASME 第二卷C篇SFA5.5规范牌号,梯森DIN EN 1599 ECrMo91B42HS 和曼彻特的chromet 9MV-N焊条均满足ASME 规范)。焊条使用前经300~350℃，保温2小时烘干。焊工领用时应放入保温桶内,防止吸潮.施焊时,每一层都要仔细清理焊渣,且在收弧处多停留一下,将弧坑填满,防止裂纹.层间温度不能低于205℃,高于300℃.所用焊条的化学成份见表4。
表4 SA335P91 钢用焊条化学成份(%)
成份C Si Mn Cr Mo Ni V S P Nb N Cu
CM-9cbΦ3.2 0,06 0.22 1.37 8.85 1.10 0.96 0.17 0.002 0.008 0.07
E9015-B9Φ4 0.10 0.24 0.62 9.05 1.05 0.73 0.20 0.006 0.009 0.05 0.04 0.04
1.2.3埋弧焊
当手工电弧焊焊完后,如工件温度≥205℃,可以开始进行埋弧焊焊接,弧焊焊丝为EB9,Φ3.0,焊剂为F9FZ-EB9-B9(LA491)。其化学成份见表5、表6。
埋弧焊焊接工艺为工件转动单丝道焊，在施焊过程中，每焊两道后，要三测温仪测量层间温度。当温度低于205℃时，应停止施焊。采用电加热或煤气均匀加热至230℃左右，再接着施焊。焊剂使用前经350~400℃烘干2小时。使用多少领多少，用不完的焊剂要退回，须经重新烘干后方可使用。该焊剂为氟化物-高碱度碱性烧结焊剂，易吸潮。
各种方法的焊接规范见表7
表5 埋焊弧焊丝EB9化学成份(%)
成份 C Si Mn Cr Ni V S P Nb N Cu
EB9 013 0.22 0.55 9.11 0.68 0.22 0.003 0.004 0.06 0.044 0.04
表6 F9PZ-EB9-B9(LA491)焊剂化学成份(%)
成份 SiO2+Tio2 CaO+MgO Al2O3+MnO CaF2
F9PZ-EB9-B9(LA491)14 32 18 31
1.2.4 后热和热外理
当SA335P91钢焊接完成后,由于工序的限制,往往不能立即进行焊后热处理。为了保证扩散氢有足够的时间逸出,避免裂纹产生,焊后立即用电加热器对焊缝消氢处理,温度为375正负℃,保温2小时,缓冷到室温,以便进行PT、UT检查。同时，使焊缝冷却到室温，消除焊缝中未转变的奥氏体，使奥氏体-马氏体转变充分。因为未转变的奥氏体内能滞留相当量的扩散氢。同时，残余奥氏体不受回火处理的影响，而在冷却后转变成新的未经回火的马氏体。此外，如果最终热处理温度择不当，会引起冲击韧性下降，经过考证认为：不论对于 SA335P91 同种钢的焊接，还是与 12Cr1MoV 的异种钢焊缝,热处理温度定为 750+10℃,保温时间视管子壁厚而定。
表 7 焊接规范
焊接方法 焊材型号 直径 电流极性 电流 电压 氩气流量
GTAW TGS-9 Φ2.4 DC 正极 100-130 12-14 7-9L/s
SMAW E-9015-B9 Φ3.2 DC反极 90-120 19-21
Φ4 DC反极 130-140 22-23
SAW EB9+FP9Z-EB9-B9(LA491)Φ3 DC反极 368-380 30-33
2.试验结果
采用以是焊接材料和按规范所焊的焊缝,按JB3323、JB1152进行 100% RT和 UT检查均为一次合格。并对焊缝机械性能进行检验，均以满足要求，结果见表8。
表 8 SA335P91/12Cr1MoV 焊接接头试验结果
接头型式 母材牌号 焊接方法 热处理 抗拉强度 AkV(J) 硬度(HV)
及规格 (℃) (Mpa)断裂位置 (室温)
SA335P91+ GTAW+ 750+10 675 焊外 焊缝:100,122,95 247,242,245
管管对接 SA335P91 SMAW+ 保温 150 658 焊外 HAZ:204,210,244 213,212,215
Φ323.9×32 SAW 分钟
管管对接 SA335P91 GTAW+ 750+10 577 焊外 焊缝:68,85,90 228,221,225
12Cr1M0V SMAW+ 保温150 580 焊外 HAZ(P91):190,246,190 215,235,225
323.9×32 SAW 分钟 HAZ(12Cr1MoV):230,240,214 181,183,185
管管头接 SA335P91+ GTAW+ 750+10 597 焊外 焊缝:68,80,92 213,225,228
12Cr1MoV SMAW+ 保温165 595 焊外 HAZ(P91):125,120,88 180,180,177
Φ323.9×32 分钟
结论
(1) 手工氩弧焊进行SA335P91 钢同种对接或异种钢对接封底时,为了获得满意成形和焊透,防止氧化,内充氩气保护是必不可少的。
(2) 对于SA335P91钢同种或异种钢焊接,焊材必须满足与SA335P91 钢的化学成分相匹配。才能获得设计要求的焊接接头。
(3) 虽然SA335P91 钢的可焊性较差,焊接工艺复杂,但只要选择合适的预热温度和层间温度、消氢处理，严格按工艺执行，完全可以避免焊接缺陷的产生。
(4) 正确的选择热处理温度和保温时间,是保证焊缝获得良好机械性能的关键。
参考文献
1 电力石化工业P91员钢焊接材及工艺技术指南，曼彻特焊接材料公司。
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