P91压力管道的焊接方法及技术研究

P91钢是在原9Cr-1Mo钢基础上加进强化元素形成的一种变质新钢种, 为了填补珠光体耐热钢和奥氏体耐热钢之间600-650℃温度区域使用的新汽水管道用钢, 属于马氏体耐热钢, 其最高使用温度可达650℃。

P91钢的有害元素 (S、P元素) 质量分数较低, 增加了强化元素 (V、Nb、N元素) , 使金属在高温运行时生成的氧化膜致密而牢固, 与10Cr Mo910相比, 在同同温度和压力条件下, 管子壁厚可减少50%, 可以节省焊接材料, 降低工人劳动强度。

1施工特点

由于P91钢材合金元素含量较高, 焊接性能较差, 在焊接过程中要注意如脆化、热影响区软化、冷裂纹等缺陷的控制。

1.1焊前热处理:P91是合金钢, 具有较高的冷裂倾向, 在不预热条件下焊接会产生裂纹, 且对预热温度较为敏感, 当预热温度200-250℃时, 可避免冷裂纹的产生。

1.2层间温度的控制:在P91焊接过程中, 最重要的是要严格保持在预热温度或更高的温度, 其次要十分注意从层间温度冷却至焊后热处理开始的时间间隔。

1.3焊接输入热量的控制:应采用较小的焊条直径、比较低的层间温度和较小的焊接线能量, 以获得满意的冲击韧性。

1.4焊后热处理:焊接接头在焊后仍存在焊接残余应力, 焊接接头性能仍较不稳定, 焊后必须作相应的热处理。

2实用范围

本方法适用于P91钢压力管道安装施工。

3工艺原理

为防止焊缝冷却过快形成淬硬组织, 必须严格控制焊前预热温度和焊缝层间温度, 惰性气体钨极保护焊 (TIG) 预热温度一般为100℃-150℃, 焊条手工电弧焊 (SMAW) 升温至250℃-300℃, 在整个焊接过程中, 应一直保持这个区间温度。

4工艺流程及操作特点

4.1焊前准备

4.1.1机具设备:直流焊机、履带式加热器、远红外线加热器、高温烘干箱、焊条保温筒、坡口机、电动磨光机等。

焊接材料:ER90S-B9焊丝、E9015-B9焊条、氩气等。

4.1.2坡口加工:坡口采用机械加工, 坡口应平滑均匀, 尺寸符合要求, 须用砂轮磨去氧化膜, 使表面光滑, 露出金属光泽, 并清理坡口内外壁两侧15-20mm范围内的油漆、垢、锈、毛刺及镀锌层等污物。

4.1.3对口:焊接接头应在自由状态下组对, 不得强行组对, 对口前应仔细检查坡口处母材是否有缺陷, 如有应另行处理。

4.2焊前预热

对焊口进行跟踪预热, 热电偶对称安装, 热电偶与管件应接触良好, TIG预热温度为150-200℃, SMAW焊预热为200-250℃, 预热宽度从坡口中心每侧不少于3倍的管壁厚计算。

4.3打底层焊接

采用直流焊机, 正接。当预热温度达到规定温度, 并受热均匀后开始焊接, 第一层和第二层焊缝均采用氩弧焊。打底层焊时, 采用内送丝法, 应在管子内充氩保护, 充氩保护可参照下列要求进行:

4.3.1充氩保护范围为以坡口中心每侧各200-300mm处, 用可溶纸做堵头, 并装在焊件或管口中, 在管道做水压试验时可溶纸可被水溶化并冲走。

4.3.2采用“充气针”从坡口间隙或“探伤孔”中插入进行充氩。

4.3.3利用点燃的打火机或火柴放至焊缝间隙附近, 当火焰熄灭时, 说明内部空气已排空, 方可进行氩弧焊打底焊接。

4.4盖面层焊接

氩弧焊打底焊接完成后, 将预热温度升至200-250℃, 开始手工电弧焊盖面。选用小直径焊条、窄焊道、薄焊层、多层多道的焊接工艺, 焊接完毕后进行清理自检, 发现外表成形不好的马上补焊。

4.5焊后热处理

焊后热处理采用多路输出、多点测温, 且加热器与热电偶一一对应, 焊口上、下温度始终保持一致, 使热处理焊口在升、降温速度以≤150℃/h为宜。在临近恒温温度50℃时, 应逐渐减小电流、电压, 升降温操作都要平稳。

如果焊接接头不能及时进行热处理, 应在焊后立即均匀加热至200-300℃, 并进行保温缓冷, 其加热范围应与焊后热处理要求相同。

4.6焊缝质量检验

焊缝质量按I类焊缝的验收标准检验:

4.6.1外观:按JB/T4730-2005《承压设备无损检测》, I类焊缝外观的质量标准验收;

4.6.2无损检验:按JB/T4730-2005《承压设备无损检测》对焊缝进行100%超声波 (UT) 、磁粉 (MT) 探伤, I级合格;

4.6.3硬度:热处理完毕后, 做100%硬度测定, 硬度值应≤350HB;

4.6.4光谱:对焊缝金属合金成分进行100%光谱分析。

4.7焊缝返修

4.7.1焊缝外观检查不符合标准时, 轻者打磨焊补, 严重者应割掉重新焊接。

经无损检验不合格的焊缝, 其缺陷可补焊, 但必须在确认缺陷已经彻底消除的基础上, 按正常焊接工艺或焊补工艺规定进行。

5工程实例

在清华大型氦气工程试验回路二回路高温高压管道安装施工中, 我施工方一共完成的P91压力管线100多米的管道焊接任务, 应用此施工方法, 管线质量检验100%合格并无返修, 管线试压一次成功, 质量达到优良。

摘要：随着P91钢的大量使用, 制定出符合该钢材特点的焊接工艺规范直接用于生产建设中, 有很好的经济效益和社会效益。本文结合实例分析了P91钢焊接性, 制定了P91钢的焊接工艺、热处理工艺以及在实际焊接操作过程中经常遇到的问题以及预防解决方法。

关键词：P91,管道,焊接,工艺

参考文献

[1] GB50236-2011《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》.

[2] SH3501-2011《石油化工有毒、可燃介质钢制管道工程施工及验收规范》.

[3] GB/T 20801-2006《压力管道规范工业管道》.

[4] 机械设计与制造《P91钢的焊接特点及工艺》.