摘 要：對600MW超超臨界燃煤汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，主蒸汽管道材質(zhì)SA335 P91是焊接難度較高的馬氏體耐熱鋼，為提高其現(xiàn)場安裝效率對其施行工廠化施工，現(xiàn)總結(jié)在冬季埋弧焊焊接過程的控制要點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：P91；埋弧焊；工藝
在低溫情況下，為了確保厚壁SA335 P91埋弧焊焊縫的質(zhì)量，我廠根據(jù)現(xiàn)場情況及以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)制定合理的焊接工藝來確保厚壁P91管道的質(zhì)量。
一、母材及焊材概述
1.P91鋼材料特性。P91鋼是在9Cr-1Mo鋼的基礎(chǔ)上加入V、Nb、N，縮小C、Cr、Si、Mo、P、S等元素含量范圍的一種馬氏體耐熱鋼。20世紀(jì)70年代后期由美國燃燒工程和橡樹嶺國家試驗(yàn)室（ORNL）共同研制，其目的是應(yīng)用于溫度不超過550℃的液態(tài)金屬快中子反應(yīng)堆（LMFBR）材料。P91鋼在1984 年得到了美國材料試驗(yàn)學(xué)會的批準(zhǔn)，納入ASME SA335標(biāo)準(zhǔn)。由于其具有較好的工藝性能、力學(xué)性能、低的熱膨脹系數(shù)和高的熱傳導(dǎo)率，廣泛應(yīng)用在制造超臨界和超超臨界火力發(fā)電機(jī)組的高溫管道和集箱。
2.P91焊接難點(diǎn)。（1）焊接裂紋敏感性。鋼含有多種合金元素，總含量有10%左右，碳當(dāng)量很高，空淬性很高。由于HAZ淬硬傾向大，有較高的冷裂紋傾向；同時鋼中含有C、Nb等促進(jìn)熱裂紋的元素，因此該鋼還有熱裂紋傾向。（2）HAZ塑性降低。由于受焊接熱循環(huán)的作用，HAZ晶粒較粗大，使該區(qū)塑性降低。（3）HAZ的軟化。由于受焊接熱循環(huán)的作用，HAZ出現(xiàn)軟化層，惡化了該區(qū)的力學(xué)性能。（4）焊縫金屬韌性的惡化。由于焊縫金屬未曾經(jīng)受控扎和形變熱處理過程，晶粒不可能由此細(xì)化；同時焊縫中的Nb、V元素在冷卻凝固過程中難以呈微細(xì)的C、N化合物析出，因此焊縫的韌性比母材低許多。
總體上看，該鋼的焊接性問題主要是冷裂紋敏感性較強(qiáng)，以及一定的熱裂紋傾向，同時也不可忽視焊縫區(qū)的韌性惡化和熱影響區(qū)的軟化。所以合理的焊接工藝是保證該鋼焊接質(zhì)量的前提。
3.德國蒂森焊材概述。電站鍋爐用鋼蠕變斷裂強(qiáng)度的可靠性和穩(wěn)定性極為重要。所選取的焊材除要求焊縫金屬滿足室溫下的強(qiáng)度外，還必須滿足運(yùn)行溫度下的韌性和強(qiáng)度（蠕變強(qiáng)度）的要求。
德國蒂森公司為P91熔敷金屬的蠕變斷裂強(qiáng)度進(jìn)行了大量焊接接頭的蠕變斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)。蠕變斷裂強(qiáng)度較高，且高溫蠕變斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)已進(jìn)行了數(shù)萬小時以上經(jīng)過TUV認(rèn)證。這對于電站鍋爐提高高溫長期運(yùn)行的安全性非常重要，提供了可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了確保超超臨界電站用鋼長期安全運(yùn)行，我公司選用德國蒂森焊材（Φ2.4 THERMANIT MTS 3，Φ3.2、Φ4.0 FOX C9MV，Φ2.5 THERMANIT MTS 3）。
二、P91焊接
1.焊接工藝的確定。我公司制造印度****電廠1#機(jī)組600MW超超臨界燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組，其主蒸汽管道為P91鋼，管道規(guī)格為ID457.2×103。由于管子壁厚大、加工周期短，要滿足業(yè)主要求必須設(shè)法采用高效率焊接方法來實(shí)現(xiàn)P91鋼的焊接，為此我公司采用埋弧焊工藝來實(shí)現(xiàn)厚壁P91鋼的自動化焊接工作。
我公司采用GTAW+SMAW+SAW工藝，內(nèi)充氬氣保護(hù)，焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度為200～300℃，層間溫度控制在300℃以內(nèi)。采用較小的焊接線能量，較小的焊道寬度及厚度以減小焊接熱影響區(qū)。焊后當(dāng)焊縫冷卻到80～100℃時保溫2h進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，然后進(jìn)行750～770℃恒溫8h的焊后熱處理。
2.工藝實(shí)施要點(diǎn)。（1）焊接工藝。采用GTAW+SMAW+SAW內(nèi)充氬氣保護(hù)焊接工藝，為防止埋弧焊擊穿打底層，進(jìn)行2層氬弧焊打底， 4層手工焊填充，然后應(yīng)用埋弧焊。并且，由于環(huán)境溫度低（低于零下15℃），層間溫度不好控制，采用遠(yuǎn)紅外線測溫儀測溫，將層間溫度控制在250到300℃在進(jìn)行下一道焊縫的焊接。（2）充氬。為防止P91焊縫根部氧化，在氬弧焊打底（2層）及焊條電弧焊填充的第一次前必須進(jìn)行充氬保護(hù)。充氬方法為采用氣室密封充氬，氣室的封堵材料用的是膠帶。（3）預(yù)熱。預(yù)熱方法為電阻加熱，氬弧焊打底時，溫度為150℃即可，但因?yàn)榄h(huán)境溫度較低，并且為與手工焊預(yù)熱溫度銜接緊密，不停工，將打底時預(yù)熱溫度提高到200℃。（4）焊接要點(diǎn)。焊口組對前，應(yīng)將焊口每側(cè)（15～20）mm范圍內(nèi)管子的內(nèi)外壁的油、銹、垢等影響焊接質(zhì)量的因素徹底排除，并且使焊口每側(cè)（15～20）mm范圍內(nèi)發(fā)出金屬光澤；坡口處母材無裂紋、重皮、坡口損傷及毛刺等缺陷；以謹(jǐn)慎的態(tài)度施焊，避免保溫材料等異物落入焊縫中，并注意層間清理；焊接過程中每層焊道接頭錯開15～20mm，并且焊道外觀平滑，焊道間仔細(xì)清理。（5）焊接參數(shù)的控制。P91鋼焊縫的熱輸入對接頭的沖擊韌性有較大的影響。焊縫的熱輸入量越大，焊接接頭的沖擊韌性越低，必須采用比較小的焊接熱輸入進(jìn)行焊接。所以，采用比較小的焊接電流，比較快的焊接速度，比較低的層間溫度。由于焊接線能量是焊接電流、焊接電壓、焊接速度的綜合體現(xiàn)，是一個抽象的數(shù)字。所以為了便于更好的控制產(chǎn)品質(zhì)量，根據(jù)線能量與焊層厚度、層間溫度和擺動寬度的辯證關(guān)系，確定在焊接過程中的的工藝控制因素：焊條電弧焊焊層厚度不大于所用焊條直徑，擺動寬度不大于所用焊條直徑的3倍，層間溫度必須控制在300℃以內(nèi)，焊道接頭錯開。埋弧焊必須嚴(yán)格控制焊接電流、焊接電壓、轉(zhuǎn)速的范圍。通過控制焊接因素來保證施焊質(zhì)量。由于P91材料對溫度比較敏感，而且由于冬天焊接，環(huán)境溫度低，降溫快，極易出現(xiàn)裂紋，所以要保證工件溫度最低不得低于預(yù)熱溫度，層間溫度不得高于300℃。焊接過程中，一人主控焊機(jī)操作，一人控制層間溫度及清理焊道表面的焊渣。（6）焊后熱處理。焊接結(jié)束后，當(dāng)焊件降溫至80～100℃，保溫2h后立即進(jìn)行焊后熱處理。根據(jù)DL/T869-2012火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程中P91焊后熱處理規(guī)定，恒溫溫度為750～770℃，保溫時間8h。
三、過程監(jiān)督
為規(guī)范施工，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，在施工過程中有專門人員對焊接過程進(jìn)行旁站監(jiān)督及記錄。內(nèi)容包括：充氬效果、預(yù)熱溫度、層間溫度、焊道寬度來保證焊接質(zhì)量
四、檢驗(yàn)
根據(jù)P91鋼的化學(xué)成分、組織和力學(xué)性能，保證P91部件的使用壽命及安全，對P91焊縫力學(xué)性能、硬度提出了嚴(yán)格要求：對焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)（彎曲試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)），對焊口進(jìn)行100%硬度檢查（標(biāo)準(zhǔn)值為180～270HBW）。
根據(jù)上述工藝控制要點(diǎn)，合理制定指導(dǎo)生產(chǎn)用的焊接作業(yè)指導(dǎo)書，使我廠P91鋼埋弧焊工藝更加成熟，不僅質(zhì)量穩(wěn)定而且大大縮短了加工周期。 為保證印度****電廠1#機(jī)組600MW超超臨界燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 《焊接手冊》.
[2]DL/T869-2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》.
[3]DL/T819-2012《火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程》.
[4]《T/P91鋼手冊》 瓦盧瑞克·曼內(nèi)斯曼鋼管公司.