SA335-P91管主蒸汽管弯头焊接
日期: 2021/2/24 浏览: 2 来源: 学海网收集整理 作者: 祝春兰
（南通职业大学技师学院 ，江苏南通 226007）
摘要:某电厂发电机组主蒸汽管SA335-P91弯头硬度偏低，严重影响机组安全经济运行，本文通过对SA335-P91材料的分析，从设备、焊前准备、焊接工艺参数、焊接操作技巧、焊接热处理等方面详细叙述了SA335-P91钢更换弯头的焊接工艺。新工艺解决了弯头硬度偏低的问题。
关键词：SA335-P91；钢焊接工艺；硬度
中图分类号：TG156.92;TG142.71 文献标志码：A
发电机组主蒸汽管设计压力为17MPa，设计温度550℃。主蒸汽管弯头材质为SA335-P91，规格Ф273mm×26mm。机组在检修中，主蒸汽管及弯头进行硬度检查时发现硬度偏低，对金相分析得出结论：材质为SA335-P91的弯头及直管段，金相组织为回火马氏体，其中少部分为非典型马氏体。因此决定更换弯头。本文通过对SA335-P91材料的特性分析，制定了细致的弯头更换方案。
1 SA335-P91钢介绍
1.1 SA335-P91钢的特性
SA335-P91钢属马氏体耐热钢，组织为回火马氏体。具有相当高的淬硬性，焊接过程中处理不当容易产生裂纹。焊前须预热，并保持一定的层间温度，焊后需要进行后热及热处理。该钢焊接接头容易脆化、韧性降低，因此焊接工艺参数宜采用小能量施焊，方能保证焊接接头质量。
1.2 SA335-P91钢材料的化学成分与机械性能，如表1和表2所示。
表1SA335-P91钢材料的化学成分 ％
表2 SA335-P91材料的机械性能
RM（MPa） REL（MPa） A (％) AKV(J) HBW
≥585 415 20 149 ≤250
2 焊前准备
2.1 焊接设备的选用
2.1.1 焊机
在焊机的选择上，选择了两台逆变ZX7-400STG焊机，其具备稳定可靠及焊接性能良好等特点，但应注意其实际容量是否在焊接规范参数要求范围内。此外，每台电焊机要求将两根焊接电缆线架空布置到施焊现场，电缆线外皮绝缘应良好、无破损，焊接接地靠近弯头1米地方接地，夹具应接触良好。避免焊接过程中检修现场交叉作业引起焊接作业中断。
2.1.2焊枪
氩弧焊枪为气冷式焊枪，选择的焊枪焊条的更换要简单，焊钳也要具备不易发热、轻巧以及接触良好等优势。
2.1.3其他设备工具
准备一只220V移动电源盘，小型轻便的手持砂轮机。氩气减压流量计选择时，应注意表计调节要灵活，并且气压也应相对稳定，输送氩气的管线胶管应无裂痕、无漏气问题，同时具备耐磨及柔软的特性。
2.2 按设计图纸加工坡口形状和尺寸
2.2.1加工要求
坡口加工应采用机械法，直管段加工前用槽钢做支架加固牢靠，以避免弯头切断时造成直管段移位，增加对口难度。坡口角度选择的是双V坡口，修整坡口过程中，可以选择轻便工具，如角向砂轮机等。
注意将坡口处杂物清理干净，例如坡口位置处的氧化皮、油漆以及铁锈等，使其露出金属光泽，以保证焊接效果。
需要控制管子内壁错口值≤1mm,确保管子内壁不会存在严重的凹凸不齐问题，管道坡口截面应平整，应保证两管间隙均匀。对口间隙：3-4mm，顿边高度1-2mm。不得强力对口，以减少附加应力。此外，坡口钝边厚度应≤1.5mm，以保证根部的良好熔合。设计图纸加工坡口形状和尺寸如图1所示。
图1 双Ⅴ形坡口图
2.3 焊接材料
2.3.1氩气
准备普通氩气5瓶，高纯氩气2瓶，使用前需要对氩气质量进行严格检查，如，检查瓶体上是否存在出厂合格证明，以保证纯度在国家标准要求范围内。高纯氩气纯度含量要求达到99.999％，普通氩气纯度含量要求达到99.95％（气体保护用）。
2.3.2氩弧焊丝、焊条
选择焊材时应注意其化学成分和力学性能、工艺性能等，这是获得优良的焊缝金属成分、组织和力学性能的前提。经过比较，我们选用了ER90S-B9(Φ2.4mm)焊丝和E9018-B9-H4（Φ2.5mm、Φ3.2mm）焊条。其化学成分如表3和表4所示。
表3 ER90S-B9材料的化学成分 ％
C Mn Si Cr Mo V Ni N Nb S P Cu
0.100 0.49 0.26 8.95 0.95 0.207 0.64 0.045 0.077 0.005 0.009 0.047
表4 E9018-B9-H4材料的化学成分 ％
C Si Cr Mo V Ni N Nb S P Cu
0.081 0.34 9.50 0.95 0.20 0.022 0.045 0.063 0.005 0.007 0.028
氩弧焊丝使用前需要查看其表面是否干净，需要将污垢等污染物去掉。
焊条使用前，应严格按照说明书中的要求，放置于烘焙箱中烘焙。在350-380℃温度下，烘焙2h。使用过程中，需要将其放在温度在80-120℃范围内的便携式保温筒内，保温桶带有加热功能，随取随用。
2.3.3钨极
氩弧焊用的钨极宜选用铈钨极，直径为Φ2.5mm。使用前需要将其端头出磨成适于焊接的尖锥体。
2.4 防止根部氧化的双保险：背面充氩+免充氩保护剂
为防止P91钢焊缝根部与次根部发生氧化，当氩弧焊打底与电焊填充第一层时，需要进行管内充氩保护。具体的保护范围是以坡口轴向中心为基准，每侧各250-300mm处贴包装硬纸，用耐高温胶带粘牢固，做成密封气室，在弯头和直管段坡口边分别涂上免充氩焊剂做双重保护。
采用3根“扁不锈钢管”从坡口间隙充氩。焊接前，需要预先通入5-15分钟的氩气，从而将道内空气排除，可通过打火机测试排气结果。
2.5焊前预热
为保证焊接质量，需要通过电脑温控仪进行全过程跟踪控温，层间温度应在300℃之下，同时注意不可低于预热温度。采用K型镍铬电阻合金热电偶，在管道外侧布设热电偶，5G位置，设于12点及6点两只热电偶，2G位置，两只热电偶对称布置。手工氩弧焊预热150-200℃恒温一定时间，使内外壁温差小于30℃方可焊接。若温度过高则不利于焊工操作，易产生夹丝、未焊透缺陷，还会加重根部氧化。
3 焊接施工过程
3.1 定位焊
壁管采用定位块进行点固，定位块选用更换下来的SA335-P91弯头。点固前可以用过火焰加热点固区域，使其温度在100-150℃。对口点固工作完成后，需要检查对口间隙以及平直度，若符合要求后，才可以进行预热和钨极氩弧焊封底焊接。若施焊过程中出现操作不便的问题，可以利用机械将点固块去掉，同时将焊疤打磨干净，详细检查各焊点处母材，不能存在未熔合气孔以及裂纹等不良问题。
3.2 GTAW打底焊接
GTAW焊接采用直流正接法，从管口底部的中间开始引弧焊接。具体参数见表5。选用两层氩弧焊打底，能够有效避免打底焊缝被烧穿；因为氩弧焊焊接线能量较小，可以降低氧化程度。若选择一层氩弧焊打底，需要保持焊缝厚度超过3mm，最佳取值范围应为3.3-3.5mm，以此防止根部出现收缩沟。
表5 打底焊焊接工艺参数
钨极 焊接电流(A) 焊接电压(V) 焊接速度
(mm/min) 正面保护Ar(L/min) 背面保护Ar(L/min)
Wce-20 95-115 9-11 60-80 8-10 8-12
施焊环节，应做好充氩工作。由于P91钢存在较高的合金含量，根部焊缝很容易出现过烧及未熔合问题，因此有较高的背部充氩保护要求。P91钢打底焊工作较为重要，打底焊质量会直接影响到背部充氩保护质量。为减少氩气的溢出，整个焊口可利用保温棉封堵，逐段进行焊接。
打底焊接时，不可以选择一般钢材焊接方式，送丝应均匀，不能为突出根部一味的增加送焊丝的力量，否则根部焊缝出现未熔焊丝头。收弧过程中应降低焊接电流，先填满弧坑再向坡口边沿收弧，因此避免出现弧坑裂纹。
焊接环节需要保证焊接的对称性，将重点放在5G位置焊口的焊接顺序上：依据热量向上传递特点，焊接环节一名焊工需要从六点钟位置顺时针进行焊接，另一名焊工需要从三点中位置逆时针进行焊接，层间温度超过300℃时，需要待温度下降至300℃之下再继续焊接。
3.3 SMAW填充盖面
SMAW采用直流反接法，焊条电弧焊焊接工艺参数见表6。SMAW焊接第一层时将温度升至200-300℃；焊接环节应使两侧坡口的良好融合，防止产生未熔合情况；保证接头收弧质量，收弧工作应在熔池边缘处进行，同时为防止出现弧坑裂纹，需要将弧坑填满。第一层用Φ2.5焊条，其他用Φ3.2焊条。尽可能选择小规格焊条，从而降低晶粒粗化程度。采用多层多道焊，接头要错开，焊道顺序见图2。
表6 焊条电弧焊焊接工艺参数
焊层 焊条规格mm 焊接电流/A 焊接电压/V 焊接速度mm/min
填充层 Φ2.5 70-90 20-24 50-85
填充层 Φ3.2 110-115 20-25 60-95
盖面层 Φ3.2 115-120 20-25 60-95
图2焊道顺序图
P91钢应选择小的焊接线能量，并且通过多层多道焊的方式。这种焊接方式下，会起到细化晶粒的作用。不过焊道有相应的排列顺序，需要先从两侧开始，最后焊接中间，横焊呈交错排列。
通常应将焊层厚度控制在焊条直径大小，焊道宽度不可超过焊条直径四倍，最好是在焊条直径的3倍左右。焊接过程中，若焊层过厚、焊接电流过大，会使晶粒粗化，影响到接头性能。
第一道焊缝进行电焊填充时，可选择小规模焊接的方式，避免烧穿打底焊缝。为防止弧坑裂纹的出现，每次收弧之前，应先衰减电流并将熔池填满。可利用角磨机做好层道间的清渣工作，不能用榔头对着焊缝敲击，以免出现裂纹。
氩弧焊打底结束后应立即开展电焊填充及盖面操作，主要是由于氩弧焊打底过程中层间会有一定的温度，这时进行电焊填充及盖面不会产生裂纹问题。层间温度应控制在200-300℃范围内，两人对称焊接。在保证熔化良好的前提下，尽量减少焊接电流，除第一层外，采用多层多焊道焊接手段，实际焊接环节每次焊道接头应错开一段不少于10mm的距离，并且，还需要保证焊的平滑，从而防止出现死角，也会便于清渣工作的开展。
焊接环节应注重层间检查及清理工作，特别是焊道两侧及接头位置处的处理，将熔渣清除干净，不能存在夹渣以及未熔合等问题，焊接应逐层进行，待上层合格后才可进行下层焊接。首先进行填充焊接，使之达到坡口面1-2mm，再进行盖面层焊接，这一步骤开始前，需要检查填充焊是否具备较好的平整度，若存在低于坡口面2mm的位置，应进行补焊。此外，焊接电流不可过大也不可过小，大小应适中，如果电流不当，会影响熔池流动性，会出现未熔合、未焊透以及夹渣等问题。在熔池清晰的情况下，会有效降低焊层厚度、加快焊接速度。
4 焊后热处理
依据DL/T869-2012规范中关于9Cr钢热处理的相关要求，确定出了热处理工作的实际操作步骤。开展热处理工作前，应留出一段低温等待时间，将温度控制在100℃左右，保持时间在1至1.5小时范围内，从而保证产生马氏体组织，达成目的后需要及时做出高温回火处理，通过以上操作得到回火马氏体组织。需要着重注意以下内容：焊接热处理保温厚度不超过80mm,保温层外表温度以不超过60℃为宜；热处理加热温度应保持在750～760℃范围内；热处理的保温宽度不可过小，从焊缝中心位置算起，每侧宽度应大于等于管道壁厚的9倍；升温速度保持在每小时150℃；从焊缝中心位置处计算，每侧加热宽度应大于等于管道壁厚的7倍；当温度降至300℃之下时，可以不进行控制；为保证热处理测温的准确可靠，可选择自动温度记录的方式；对于焊接接头而言，应保持3h的焊后热处理恒温时间；在管道外侧布设热电偶时，应选择捆扎式布设方式，并且应为两点以上按圆周对称方式分布在焊缝中心周围。根据计量相关要求，检验或标定所用附件、热电偶以及仪表，热处理相应曲线详见图3。
图3热处理相应曲线
5 焊后检验
实施以上详细工艺后，更换的弯头经检测，焊缝组织均为晶粒细小的板条状马氏体，焊缝硬度值HB均在250之下，均达到规范要求。所有焊口按照NB47013.3超声探伤结果均为Ⅰ级，检验结论合格。
6 结论
本文研究的SA335-P91弯头的焊接工艺从根本上消除了发电机组检修中发现的SA335-P91主蒸汽管弯头组织变化、硬度降低的问题，消除了不安全隐患。
参考文献：
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作者简介：祝春兰（1977—），女，江苏海安人，本科，高级实习指导教师，主要从事焊接理论教学工作。
