(中国电建集团核电工程公司山东省济南市250000)
摘要:大型电站锅炉过热器、再热器及主蒸汽管道广泛采用T91/P91耐热钢,经过多年对其进行焊接工艺评定测试,国内其焊接工艺已基本成熟,焊接工艺及参数通过优化和总结,施工、检修质量得以进一步提高。本文对T91/P91钢焊接工艺进行浅析,积累了一定经验。
关键词:T91/P91钢;焊接工艺;研究
1T91/P91钢的焊接性能
T91/P91钢是在9Cr-1Mo钢基础上通过加入Nb、V、N等合金元素而形成的新型耐热钢,具有良好的抗蒸汽氧化能力,疲劳性能,蠕变强度和运行温度下组织稳定性好等特点。该钢焊接性的主要问题是冷裂纹敏感性较强,以及一定的热裂纹倾向,同时也不可忽视接头性能的弱化(焊缝区韧性恶化和热影响区的软化),易出现冷裂纹、焊接接头脆化、HAZ区软化等间题,合理的焊接工艺是控制和改善该钢焊接性的重要技术手段。焊接时应该严格控制预热和层间温度,采用较小的焊接线能量和多层多道焊,焊后热处理的保温时间适当延长,有利于焊接接头常温冲击韧度的提高。
2T91/P91钢的焊接要点
焊接工艺主要采用两种方法:一是全氩弧焊(TIG打底+TIG填充);二是氲弧焊(TIG)打底+焊条电弧焊(GTAW)填充。其焊接工艺要点如下:
2.1采用正确的坡口外形和尺寸。
2.2选用合理的焊接材料(TIG焊丝和填充电焊条)。
2.3选用正确的焊接规范(包括焊丝及电焊条牌号和直径、钨极直径、焊接电流、氩气流量、电源极性、焊缝层数及道数等)。
2.4选用正确的工件预热温度、焊缝层间温度。
2.5选用合理的焊后热处理规范(包括升降温速度、回火温度及保温时间等)。
2.6坚持正确的接头装配定位焊和熟练、高超的手工操作技能等。
3施焊前准备工作
3.1焊丝去除表面的油、垢及锈等污物,露出金属光泽。焊条经过35O℃烘焙1.5-2h,置于8O-10O℃保温筒内,随用随取。
3.2坡口制备关键注意两点:钝边厚度不超过2mm,以防铁水流动性差而造成根部未熔合;坡口及其内外两侧15-2Omm范围内打磨至露出金属光泽。
3.3焊接设备选用带衰减的逆变式直流弧焊机。
3.4对口
3.4.1T91/P91钢在不预热条件下焊接裂纹可达10O%,所以不得在管道上焊接任何临时支撑物,不得强行对口,以减少附加应力。
3.4.2小口径管道对口间隙控制在1-2mm之间,大口径管道对口间隙控制在3-4mm之间;间隙太大,不易操作,容易产生未熔焊接接头,间隙太小,易产生未焊透的焊接缺陷。
3.4.3对口方法:利用夹具固定焊口时,焊前预热温度需比所定参数提高50℃。
4焊接方法浅析
4.1焊接方法:常采用TIG+SMAW。
4.2焊前预热
4.2.1氩弧焊打底时预热温度取160-180℃,温度过高不利于焊工操作,易产生夹丝、未焊透缺陷,还会加重根部氧化。
4.2.2电弧焊填充时,道间温度控制在280-320℃之间,T91/P91钢的MS点转变温度大约在380℃左右,预热温度选在28O-320℃,即MS点温度附近,既能保怔高温停留时间短,又能使马氏体转变时冷速缓慢,并形成自回火马氏体,解决了既要采用小参数,又不能让焊缝冷速太快的矛盾。该种钢的焊条在300℃左右的预热温度下,有最佳的操作性能,熔滴过渡及铁水流动性和飞溅都明显改变。
4.3TIG打底焊
4.3.1为防止T91/P91钢焊缝根部氧化,焊前在管内充氩保护。充氩保护范围以坡口轴向中心为基础,每侧各25O-30Omm处贴上两层可溶纸。用浆糊粘住,做成密封气室。利用细铜管把头敲扁插人焊缝内(有探伤孔的管道可从探伤孔充氩),大管流量为20-30L/min,小管流量一般为10-15L/min。充氩时,当感觉氩气从焊缝间隙轻微返出时(也可用打火机是否熄灭来判断),用石棉条将焊口间隙堵住,此时将氩气流量减少1/3,流量过大会产生内凹的缺陷。焊一段石棉条拔开一段。
4.3.2采用两层TIG打底,通过减少热输入,可有效地降低根部焊缝氧化程度,保证打底质量。
4.3.3操作上应特别注意收弧质量,收弧时先将焊接电流衰减下来,填满弧坑后移向坡口边沿收弧,以防产生弧坑裂纹。
4.3.4TIG焊工艺参数:钨极选用WCe-2250,焊接电流95-115A,焊接电压9-11V。
4.4SMAW焊
4.4.1SMAW焊应注意道间温度的控制,采用小参数、多层多道焊。
4.4.2焊层厚度以等于焊条直径为宜,焊道宽度以焊条直径的3倍为宜,严格控制焊接热输入,中间填充层宜采用Φ3.2mm的焊条,最后两层使用Φ4.0mm的焊条。焊接热输人对焊缝冲击韧度有很大影响,切忌使用大参数。每根焊条收弧都用衰减电流,待熔地填满后再收弧,以防产生弧坑裂纹。
4.4.3用角磨机或钢丝刷彻底清理道间焊渣及飞溅,特别是焊缝接头处和坡口边缘处;清理时不可用榔头、錾子过重敲击焊缝。
5焊接及焊后热处理
5.1T91焊后热处理温度为760±10℃,热处理升降温速度当δ<25mm时为150℃/h、δ≥25mm时为100℃/h。
5.2恒温时间:当δ<12.5时恒温1h,当12.5≤δ<25时恒温2h,当25≤δ<37.5时恒温3h。
5.2.1焊接完毕需在100-120℃的温度下恒温1h,将残余奥氏体(A)全部转变为马氏体(M)后,才能进行升温热处理。
5.2.2恒温时间按壁厚的不同在各范围内取值,壁薄的取下限,壁厚的取上限。
5.2.3上述恒温时间比一般参数延长,试验证明,恒温时间的适当延长,有利于冲击韧度的明显提高,通过延长恒温时间可解决T91/P91钢焊接接头常温冲击韧度低的问题。
5.3回火温度热处理为高温回火,最佳回火温度为760±10℃。
6结论
T91/P91钢焊接性的主要问题是冷裂纹敏感性较强,以及一定的热裂纹倾向,焊接方法和焊接材料确定以后,获得优质接头的关键措施是焊前预热、控制层温,以及“及时有效”的焊后热处理等,合理的焊接工艺是控制和改善该钢焊接性的重要技术手段。该焊接工艺主要应用于电厂主蒸汽管道、过热器和再热器管道的焊接,各项技术指标完全符合要求。随着T91/P91钢的大量使用,制定出符合钢材性能的最优焊接工艺和规范,直接用于电力行业的安全生产建设,避免各生产单位重复性的工艺评定试验和避免锅炉爆管事故,具有很好的经济效益和社会效益。