P91焊接工法

P91焊接工法

中冶集团华冶资源开发有限责任公司 栗素霞

1前言

随着我国电力工业的进步，超高参数、亚临界参数和超临界参数机组正在不断兴建，高合金耐热钢（P91、P92等）是这类机组中锅炉过热系统和主蒸汽系统必不可少的钢种。我公司在安装高参数和超高参数机组中所采用的钢号P91，标准号ASTM-A335，属于高合金耐热钢，是近十多年来国际上新研制出来的用于高参数以上火电厂的新型钢种。

所谓P91管是一种高合金高强度马氏体耐热钢，源于化学名称9Cr1Mo，与其它耐热钢比较，其优点是：（1）有很高的耐热度，允许工作壁温≤600℃（即蒸汽温度可超过600℃）；（2）有很高的强度，在壁温≤600℃时能满足亚临界压力的安全运行；（3）有较小的弹性模量，作为主蒸汽管有较小的热应力。P91钢材的焊接性能较差，在不预热的情况下焊接裂纹100%，在预热200℃以下焊接时，接头表面和内部均会产生裂纹，具有较大的冷裂倾向。在合适的预热温度下焊接时，如层间温度控制不严仍会产生裂纹，并影响机械性能。采取预热措施防止产生裂纹后，如热处理不当，其机械性能试验不会合格，焊缝不能承受高温高压。焊接过程中，必须一次焊成，在常温和亚预热状态下无返修可能。预热、焊接和焊后热处理是本工法的关键。

2工法特点

2.0.1 工艺技术先进，确保焊接质量

本工法采用焊前预热，焊后热处理，并严格控制层间温度的特殊工艺技术，确保了焊接质量，其经济性、适用性和可操作性强。 2.0.2 焊接工艺科学合理

本工法制定了P91钢管的特殊焊接工艺，重点、难点突出，针对性强。

3适用范围

本施工方法适用于高参数、超高参数和亚临界参数的火力发电厂特殊高合金耐热钢材的焊接，也可供其它合金钢材焊接参考。

4工艺原理

9Cr-1Mo-VP91是一种从日本进口的高强度马氏体耐热钢，可焊性差，冷裂性强，预热、焊接、热处理工艺要求严格。

管道全部坡口用机械加工，人工修理，用模具检验，坡口形式为U形；管道装配时确保对口间隙尺寸及内壁平齐，如有偏差时（管子不圆及壁厚不均匀）应修理达到焊接要求。 预热用电脑自动控制加热器，预热温度在两端设多个测点，测温用热电偶温度计，连续记录，并用红外线温度计校核。

焊接采用氩弧焊打底电焊盖面，氩弧焊打底时采用背面充氩，防止根部氧化。所有焊缝均为多层多道焊，氩弧焊丝用日本焊丝TGS-9CB/φ2.4，焊条用日本焊条CM-9CB/φ3.2。焊接过程中严格控制层间温度。

预热用电脑自动控制加热器，热电偶测温，按热处理曲线设定升温速度、保温时间和降温速度，电脑自动记录。

预热和热处理保温材料用硅酸铝纤维毡。

5施工工艺流程及操作要点

5.1 P91管道焊接工艺流程

5.2 操作要点

工程焊接主蒸汽母管有P91—12r1MoV异种钢过渡焊口、主蒸汽母管P91焊口及主蒸汽母管至汽机主汽门前支管P91焊口、支管与主汽门P91—12r1MoV异种钢过渡焊口，以及疏水、仪表P91—12r1MoV异种钢过渡焊口，全部焊口焊前预热、焊后热处理，100%无损探伤检验。全部焊口为固定焊口。

U型坡口 双V型坡口 5.2.1 P91管道焊接工艺：

所有焊缝均为氩弧焊打底手工电焊盖面。 5.2.1.1 P91管焊接工艺：

（1）焊口整体预热采用电加热方法，预热达到设定温度后应即进行焊接。 （2）引弧，为防止在引弧时焊缝夹钨，最好用引弧板，或者采用高频引弧。

（3）点固焊焊缝要仔细检查，与正式施焊时相同，发现点固焊有质量问题时及时进行处量。

（4）焊接顺序如下：

12122121

水平固定焊口 垂直固定焊口

（5）焊接规范：

焊接采用多层多道焊的方法，规范参数如下： 焊道 1-2 3-9 焊接 方法 GTAW SMAW 焊丝（条） 型（牌）号 TGS-9CB CM-9CB 直径 （mm） φ2.4 φ3.2 极性 正 反 电流 （A） 90-120 95-120 电压（V） 8-10 19-24 焊接速度 （cm/min） 4-6 5-7 注：氩弧焊打底焊接时氩气流量：8-12L/min。 （6）为了防止产生根部未焊透等缺陷，焊前采用管内焊口反面充氩的焊接工艺，在管道焊口每侧300-500mm处粘两层牛皮纸密封，利用φ22钢管作气管对焊缝进行充氩，氩气流量为10-20L/min,在打底和第一道填充时保持8-10 L/min，焊口用保温棉条密封，从焊口处充氩时，用燃烧的打火机或火柴检查第一点口处，熄灭则充氩完，打底焊接过程中随焊随揭起密封棉条（主要是节约氩气）。

管内充氩装置示意图

（7） 打底完后进行电焊填充焊接，采用多层多道焊接，两人对称焊接， ①每焊完一层后，必须将焊渣彻底清理干净，消除缺陷后再继续焊接。

②每层的焊接厚度不得超过3-4mm，焊条的摆动宽度不得超过焊条直径的4倍。

③施焊过程中，应特别注意接头和收弧质量，收弧时应将熔池填满。每层焊缝的接头要错开，同一层的两道焊缝的接头也要错开。 5.2.2 P91管道焊缝热处理

5.2.2.1预热温度：氩弧焊和电焊预热温度均应达到设定温度后才能施焊。

5.2.2.2层间温度：对温度的控制，除以热电偶进行自动控温外，现场辅以远红外测温仪进行监控，保证控温准确。

5.2.2.3 焊后缓冷至预热温度下限，保温1-2小时后以升温。

5.2.2.4 焊后热处理温度：升温至设定温度；恒温时间：≥4h。升降温速度为≤150℃/ h（升降温速度根据壁厚确定）。

5.2.2.5焊后不能及时进行热处理的进行后热处理，后热处理是在300-350℃下恒温2个小时，升降温速度为≤150℃/ h。（宜尽量避免不能及时热处理，除非有不可抗拒的客观原因。） 5.3 P91/12Cr1MoV焊接及热处理工艺 5.3.1焊接材料：焊丝TIG-R40 焊条R407 5.3.2焊接规范： 焊道 1-2 3-10 焊接 方法 GTAW SMAW 焊丝（条） 直径 型（牌）号 （mm） TIG-R40 R407 φ2.4 φ3.2 极性 正 反 电流 （A） 90-120 95-120 电压 （V） 8-12 19-24 焊接速度（cm/min） 4-6 5-7 注：氩弧焊打底焊接时氩气流量：8-12L/min。

5.3.3在氩弧焊打底和电焊第一道采用反面充氩工艺，与P91反面充氩工艺相同。

5.3.4热处理规范：

5.3.4.1预热温度：氩弧焊和电焊预热到设定温度后方可施焊。

5.3.4.2层间温度：对温度的控制，除以热电偶进行自动控温外，现场辅以远红外测温仪进行监控，保证控温准确。

5.3.4.3焊后缓冷至预热温度下限，保温1-2小时后以升温。

5.3.4.4焊后热处理温度：升温至设定温度；恒温时间：≥4h。升降温速度为≤150℃/ h。 5.3.4.5焊后不能及时进行热处理的进行后热处理，后热处理是在300-350℃下恒温2个小时，升降温速度为≤150℃/ h。（宜尽量避免不能及时热处理，除非有不可抗拒的客观原因。）

热处理曲线示意图

5.4 焊接及热处理保证措施 5.4.1 现场焊接条件保证

为确保焊接质量一次合格，首先要保证焊接条件与试验焊接条件一致。每道焊口均搭设防风棚，防止冷风侵入，探伤合格后拆除。焊机、加热器、烘干箱从试验室搬到现场。 5.4.2人员心理保证

焊接人员，包括焊接技术人员、焊工和热处理工，在试验条件下操作时，不合格可以再来，在工程焊接时则不允许有返工和返修，因此，他们的心理素质必须调整到最平和状态，不慌不忙，从容不近，细致稳妥。 5.4.3严格控制焊接数据

要保证一道焊缝一次合格，有许多参数必须严格控制，如棚内温度，坡口尺寸复测和手工修理，对口间隙，焊条烘干温度和时间，预热升温速度和最终温度，层间温度，焊接层数和道数，焊工运条方式、角度和速度，氩气压力和流量（特别要注意反面充氩），焊接电流、电压，层间处理消缺，焊后热处理升温速度、保温时间、降温速度等等。这其中只要有一处稍有不慎，就可能产生超标缺陷，导致返修。 5.4.4 跟踪检查质量

为了保证焊接及热处理质量，现场及时跟踪无损检测，壁厚大于等于20mm的焊缝，因双壁透照超过了探伤机的能力，100%超声波检测；壁厚小于20mm的焊缝100%射线检测。焊缝及母材100%光谱复检，焊缝及母材100%硬度检测，母材100%测厚检查。另外，业主要求焊接的两个试件除了做以上的无损检测外，公司还进行了焊缝及母材的力学性能试验和金相试验，探伤检查、力学性能试验、金相试验一次合格率为100%。 5.4.5管材、管件、管接座、阀门到货后检测

管道和附件的材质是保证焊接一次合格的关键之一，管材、管件、管接座、阀门到货后进行100%光谱复检、测厚检验、硬度检验、及尺寸检测和坡口检测，在测量过程中如发现管子弯曲度、不圆度超标，管子、管件、阀门硬度不均匀严重超标，要求制造厂返厂处理，

坡口不合格时则现场修理。

6材料及设备

6.0.1主要材料

①焊条采用日本进口的CM-9CB焊条，焊丝采用日本进口的TGS-9CB焊丝，P91和12Cr1MoV异种钢焊接的焊条是上海电力修造厂生产的R407焊条和TIG-R40焊丝。

②热处理过程中的消耗材料主要有： A 预热电阻加热带 B 绳状电阻热器 C 干式针丝毯 D 电阻加热带接头 E K分度铠装热电偶 F 保温棉若干。 6.0.2设备投入

氩弧焊机、直流焊机，DWK-E型多功能电脑控温仪、远红外线测温仪、φ100角向磨光机、焊条保温桶、射线探伤仪、超声波探伤仪、光谱分析仪、硬度检测仪和焊条烘干箱。

7质量控制

7.1质量标准

7.1.1 《蒸汽锅炉安全技术监察规程》

7.1.2 《火力发电厂焊接技术规程》 （DL/T869-2004） 7.1.3 《焊接工艺评定规程》 （DL/T869-2004） 7.1.4 《火力发电厂异种钢焊接技术规程》 （DL/T752-2001） 7.1.5 《管道焊接接头超声波检验技术规程》 （DL/T820-2002） 7.1.6《钢制承压管道对接焊接接头射线检验技术规程》（DL/T821-2002） 7.1.7《火力发电厂焊接热处理技术规程》（DL/T819-2002） 7.1.8《电力建设施工及验收规范》（管道篇） 7.2 质量措施

7.2.1 焊工、探伤工、热处理工持证上岗。 7.2.2 测温仪器必须准确、可靠和自动记录。 7.2.3 制定焊接作业指导书。 7.2.4 保证氩气纯度。

7.2.5 焊条、焊丝与母材相匹配，且有合格证和使用说明书，焊条按说明书要求烘干，保温使用。

7.2.6 精心处理坡口尺寸，清理坡口油污、杂质，确保对口间隙，保证反面成形良好。 7.2.7精心安装热电偶，确保温度测量实际、准确，用红外线温度计补充检测，严格控制温度误差。

7.2.8 焊接过程中严格控制预热温度、层间温度。。 7.2.9 搭设防风棚。

7.2.10检查反面充氩确认无空气后才能打底焊。 7.2.11控制焊接线能量（电流、电压、速度），经试验确定焊接参数后不得随意变动。 7.2.12每焊一层，将该层缺陷彻底清理后才焊次一层。 7.2.13母材和焊材在焊前焊后均100% 作光谱检验。 7.2.14无损探伤100%。

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