A335-P91材料管道焊接

1、华夏监理专用课件禁止外传前言：前言：9Cr1Mo（SA335P91SA213T91）钢是美国于七十年代末八十年代初开发的新型马氏体耐热钢，以其热膨胀系数，弹性模量、蠕变性能以及抗氧化性等多方面的优胜在许多国家的电站的主蒸汽管道中得以广泛的应用。由于其材料特殊性，焊接工艺、热处理的特点需要在施工过程中摸索，而且管道对口、安装顺序对焊接质量也起着关键作用。为保证P91钢管道的焊接工艺和焊接质量达到要求，首先必须制订出P91钢焊接工艺、安装要求，做为指导焊接工艺评定及现场焊接施工的依据，在现场施工过程中严格执行工艺要求。一一管道材料特性分析管道材料特性分析P91合金管钢相当于国标10Cr9Mo1VN

2、b。该钢是在9Cr-1Mo的基础上，适当地降低了C、S、P含量，添加微量的V、Nb、N元素，其化学成分和常温力学性能见表1，表2.与P91钢对应的德国钢号为X10CrMoVNNb91，日本钢号为HCM95，法国则为TUZ10CDVNb0901表1 P91钢的化学成分（%）材质材质化学成分化学成分A335-P91CMnPSSiCrMo其他0.18-0.120.30-0.600.020.010.02-0.508.00-9.500.85-1.05V 0.18-0.25；N 0.030.07；Ni0.40；Al0.02；Ti0.01；Zr0.01；Nb 0.06-0.10表表2 P912 P91钢的常

3、温力学性能钢的常温力学性能标标 准准屈服极限屈服极限0.2(MPa)0.2(MPa)抗拉强度抗拉强度b(MPa)b(MPa)延伸率延伸率5(%)5(%)硬度硬度（HB）SA-335 P9141558520250P91合金钢管特点：合金钢管特点：不仅具有高的抗氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀性能，而且还具有良好的冲击韧性和高而稳定的持久塑性及热强性能。在使用温度低于620时，其许用应力高于奥氏体不锈钢。在550以上，推荐的设计许用应力约为P9和2.25Cr-1Mo钢的两倍。P91合金管在不预热条件下进行焊接时，产生裂纹的机率是100%。可以说P91合金钢管具有较大的冷裂纹倾向,一般认为当预热温度提高到2

4、00250时，就可有效避免冷裂纹的产生。由于P91材料焊接工艺特性的要求，往往业主、监理对其焊接的整个过程严格控制，在对口、预热、点固焊、GTAW封底焊接、SMAW焊接、层间温度、层间厚度、根层探伤、外观检查、最终热处理、无损检验等多道工序进行监控。 P91材料焊接时存在的问题材料焊接时存在的问题 1、热影响区淬硬组织的产生热影响区淬硬组织的产生 P91材料，高温下奥氏体十分稳定，要冷却到较低温度(约400)才能变为马氏体。粗大的马氏体组织脆而硬，接头又处在复杂应力状态下。同时，焊缝冷却过程中氢由焊缝向近缝区扩散，氢的存在促使了马氏体脆化，其综合作用的结果，很容易在淬硬区产生冷裂纹。 由于热影

5、响区的各种组织具有不同的密度、膨胀系数和不同的晶格形式，在加热和冷却过程中必然会伴有不同的体积膨胀和收缩；另一方面，由于焊接加热具有不均匀和温度高的特点，故而P91焊接接头内部应力很大。 2 2、热影响区、热影响区晶粒晶粒长大长大焊接热循环对焊接头热影响区的晶粒长大有重大的影响，特别是紧邻加热温度达到最高的熔合区。当冷却速度较小时，在焊接热影响区会出现粗大的块状铁素体和碳化物组织，使钢材的塑性明显下降；冷却速度大时，由于产生了粗大的马氏体组织，也会使焊接接头塑性下降。总的来说，总的来说，P91P91钢的焊接，主要需注意两方面的问题，钢的焊接，主要需注意两方面的问题，一是防止焊缝和热影响区脆化及

6、裂纹，在热影响区或焊缝金属中尽量减小粗晶区；二是减少拘束度，从而降低焊接接头残余应力，防止产生裂纹。合金元素在合金元素在P91P91钢中的作用：钢中的作用：1.碳是钢中固溶强化作用最明显的元素，随含碳量的增加，钢的短时强度上升，塑性、韧性下降，对P91这类马氏体钢而言，含碳量的上升会加快碳化物球化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低钢的焊接性、耐蚀性和抗氧化性，故耐热钢一般都希望降低含碳量，但含碳太低，钢的强度将降低。P91钢与12Cr1MoV钢相比，含碳量降低20%，这是综合考虑上述因素的影响而决定的。2.P91钢中含微量氮，氮的作用体现在两个方面。一方面起固溶强化作用，常温下氮在钢中的溶

7、解度很小，P91钢焊后热影响区在焊接加热和焊后热处理过程中，将先后出现VN的固溶和析出过程：焊接加热时热影响区内已形成的奥氏体组织由于VN的溶入，氮含量增加，此后常温组织中的过饱和程度提高，在随后的焊后热处理中有细小的VN析出，这增加了组织稳定性，提高了热影响区的持久强度值。另一方面，P91钢中还含有少量A1，氮能与其形成A1N，A1N在1 100以上才大量溶入基体，在较低温度下又重新析出，能起到较好的弥散强化效果。3.加入铬主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力，含铬量小于5%时，600开始剧烈氧化，而含铬量达5%时就具有良好的抗氧化性。12Cr1MoV钢在580以下具有良好的抗氧化性，腐蚀

8、深度为0.05 mm/a，600时性能开始变差，腐蚀深度为0.13 mm/a。P91含铬量提高到9%左右，使用温度能达到650，主要措施就是使基体中溶有更多的铬。4.钒与铌都是强碳化物形成元素，加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物，有很强的弥散强化效果。5.加入钼是为了提高钢的热强性，起到固溶强化的作用。6.P91钢靠合金化原理，尤其是添加了少量铌、钒等微量元素，高温强度、抗氧化性较12 Cr1MoV钢有较大的提高，但其焊接性能较差。P91焊后热处理前，必须冷却至100150 ，保温1 h；回火温度730780 ，保温时间不少于1 h。二、现场施工要求二、现场施工要求1、对P91钢的管道系统

9、施工采用单方向施工，即至少总保持一端为自由伸缩端，以便于减小管道系统的应力，防止焊接是产生裂纹。2、对口装配要求采用机械对口卡具，不建议采用门型块电焊固方法进行焊口点固。3、严禁在坡口及管道上任意引弧和电弧擦伤，严禁损伤母材。4、P91钢焊接时最低环境温度应在5以上为宜，环境温度低于此温度时，严禁焊接，必要时一定要采取特殊措施。采取有效的防风、防雨措施，严禁在雨、雾等不良天气条件下进行焊接及热处理工作，以防止冷裂纹产生，提高焊接质量。5、必须保证焊接、热处理的连续性，避免由于以外断电导致焊接及热处理非正常中断。现场配备两路专用电源，其中一路为备用。6、充氩装置需要耐高温，要有较好的密封性，并且

10、易于取出和安装。在整个预热、焊接、热处理过程中，保留充氩装置，即可防止管道内穿堂风，又可在焊接区域形成封闭气室，起到保温和减小内外壁温差的作用。若出现不合格焊口，而且缺陷出现在根部或近根部，则焊缝进行返修时，仍需充氩保护。2.1 2.1 焊接方法选择焊接方法选择目前，P91钢管道的焊接一般采用GTAW+SMAW和GTAW+GMAW的焊接方法；要求焊前预热及焊后热处理，均采用远红外电加热；为防止根部氧化，要求背部充氩保护；焊接完成后焊缝要求进行100%无损探伤（通常RT），另做100%表面探伤（PT）检验。2.2坡口形式选择及加工坡口形式选择及加工坡口一般采用V型或VU坡口，其间隙、钝边、坡口角

11、度如图：坡口的制备应以机械加工的方法进行。严禁使用热加工方法（火焰、等离子切割）下料。2.32.3焊口组对及点固焊口组对及点固管件对口时一般应做到内壁齐平，如有错口，其错口量应符合下列要求：对接单面焊的局部错口值不应超过壁厚的10%，且不大于1 mm。焊口禁止强力对口（冷拉口除外），更不允许热膨胀法对口，以防引起附加应力。点固对接焊缝时必须预热，点固焊时采用坡口内侧搭桥点固或加紧固板的方式，选用焊材与母材相同，且采用氩弧焊点固。2.4 焊缝背面焊接保护焊缝背面焊接保护焊口组对后，必须经过焊接质检员（或焊接技术人员）检查认可，并在工序交接单签字确认后，才能进行氩弧焊打底焊接。氩弧打底背部充氩 ：

12、由于SA335-P91为高铬合金钢，焊接时根部焊缝易氧化，因此在对口前必须做好根部充氩保护的措施。在坡口两侧约300-500mm的位置封堵，形成气室，封堵物用一铁丝系牢，焊接结束后，从管道开口端取出；可采用如下图方法加工堵板；焊缝坡口内用岩棉撕成条状封堵，以减少氩气的溢出。焊接前预先通入氩气515分钟，以排尽管道内空气。开始流量可为20-30L/min以排尽气室内空气，施焊过程中流量应保持8-10L/mi。 a背面充气装置简图b现场应用效果图焊缝充氩保护焊接装置示意图管内保护氩气的检验：管内保护氩气的检验：焊接前首先要对管内氩气纯度进行检验。检验方法：焊丝放在坡口内处在氩气保护下，用电弧将焊丝

13、端部加热至变红后迅速将焊丝伸到管内并将电弧熄灭，待焊丝端部温度降到室温后抽出观察焊丝端部的颜色来判断管内氩气的纯度。焊丝端部为银白色，说明管内气体为纯氩；金黄色说明管内氩气不太纯净，但也可以满足焊接需要。焊丝端部为蓝、灰、白等颜色说明管内氩气纯度不够，需要继续置换。 钨极端部磨制 焊丝端部合格 焊丝端部不合格a打底过程中温度测量b填充过程中温度测量图3焊前预热三三. .焊接过程焊接过程3.焊接预热及热处理采用微电脑程序控温柜，预热前检查设备是否完好，仪表件是否能正常使用，加热片、热电偶、线路、打印纸、墨水是否完好齐全。焊接过程中，氩弧焊预热温度200，焊接两遍。气保焊预热温度200-250，达

14、到预热温度后用测温枪检测预热温度。 预热时应在坡口两侧均匀进行加热，预热范围应为坡口中心两侧各不小于壁厚的5倍，要防止局部过热，加热区以外100mm范围予以保温。3.23.2氩弧焊焊接（氩弧焊焊接（GTAWGTAW）打底须进行）打底须进行2 2层，施焊中，应特别注层，施焊中，应特别注意接头和收弧的质量，收弧时应将熔池填满，多层多道焊的意接头和收弧的质量，收弧时应将熔池填满，多层多道焊的接头应错开，如下图；焊口打底效果如图接头应错开，如下图；焊口打底效果如图5.5.焊接层道示意图封底焊接效果图3.3 焊工打底完毕后，经检查无裂纹或其他缺陷方可使用焊条焊工打底完毕后，经检查无裂纹或其他缺陷方可使用

15、焊条电弧焊焊接，采取对称焊法，如电弧焊焊接，采取对称焊法，如下下图。图。焊工对称焊接3.4手工电弧焊时采用分道分层焊接，焊肉厚度不得超过3mm，宽度不得超过所使用焊条直径的3倍，焊条直径3.2mm,且采用回火焊道，焊件达到预热温度后及时进行焊接。3.5每道焊缝尽可能一次焊完。当中断焊接时对焊接接头采取300350、2h后热处理措施。恢复焊接时，检查接头无裂纹后再按焊接工艺要求重新预热、焊接。a水平口外观成型（中间道为回火焊道）b横口外观成型焊缝外观成形3.6焊接时应严格遵守焊接工艺卡规定的工艺参数，焊缝外形尺寸、焊缝表露缺陷和焊接角变形应符合DL/T869-2004规程要求： 3.7对接接头：

16、焊缝余高3mm（平焊位置不大于2mm），余高差2mm，焊缝表面不允许有深度大于1mm的尖锐凹槽，且不允许低于母材表面；焊缝每侧增宽2mm；角接接头：坡口角焊焊脚为2mm，焊脚尺寸差3mm3.8焊缝边缘应圆滑过渡到母材，表面不允许有未熔合、气孔、夹渣等缺陷；焊缝根部不允许有未焊透情况，内凹1.5mm。咬边深度0.5mm；焊缝两侧总长度焊缝全长的10%，且40mm。焊接角变形3/200。3.9 由于P91钢焊接时，熔池铁水粘度大，流动性差，要求焊接规范较小，因而容易出现夹渣、层间未熔合等焊接缺陷。为避免焊接缺陷产生及保证焊接接头的综合机械性能，必须采用多层多道、小规范进行焊接，每层厚度尽量减薄，焊

17、肉的厚度不宜超过所用焊条直径，焊条摆幅不超过焊条直径的3倍，每层焊道必须清理干净，尤其注意清理接头及焊道两侧，焊缝外表焊接完毕，要求焊工立即进行清理自检，发现外表成形不良马上修补，严禁在焊缝冷却后再直接补焊。3.10层间温度、焊接热输入量的控制要求比较高：为了获得满意的韧性，层间温度应小于300，由于SA335-P91钢的导热系数比较小，焊接热量比较集中，如层间温度达到300350，冲击韧性会大大降低，必须采用低的焊接输入热量的焊接工艺施焊，才能控制层间温度小于300，对于厚壁大管径的管道尽能可选用小的焊条直径，分道、分层进行焊接。3.11 加强对P91钢管焊接过程控制，从措施、人员、材料、设

18、备、对口、焊接、热处理参数、焊接接头表面质量、无损探伤、缺陷焊缝的返修等全方面加强监控。四、焊缝返修1焊接接头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。2经无损检验不合格的焊接接头，其缺陷可进行焊补，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。3返修焊补的焊接接头，一般同一焊口不得超过两次，否则应割掉重新对口焊接。4返修焊补的焊接接头，必须重新进行焊后热处理和无损检验。五五. .焊后热处理焊后热处理1.P91钢冷裂倾向较大，在一定条件下，容易产生延迟裂纹，故焊接接头必须在焊后24 h内进行回火处理。P91焊后状态的组织为板条状马氏体，经过回火可变为回

19、火马氏体，其性能较板条状马氏体优越。回火温度偏低时，回火效果不明显，焊缝金属容易时效而脆化；回火温度过高，接头又可能再次奥氏体化，并在随后的冷却过程中重新淬硬。同时，如本文在前面所述，回火温度的确定还要考虑接头软化层的影响。一般而言，P91回火温度为730780。2.P91焊后回火恒温时间不少于1 h，才能保证其组织完全转变为回火马氏体。3.为了降低P91钢焊接接头的残余应力，必须控制其冷却速度小于5 /min1、焊接接头的焊后热处理，应采用电加热片进行热处理，热处理前检查设备是否完好，仪表件是否能正常使用，加热片、热电偶、线路、打印纸、墨水是否完好齐全。2、加热时将热电偶与焊件表面贴紧。加热

20、元件布置的宽度比要求加热的宽度至少多出60mm。预热范围为坡口中心两侧各不小于3倍壁厚的区域，且不小于100mm。预热时在坡口两侧均匀进行，内外热透并防止局部过热。加热区以外100mm范围内采取保温措施。升温、降温速度不应大于150/h。3、热电偶布置在距对口中心50mm100mm范围内对加热温度进行测量。实时对加热温度要进行观测，并使用红外测温仪测量坡口温度，使其控制在100150。热热处理处理要求要求a控制柜b正在加热的焊口焊后热处理装置 焊接完毕需在 100120的温度下桓温 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。热处理的加热速率、冷却速率均不应大于150

21、/h。冷却至300后可自然冷却。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。上述恒温时问比一般资料的参数稍长，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T91P91钢焊接接头常温冲击韧度低的问题。回火温度热处理为高温回火，最佳回火温度为 760 10。时间(h)温度()100-150200-300100-12076010300150/h150/h1h六六. .无损无损及焊后及焊后检测检测无损检测无损检测（1）焊接接头的无损检测应在有记录的焊后热处理完毕24小时后进行。（2）所有承插焊和跨接三通支管的焊接接头及其他角焊缝，应采用100%磁粉

22、（MT）或渗透（PT）检测焊缝的表面质量。（3）P91合金钢管道焊缝按照联合体要求，对焊缝进行100光谱分析（PMI）复查。硬度检测硬度检测（1）管道焊接接头经热处理、RT合格后，焊接接头100%进行硬度检测。硬度检测区域为焊缝外表面的热影响区和焊缝处。每个焊接接头应检测两处（每处测3个数，取其平均值），取其平均值。热处理后焊缝的P91硬度值241HB。（2）若热处理自动记录曲线异常，且被查部件的硬度超过规定范围时，应做复验，并查明原因，对硬度不合格的焊接接头重新进行热处理，并重新检测硬度。（3）所有经热处理合格的焊接接头，不允许再进行焊接、打磨等任何引起温度升高的热作业。七、P91材料焊接现

23、场常出现问题及解决办法1 1、热裂纹与冷裂纹、热裂纹与冷裂纹热裂纹是高温下在焊缝金属和焊缝热影响区中产生的一种沿晶裂纹。冷裂纹是由于材料在室温附近温度下脆化而形成的裂纹。预热和焊后热处理都是控制冷裂纹，一个是控制脆硬组织产生、另一个消除扩散氢的含量。热裂纹的主要采取控制母材和焊材杂质的含量。 常见现象：常见现象：焊接时裂纹主要出现在氩弧焊打底焊缝收弧处；或者焊条焊填充、盖面焊缝收弧处。 原因原因 分析：分析：经观察分析，裂纹呈锯齿形，有些呈星状，基本属于热裂纹。裂纹长度一般不超过10mm。没有发现冷裂纹现象。原因为焊工采用氩弧焊打底焊接时收弧时不注意出现的“缩孔”，焊条焊时，电流过大、熔池过大

24、，收弧过快造成的“收弧裂纹”。裂纹图片：裂纹解决措施：裂纹解决措施：1、焊工尽量选用带高频氩弧焊进行打底焊接，采用“衰减”方式灭弧；收弧至坡口一侧。2、氩弧打底焊接时，根据材料的焊接性的选择合适的焊接电流，避免电流大，熔池大，要调整好焊枪角度降熔池填满牵引破口边缘带走热量收弧，可有效克服“收弧裂纹”3、管膛内充氩浓度要达标，避免因内部氧化导致的假融合及裂纹。4、焊条焊“热焊”时，电流不要偏大，收弧时对收弧点点焊几下或者向破口两侧边缘一侧逐渐收弧，避免出现根部熔透性“收弧裂纹”；电流控制在有效范围内，不易过大，要点焊几下，防止出现“收弧缩孔、裂纹”。5、焊条焊时调整正确焊条角度，避免熔池形成马蹄

25、状态的现象，预收弧时将焊条角度调整为大于90倾角，形成扁平圆状熔池，使之熔池填满，将熔池中心热量引入坡口边缘收弧。盖面收弧接头时要压过10-20mm为宜，然后将收弧点打磨圆滑 。6、另严格控制线能量，确保多层多道，管径在300mm以上双弧对称焊接，控制层间温度在180C-250C范围区间。2.未焊透常见现象：第一种为根部坡口钝边未熔透性未焊透，此类未焊透一般不会太长。第二种为根部铁水穿透但未和钝边良好熔合性未焊透；有些此类未焊透长度达到100mm。第三种中合金耐热钢材料因管膛内氩气纯度不足导致的根部铁水氧化没有良好熔合性未焊透。原因分析：焊工操作水平差；坡口角度小、钝边厚；坡口存在“假性”钝边

26、；坡口存在内倒角没有圆滑过渡；焊接电流小；P91合金管膛内充氩不到位；氩弧焊接时焊枪角度不正确，送丝不协调、操作技巧不熟练；焊缝表面缺陷误判为焊缝内部缺陷。注；氩弧摇把焊打底时两侧停顿时间短，熔孔小，热量集中焊缝中心，两侧没有充分融合的时间。未焊透解决措施：未焊透解决措施：1、焊工在管道坡口点固前，认真检查坡口角度、钝边、间隙、“假性”钝边、坡口内倒角等，不合适，不予点固，养成良好习惯，为下一步焊接创造好条件；2、P91合金管膛内充氩装置要保证正常焊接氩气浓度，掌握测验管膛内焊接氩气浓度技巧。充气量不宜过大一般为10-15L/min，过大的气量时使根部焊道凝固不及时产生咬边。3、根据材料特性不

27、同，焊接参数，焊枪角度、摆动、送丝等有所不同，焊接技巧不同，4、焊接完成，认真检查焊缝表面，确保没有焊缝表面缺陷误判为焊缝内部缺陷因素。3.气孔根据多年观察，并结合学术理论解释，焊接中气孔共分为三种：H气孔、N气孔、CO气孔。没有第四种气孔之说。至于有些谈到的二氧化碳气孔、水蒸气气孔等等，不列为气孔缺陷之列，应该列为“夹杂”范畴。同时，焊接气孔在产生过程中，并不是单一的一种气孔，可能几种气孔同时出现。目前大多数频繁出现的气孔呈“蜂窝状”，外形不规则，基本判定为“氮气孔”。从学术上分析，空气中的氮是焊接过程中唯一的来源。故分析氮的来源主要是由于焊接过程中没有对熔池有效保护，有较多的空气中的氮侵入

28、所致。很多施工现场为海边海风大，风向没有规律，焊工焊接过程中挡风措施落实不到位，海风扰乱焊接电弧保护气，为出现氮气孔主要原因。焊接气孔的几种形式CO气孔氢气孔氮气孔减少气孔的措施减少气孔的措施1氮气孔 要避免产生氮气孔最主要的是应增强气体的保护效果，防止空气入侵，焊接过程中保证保护气层稳定、可靠，是防止焊缝中气孔的关键，且选用的气体纯度要高。2氢气孔 为了防止氢气孔，在焊前应对焊件及焊丝进行清理，去处他们表面上的铁锈，油污，水分等。对CO2气体中的水份也是需要进行干燥的。3一氧化碳气孔 如果焊丝中含有足够的脱氧元素Si和Mn避免焊接过程中 被大量氧化， 以及限制焊丝中的焊碳量，就可以拟制前面提

29、到的氧化反应，有效防止CO气孔。八、焊缝硬度值偏高经查阅相关文献：GB50235、GB50236、SH3501、SHT3520等国内规范对P91材料焊接后焊缝硬度值进行了规定。一般都要求焊接接头热处理完毕，应做100硬度测定，测定部位为焊缝区和热影响区，每个部位测定不少于三点。硬度测定平均值的标准不超过母材的布氏硬度加100HB，且应241HB为合格。通过经验分析，只要焊缝表面硬度值偏高，其焊缝韧性值就会偏低。有时现场的P91材料管道焊接接头硬度值偏高，汇总原因主要有以下几方面：1、焊材原因。焊材为不合格产品。2、预热温度偏高或偏低。3、热处理温度或时间不标准。4、天气寒冷，但没有采取有效措施。5、焊工焊接时没有严格执行规定的焊接参数（焊接电流、层道数、层间厚度）。表 3 常用钢材焊接接头热处理及硬度要求（SH3