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SA335-P92主蒸汽管道埋弧焊焊接工艺

P92钢是日本新日铁推出的用于超临界锅炉的9%Cr的含钨的铁素体钢管,该钢含W1.8%左右,在600%下的最长蠕变断裂试验时间约为45000h。1994年纳入ASME Code Case,1995年和1996年分别被ASTM和ASME批准。

辽宁营口华能电厂工程l#机组是国内首台600MW超超临界燃煤汽轮发电机组。主机生产厂家为哈尔滨三大动力厂。其主蒸汽管道、热段管道均为P92钢。虽为600MW机组但主汽管道壁厚大大超过玉环电厂1000MW超超临界机组。

下表为营口电厂P92钢管系规格情况。

由于管子壁厚大、加工周期短,要满足业主要求必须设法采用高效率焊接方法来实现P92钢的焊接,为此我厂采用埋弧焊工艺来实现P92钢的自动化焊接工作。

1 P92钢的特性

P92钢是经过正火及回火处理,显微组织为回火马氏体组织(主要是Fe/Cr/Mo的碳化物及V/Nb的氮化物),是国内火力发电厂应用的一种新钢种。与目前国内常用的P91钢材(改进型9Cr-lMo)相比,P92主要是用w代替了P91中的部分Mo,另外加入了少量的B。

通过W的固溶强化及Nb,W等碳氮化物的弥散强化来提高钢材的高的持久强度。在600℃下10万的持久强度P92要比P91高30%一35%。但P92钢的冲击韧性在运行3000h后明显下降(下降幅度达50%左右),但在3000小时以后冲击功下降的倾向就不明显了,见图1。T/P92钢的标准化学成分和机械性能列入表2、表3,T/P92与T/P91的许用应力值见表4

由于采用了特殊精炼技术及精密铸造技术,P92钢的C、S、P等元素含量低、纯净度高,其焊态低C马氏体仍具有一定的塑性,焊接冷裂纹倾向大为降低。

根据图2所示,预热温度选择在150~250°。

P92钢的焊接

2.1焊接材料的选择

所选取的焊材除要求焊缝金属满足室温下的强度外,还必须满足运行温度下的韧性和强度(蠕变强度)的要求。研究表明,在使用相同的母材成分范围而要同时满足冲击强度和蠕变强度的最低要求是不可能的。因此要根据各种元素及相互之间的作用进行最佳的匹配。

与母材通过细晶弥散强化不同,焊缝金属在其熔敷成型及冷却过程中,一些微量元素(Nb、V等)大部分固溶在焊缝金属中,通过固溶强化反而降低焊缝韧性。因此焊缝金属的冲击韧性总是低于母材的。为了提高焊缝的韧性,必须合理的搭配Nb、w、V、Mn、Ni等微量元素的含量,严格控制P、S、N、O、H等微量有害元素及降低c含量。

伯乐——蒂森公司的MTS一616焊条、氩弧焊丝、埋弧焊丝、埋弧焊剂,通过对其熔敷金属试验表明,该系列焊材具有良好的焊接工艺性能,便于焊工操作的掌握。

蒂森公司T/P92焊材的熔敷金属化学成分见表5。

2.2焊接工艺的确定

通过P92钢熔敷金属试验,确定了以下的焊接工艺:采用GTAW+SMAW+SAW工艺,内充氩保护,焊前预热,预热温度为150~250°,层间温度控制在300°以内。采用较小的焊接线能量,采取多层多道焊并避免过厚的焊道,努力使热影响区软化带变得窄一些,缩小其影响。焊后冷却到80~100°时进行马氏体转变,然后进行760℃±10℃恒温6h的焊后热处理。

我们进行了Di248×57mm的P92试件按制定的工艺进行了评定,评定结果符合设定的要求。

2.3焊接工艺的实施要点

2.3.1工艺

采用GTAW+SMAW+SAW内充氩保护工艺。为防止埋弧焊焊击穿打底层,我们进行2层氩弧焊打底,不少于四层手工焊填槽,然后应用埋弧焊。焊接工艺参数见表6。

2.3.2充氩

为防止焊缝根部氧化,在氩弧焊打底(2层)及电焊填充的第一层必须进行充氩保护。常用的充氩方法是采用气室密封充氩,气室的封堵材料可以是高温橡胶、水溶纸等,充氩的好坏直接关系到焊缝根部的质量及施工是否能顺利的进行。

充氩的主要目的是为了防止高铬材料焊接时背面氧化,如果施工遇到难以进行充氩的焊口时,建议可以采用太阳牌免充氩焊剂对口前涂在坡口背面也可起到抗氧化效果,我厂在焊P91钢时应用过此方法,效果良好。

2.3.3预热

预热方法采用电加热方式,氩弧焊打底时,按理论要求预热温度为150°C即可进行打底,但为了考虑生产实际控制,便于与手工焊预热温度衔接紧密,不停工,有意将打底温度提到200°时进行焊接。注意测温要用点温计测量坡口内实际温度为准。在这里建议P92钢温度测量用远红外测温仪时要调整其发射率,建议按不锈钢的发射率选择。

2.3.4焊接要点

2.3.4.1焊前及过程中的清理对口前,应将焊口每侧(15—20)mm范围、管子内外壁的油、垢、锈、漆等清理干净,直至发出金属光泽;

坡口处母材无裂纹、重皮、坡口损伤及毛刺等缺陷;每只焊口施焊前必须进行PT检验(检验范围坡口及其边缘20mm范围),检验合格后方可施焊;焊接过程中应注意避免保温材料等异物落入焊缝中,并注意层间清理。

焊接中应将每层焊道接头错开10~15ram,同时注意尽量焊得平滑,便于清渣和避免出现“死角”。每层(道)焊缝焊接完毕后,应用磨光机或钢丝刷等将焊渣、飞溅等杂物清理干净(尤其应注意中间接头和坡口边缘)。

2.3.4.2焊接参数控制

与P91焊接相同,P92钢焊件输入热量对焊接接头的冲击韧性有较大的影响,焊件输入热量越大,焊接接头的冲击韧性越低。必须采用比较小的焊接热输人量进行施焊,如采用小直径焊条,采用比较小的焊接电流,采用比较快的焊接速度,采用比较低的层间温度等。

根据工艺评定要求,焊接线能量控制在25KJ/cm范围之内。由于焊接线能量是一个综合控制的焊接要素,由焊接电流、焊接电压、焊接速度共同控制,是一个抽象的数字。

为了便于现场的控制,根据焊接线能量与焊层厚度、摆动宽度及层间温度的辩证关系,我们在施焊过程中对焊层厚度、摆动宽度、层间温度等方面进行了控制。

在施工中要求手工焊焊层厚度不大于所用焊条直径,摆动宽度不大于所用焊条直径的3倍,层间温度控制在300℃以内。同时多层多道焊接头应错开,严禁同时在一处收弧,以免局部温度过高影响施焊质量。

埋弧焊必需严格控制电流、电压、转速的范围,确保线能量不超标的情况下,成型良好。P92钢埋弧焊时注意控制焊接坡口两侧的成型,避免形成凹型,以形成斜面或略凸起为宜,实践表明焊道凹型易出现细小的裂纹,而形成斜面或略凸起为宜。

型状示意图如下:

埋弧焊应用后,大大加快了焊接效率,一道ID406×98/P92焊口,纯手工焊两对焊工要焊7天14个班,而应用埋弧焊用三天半就能完成,相应的生产成本也大幅下降。

P92钢埋弧焊应用注意事项:

1)厚壁管焊接,为保证安全转序,手工焊以焊到1,3壁厚之后再上埋弧焊为宜。

2)因埋弧焊单位时间内热输人大,所以一般焊接P92焊口层间温度极易升高,不利于埋弧焊的连续进行,为此我厂规定中300以下规格P92焊口不采用埋弧焊工艺;其它采用埋弧焊的1'92焊口,层间温度达到290。C时即停焊,待降到210℃左右再开始焊接。因为实践发现,P92材料对温度敏感性超过p91材料,层间温度一旦过300℃,极易出现裂纹,降温到2lO℃左右再开始焊接是为了保证焊接的连续时间,减少自动焊焊接接头数量,这对提高焊缝质量有益。

3)P92埋弧焊操作由两人配合操作,一人主控焊机操作,一人控制层间温度和过程检查(焊道成形、焊道表面质量等)。

3 P92钢的热处理

3.1马氏体转变

焊接结束后,立即进行降温进行马氏体转变,转变温度为80~100℃。恒温时间根据管子壁厚而定,但必须使整个焊接接头温度都能达到100℃以下同时。为使内外壁温度能够均匀,在焊接结束后及恒温过程中可以将管道两端密封板打开,让管子内部的空气自由流通。同时在管道壁温较低的情况下可将预热用的加热器及保温材料拆除,确保整个焊缝内外均能降温至80—100℃,完全进行马氏体转变。

3.2消氢处理

热处理过程中由于一些不可抗拒的因素,无法立即进行焊后热处理时,可以先进行消氢处理,消氢处理温度为350℃,消氢时间为2—3小时,然后缓慢冷却至室温。

3.3焊后热处理

3.3.1热处理升降温速度

升温速度

500℃以下时≤120℃/h

500℃以上时≤80℃/h

3.3.2热处理温度的设定

焊后热处理的恒温温度为760±10℃。在实际热处理过程中应根据所用焊材Ni、Mn含量调整实际的热处理控温温度。当Ni+Mn<1.0%时,热处理温度应往上限设定,1.O%≤Ni+Mn<1.5%,热处理温度应设定为760℃。同时在设定控温温度时应考虑热电偶及温控柜的误差。 .

3.3.3热处理恒温时间的设定

按ASME标准p92钢焊缝最少热处理恒温时间为lh/25mm,57mm厚约最少为2.25h。但时际通过试验,不论是远红外带式热处理或整体炉式热处理方法,这个时间是不够的,玉环电厂经验40mm厚的P92焊缝远红外带式热处理一般为6—6.5h,76mm厚的一般为9—11h。我厂评定用炉式热处理57mm实际恒温时间为6h,断面硬度见表7。

根据表中值可以推断炉式热处理时5h应也能满足HB<250HB。营口电厂ID292×71/P92炉式整体热处理按6h做合格,而用远红外带式热处理方法实际需9h。由上述经验数据初步可以推算出热处理恒温时间的经验公式:

T=(2.5—3.5)δ/25h

式中δ=管子实际壁厚括号中值,炉式热处理取偏下限,远红外带式热处理取偏上限。

3.3.4热处理过程示意图

4过程监督

为规范施工,严格执行焊接工艺,建议在施工前对各种规格焊口进行了焊道设计,并派专门人员对焊接过程进行旁站监控及记录。监控及记录内容包括:冲氩装置及充氩效果、预热温度(氩弧焊层、电焊层)、层问温度、焊道厚度、焊道宽度、热电偶布置、加热器布置,温度设定等。使焊接施工过程符合工艺要求。

根据P92钢的成分、组织和性能特点.保证P92部件的使用寿命及安全,除按现有标准的验收指标外,业主对P92焊缝的硬度及金相提小r更严格的要求:对P92焊n进行了100%硬度检验,同时进行10%的金相微观检验。焊缝硬度标准为180HB一250HB;焊缝微观组织为以马氏体板条清晰的回火马氏体组织。

根据上述工艺平定结果及工艺控制要点,合理制定实际生产应用的焊接工艺规程(WPS)在营口1#机丁厂预制过程中大量应用P92钢埋弧焊工艺,不仅质量稳定而且大大缩短了加工周期,为保证营口I#机按期水压及发电奠定了基础。

作者简介:孟庆若.1972年出生,工学学士,国际焊接工程师,长期从事电力行业现场施工及工厂化加工的焊接技术管理和研发工作。

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快手号:焊道君

★ 投稿:weld009

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