P91钢焊接全过程管理的研究

P91钢焊接全过程管理的研究

杨宝轩

北京太阳宫燃气热电有限公司，北京 100028

摘要：针对北京太阳宫燃气热电有限公司历年主汽、热段弯头更换工程，阐述了P91钢的焊接及热处理工艺，从焊接前的准备到切口、对口、坡口处理，以及焊接材料的选择与检验、焊接方案、焊后热处理等工艺进行全过程管控，保证现场施工质量及安全。

关键词：P91钢；焊接；热处理；

1、前言

P91钢为美国80年代初期开发的马氏体不锈钢。该钢材高温持久强度和抗蠕变断裂性能优秀，与P22钢在同等温度、压力条件下，管壁壁厚减薄50%，减少结构重量；与奥氏体钢相比，膨胀系数小，热传导性能好，价格也相对便宜。在火力发电厂的主气、热段管道有着广泛应用，但是在2008年以前，电力行业对P91钢金属布式硬度无相关要求，导致部分管件存在金属硬度低问题。太阳宫电厂针对此类问题进行专项治理，并利用检修期间更换硬度低管件。

目前国内P91钢焊接研究主要集中安装阶段，更换在装管件方面则研究较少，由于更换在装部件施工现场复杂，又存在工期紧、人员状况不确定等情况，所以对更换P91全过程管理的研究有着重要的现实意义和指导价值。

2、焊前准备：

2.1 更换弯头尺寸确定

我单位利用2017年检修期间更换主气、热段管件，在制定更换计划时，应注意原设计管道图纸的标注，由于设计院在设计管道时有一定坡度要求，所以部分90度弯头并不是90度整数，而是有一定度数偏差。在购买弯头过程中应注意换算，保证购买弯头尺寸符合现场要求。

图一：现场坡度值

图纸一显示，弯头12所在管道坡度为i=0.007，表示坡度为千分之7，即水平1000米，垂直高出7米。依据三角函数arctan0.007反推数值，得出坡度为0.4度。同时对弯头12进行计算，弯头数值为90度24分4秒，依据角度值换算后，90度24分4秒可以换算为90.4度。核实图纸正确。比可以依据图纸进行购买。

在购买弯头过程中，我单位和华北电科院一起对弯头进行质量检验，除了对金属硬度、表面磁粉探伤及超声波探伤以外，弯头尺寸核实也为重中之重。对于现场弯头，只能测量弯头边长，为了精确计算弯头角度，需要利用余弦定理c²=a²+b²-2ab*cosC，得出cosC，再利用反三角函数反推角度C。

2.2 更换弯头现场确认

更换弯头现场存在空间狭小，高空作业的风险。所以应对检修施工人员进行危险点告知，严格要求脚手架搭设质量及个人防护用品使用情况，同时对首次切口应认真对待，要求施工人员将管道进行立体式固定，防止系统存在应力，导致管道切口时进行机械打击伤人。

2.3 焊接材料及热处理工器具检验

P91为高合金钢，对焊材应进行严格要求，对待焊丝及焊条，应进行100%光谱测量，由于焊条药皮也存在部分金属含量，应要求焊工对同批次焊材进行试样练习，并对焊接试样进行光谱分析，确认其金属含量与P91钢匹配。

P91钢热处理必须严格控制温度，所以热处理机的检验工作也应在工作前进行确认，同时也应该对其测温热电偶进行仪表校验，保证热处理测温准确，处理机可以正常工作。

2.4 操作人员管理

焊接操作应由专业合格焊工担当，热处理人员也应有热处理工作合格证，不得聘用证件不全，或者证件超期的特种工作人员，在焊接前应对焊工进行焊接试样模拟，同时对热处理人员应考问其热处理温度曲线相关参数，保证操作人员熟悉现场流程。

2.5 坡口制作

在装弯头更换的难点之一在于坡口制作，由于旧管件壁厚与新管件壁厚肯定存在偏差，所以针对不同壁厚的坡口制作也应严格把控。应对管件两端50mm长度的内、外壁全部打磨干净、露出金属光泽，同时依据DL/T 869-2012《火力发电厂焊机技术规程》中4.3.4要求进行坡口加工。

图二：869要求的坡口加工形式

3、焊接过程：

3.1 组织编写焊接方案

a.P91钢有焊接冷裂纹敏感性，为了消除冷裂纹的影响，焊前必须进行预热处理，预热必须达到250摄氏度左右，采用钨极氩弧打底和焊条电弧焊填充和盖面组合焊接时，为了方便氩弧打底，预热温度应控制在150摄氏度附近，打底完成电焊盖面时应层间温度应控制在250-300摄氏度之间。

b.焊接预热时应将热电偶布置在坡口边缘，一个焊口安装两个热电偶，成180度布置，并注意将热电偶和陶瓷加热器用保温包裹住，保温包裹应满足50mm厚度，由于热电偶为高温测温元件，所以150摄氏度左右温度还需要使用红外测温仪进行复核。

3.2 焊接实施

焊接前应对提前进行隐蔽工程验收工作，并组织检修单位填写隐蔽工程验收单，确认管道内壁无杂物后方可进行下一步工作，由于P91具备铁磁性，所以一定要将铁屑清理干净，不得残留在焊口附近。在清理焊口后应对组织专人人员进行隐蔽工程验收工作，并填写隐蔽工程验收单。

在对口工作前，应对管道两端进行气密封堵，制作氮气腔室，防止焊接过程中发生裂纹。

图三：气密腔室制作

3.3 焊接打底

当预热温度达到规定温度并均匀后，大径管由两人对称焊接，第一层和第二层焊缝均采用氩弧焊。打底层焊时，采用内送丝法，要注意根部熔合良好，厚度控制在2.8～3.2mm范围内。为防止根部焊缝金属氧化，应在管子内充氩保护。充氩保护可参照下列要求进行：

a、充氩保护范围以坡口中心为准，每侧各200～300 mm处，以可溶纸或其它可溶材料，用耐高温胶带粘牢，做成密封气室。

b、采用“充气针”从坡口间隙或“探伤孔”中插入进行充氩，开始时氩气流量背面为10～25L/min，第二遍背面为4～8 L/min，焊枪为8～12 L/min。

c、用点燃的打火机或火柴放至焊缝间隙附近，当火焰熄灭时，说明内部空气已排空，可进行氩弧焊打底焊接。

图四：氩弧打底验收

氩弧打底时应注意在焊口收弧处，防止裂纹发生，当验收合格方可进行电焊盖面。

3.4 电焊盖面

氩弧焊完成后，将预热温度升至200～250℃。由于P91钢焊接时，熔池铁水粘度大，流动性差，焊接规范又小，因而容易出现夹渣，层间未熔合等缺陷，因此为避免大的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，焊层厚度尽量薄，每层焊道厚度不超过4mm；摆动焊接时，焊条摆幅不超过焊条直径的4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，发现外表成形不好的马上补焊，严禁在焊缝冷却后再直接补焊，同时对焊条进行严格把控，不得使用未加热烘干的焊条，并严格进行记录，将焊条烘干记录和焊口编号进行对应。

图五：焊条烘烤记录

4、焊后热处理过程：

焊接完成后，为了保证金相组织合格，应对焊口进行热处理，并严格要求每到焊口均依据焊接热处理卡进行，并进行相关记录。

五、结论：

通过对历次P91硬度低管件更换的工作进行总结，P91钢焊接工作应注意以下几个方面：a.保证焊口根部焊接质量，保证充压保护，在焊丝表面涂抹免充压保护剂进行二次保护，防止发生未焊透等缺陷。b.控制P91焊接的过程的层间温度，整个焊接过程应随时监督，防止冷裂纹产生。c.在焊接管理中应注意细节把握，做到全过程管理，保证P91焊接过程一次合格。

参考文献：

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[2]陈涛.金属材料焊接成型中主要缺陷及控制策略思考[J].世界有色金属,2020(19):178-179.

[3]王晓静.刍议金属材料焊接成型中的主要缺陷及控制措施[J].科技风,2020(26):131-132.