提高蒸汽管焊縫質(zhì)量

提高SA335-P91主蒸汽管焊縫質(zhì)量摘要本文通過***公司9號(hào)機(jī)大修焊口返修，論述了通過合理的焊接工藝得到無裂紋、硬度合適，組織細(xì)小的板條狀馬氏體。關(guān)鍵詞9號(hào)機(jī)焊接工藝板條狀馬氏體1．任務(wù)來源***公司兩臺(tái)雙抽汽輪機(jī)組發(fā)電機(jī)鍋爐系俄羅斯產(chǎn)品，蒸汽參數(shù)：P=13.7MPT=560℃，****設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)時(shí)選用法國瓦魯瑞克公司生產(chǎn)的SA335-P91鋼管，設(shè)計(jì)規(guī)格：φ323.9×28.6mm。為了便于熱力系統(tǒng)靈活運(yùn)做，采用切換母管制。即#9機(jī)組大修設(shè)備是#9機(jī)、#11爐、#12爐。由于我公司主蒸汽管采用P91鋼管時(shí)間是95年，當(dāng)時(shí)國內(nèi)對(duì)其焊接性能了解較少，焊接接頭中存在許多焊縫缺陷，留下了安全隱患。***公司機(jī)組運(yùn)行5年多來，主蒸汽管道焊口發(fā)現(xiàn)有大量的宏觀裂紋和微觀裂紋，這些裂紋還在繼續(xù)延伸。因此2002年我們從鍋爐#11爐、#12爐割除R129、R131兩只安裝焊口，委托西安熱工研究院對(duì)焊縫做一些必要的材料性能實(shí)驗(yàn)工作，并對(duì)焊口進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。****熱工研究院在2003年對(duì)《甘肅***熱電有限責(zé)任公司#9機(jī)組主蒸汽管道焊縫超標(biāo)缺陷的安全性評(píng)價(jià)技術(shù)總結(jié)報(bào)告》建議：a.對(duì)#9機(jī)組主蒸汽管道焊縫進(jìn)行100%的硬度檢測，主要檢測焊縫部位的硬度，以硬度HB≥250為判據(jù)篩遠(yuǎn)出脆性焊縫和韌性焊縫。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有裂紋時(shí)，應(yīng)予處理。b.對(duì)#9機(jī)組主蒸汽管道焊縫進(jìn)行100%的無損探傷，對(duì)不容許存在的缺陷，則予以處理。我們對(duì)#9機(jī)組所有焊口進(jìn)行普查，根據(jù)《焊縫超標(biāo)缺陷的失穩(wěn)斷裂》評(píng)定方法查出共22個(gè)焊口為不允許繼續(xù)使用焊口。1.1調(diào)查結(jié)果：22個(gè)焊口100%有裂紋焊口硬度HB≥250的百分比100%。全部是脆性焊口。1．2結(jié)論：***主蒸汽管存在安全隱患，必須返修以提高焊縫質(zhì)量。1．3目標(biāo)設(shè)定：根據(jù)《焊縫超標(biāo)缺陷的失穩(wěn)斷裂》評(píng)定方法和《電力建設(shè)施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范管道接頭超聲波檢驗(yàn)篇T5048-95》目標(biāo)設(shè)定：a.裂紋率：0％b.硬度HB〈250。2材料分析2．1SA335-P91材料的化學(xué)成分與機(jī)械性能SA335-P91鋼是一種改良型的9Cr-IMo馬氏體鋼種加入V、Nb等合金元素，具有良好的抗高溫氧化和抗蠕變性能，AC1為830-850℃,AC3900－940℃，Ms為370℃，Mf為220℃。在550一650℃的許用應(yīng)力明顯高于10CrMo910,TP304,X20CrMoV121鋼;SA335-P91鋼化學(xué)成分及常溫力學(xué)性能列人表1、1、表1、2表1、1SA335-P91材料的化學(xué)成分C％Mn％P％S％S％Cr％Mo％V％No％Ni％N％0.080.120.300.60Max0.02Max0.010.200.508.009.500.851.050.180.250.060.10Max0.040.030.07表1、2SA335-P91材料的機(jī)械性能σb（Mpa）σ0.2（Mpa）δ(％)AK(J)HB≤≥585415201492503培訓(xùn)情況3．1SA335-P91鋼材是八十年代在國外研制成功并且開始在亞臨界機(jī)組和超臨界機(jī)組主蒸汽管使用。九十年代才進(jìn)入我國，我公司1995年引進(jìn)P91做主蒸汽管。這種鋼材是金屬材料界中的一場革命，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)高，近幾年在我國開始廣泛使用，唯一不足是我國還沒有過硬的焊接工藝。人們對(duì)這種材料認(rèn)識(shí)不足或有錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。焊接人員對(duì)P91鋼理論知識(shí)匱乏，還停留在Cr-Mo（鉻-鉬）珠光體耐熱鋼系列基礎(chǔ)上。實(shí)際操作水平也在此系列上即運(yùn)條方式一直采用多層單道焊接。熱處理只是焊前預(yù)熱和焊后熱處理。培訓(xùn)分為理論知識(shí)培訓(xùn)和實(shí)際操作培訓(xùn)兩項(xiàng)。理論知識(shí)的培訓(xùn)是了解P91材料的最新動(dòng)態(tài)、焊接性能以及新的工藝參數(shù)。實(shí)際操作培訓(xùn)是理論聯(lián)系實(shí)際及時(shí)改變運(yùn)條方式并盡快掌握操作要領(lǐng)。在#9機(jī)組大修主蒸汽管焊口返修之前做好焊前練習(xí)的工作。因此培訓(xùn)有待進(jìn)一步提高。3．2培訓(xùn)方式：（理論培訓(xùn)加實(shí)際操作）3．2．1在焊培中心對(duì)P91進(jìn)行實(shí)際操作培訓(xùn)，合格之后方能進(jìn)行9號(hào)機(jī)大修的工作。3．2．2由專人負(fù)責(zé)對(duì)焊接人員進(jìn)行理論培訓(xùn)。4焊接接頭的脆化4．1晶粒粗大引起脆化焊縫及熱影響區(qū)粗晶區(qū)加熱溫度超過1100℃，晶粒長大較快，在1100℃以上停留時(shí)間越長，晶粒粗化越嚴(yán)重，粗晶組織脆性大。所以要解決這個(gè)問題，必須通過控制焊接線能量(E)。線能量小，高溫停留時(shí)間短，晶粒細(xì)小，焊接接頭的韌性大大提高。4．2焊接線能量與焊接韌性的關(guān)系眾所周知焊接線能量的公式E＝60UI/v(J/cm)E一焊接線能量U-焊接電壓(V)I-焊接電流(A)v-焊接速度(cm/min)由上式可知，焊接線能量E與焊接電壓、焊接電流、焊接速度有關(guān)。已知，每臺(tái)電焊機(jī)的焊接工作電壓是一個(gè)常數(shù)，對(duì)焊接線能量的影響不大。焊接電流與焊接線能量成正比，焊接電流越大，線能量越大，而焊接電流過大，高溫停留時(shí)間太長，晶粒粗大引起脆化。焊接電流過小焊縫熔化不好，容易產(chǎn)生未熔和夾渣的焊接缺陷。如果又要保證焊接電流合適，又要保證焊接熔化良好，在這個(gè)范圍之內(nèi)，焊接電流的變化不大。例如：直徑ф4的焊條焊接電流是130－160A；直徑ф3.2的焊條焊接電流是110－140A。據(jù)了解，某些承建單位為了獲得小的線能量，整個(gè)焊口填充全部采用ф3.2的焊條。使得焊工的工作量加大，焊口操作時(shí)間延長。我公司9號(hào)機(jī)大修工期短，工作量大，人員少，此外庫房內(nèi)只剩下少量的規(guī)格是ф3.2的焊條，這些焊條遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，規(guī)格是ф4的焊條很多足夠本次大修。為了節(jié)約資金減少浪費(fèi)，我們要大量采用規(guī)格是ф4的焊條，并且還要線能量符合標(biāo)準(zhǔn)。最后一個(gè)可以利用的條件就只有焊接速度V，焊接速度與焊接線能量成反比，焊接速度越快，線能量越小，高溫停留時(shí)間越短，晶粒將越細(xì)小，而焊速越快，焊縫熔池就小，每層焊道必須進(jìn)行多層多道焊才能填滿焊縫。焊接位置包括水平固定和垂直固定，垂直固定管的焊接本身就采用了多層多道焊法。因此，水平固定管也采用多層多道焊的操作手法對(duì)我們是個(gè)新課題，是對(duì)焊工的新挑戰(zhàn)，是焊接領(lǐng)域的新突破，為全國的焊接手工操作領(lǐng)域開闊了思路。采用多層焊，由于后一道對(duì)前道的熱處理作用能細(xì)化晶粒是馬氏體組織生長成一個(gè)自回火作用，并能改善前層焊縫和熱影響區(qū)的組織，對(duì)防止裂紋有好處。焊接線能量對(duì)材料沖擊韌性存在很大影響實(shí)驗(yàn)表明，線能量為的60KJ/cm時(shí)，沖擊值從當(dāng)線能量為25J/cm時(shí)沖擊值A(chǔ)K=73.2-113.可見，線能量的大小直接影響焊縫的沖擊值。也直接影響焊縫的硬度。我們經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐，對(duì)問題嚴(yán)重的水平固定管采用垂直固定排列法焊接將焊接線能量控制在17J/cm，得到了晶粒細(xì)小的組織。如下圖：（圖略）4．3水平固定管采用垂直固定管排列法焊接對(duì)接頭脆化的影響大家都知道，垂直固定管為了便于焊接填充，厚壁管焊縫我們都采用多層多道焊，焊接線能量低易于掌握，而對(duì)于水平固定管來說，以前層間焊接采用多層單道焊，這種焊接模式已經(jīng)延續(xù)了很多年，現(xiàn)在擺在面前的一個(gè)困難問題是如何打破觀念，重新培訓(xùn)SA335-P91鋼材焊接操作人員，改變以前焊接手法，真正做到多層多道焊，敢于打破成規(guī)，大膽設(shè)想，將水平固定管的焊接采用垂直固定管排列法。經(jīng)過反復(fù)研究、總結(jié)、練習(xí)，我廠焊接人員現(xiàn)已掌握這種新焊法，在練習(xí)過程中高要求，嚴(yán)管理。為了在現(xiàn)場便于控制線能量，控制焊道排列道數(shù)和焊縫厚度以便與控制焊接線能量，從而大大降低了焊接街頭的脆化問題。水平固定管多層多道焊接排列如下:4．4淬硬組織引起脆化對(duì)于手工焊來說，冷卻是比較快的，電弧一離開，馬上開始迅速降溫，一般t8/5只有7-15秒，因此在Mf點(diǎn)以下容易出現(xiàn)淬硬組織，形成粗大的馬氏體，這是導(dǎo)致脆化的另一個(gè)原因。要解決冷卻速度快，在Mf點(diǎn)下產(chǎn)生淬硬組織的問題，通過預(yù)熱較好的解決了這個(gè)問題，將焊接預(yù)熱溫度控制在Mf點(diǎn)以上，使焊縫結(jié)晶組織始終處在馬氏體終了線以上，減少淬硬組織的產(chǎn)生。4．5Mf線的控制SA335-P91鋼馬氏體轉(zhuǎn)變終了線為220℃，也就是說，當(dāng)焊縫溫度達(dá)到220℃時(shí)，焊縫組織中馬氏體轉(zhuǎn)變終了。在手工電弧焊接過程中，熱處理溫度上限控制在馬氏體轉(zhuǎn)變開始線以下，熱處理溫度下限控制在馬氏體轉(zhuǎn)變終了線以上，使焊縫組織成為單一的馬氏體組織。4．6溫度誤差現(xiàn)場熱處理過程中存在熱電偶實(shí)測溫度與焊縫溫度有一個(gè)誤差，熱處理機(jī)自身溫度儀表與所測實(shí)際溫度也有一個(gè)誤差。因此，在工作之前調(diào)整熱處理機(jī)儀表溫度與所測實(shí)際溫度的誤差是一個(gè)較重要的工作，明確知道所用熱處理誤差范圍，使其達(dá)到最小值，最好另外再放置一塊精度高的溫度表作參照。此外熱電偶位置的布置也非常重要。熱電偶的布置都在焊縫兩側(cè)20mm的地方放置，便所有焊縫的層間溫度在一個(gè)水平上進(jìn)行比較，使每個(gè)焊口之間的誤差達(dá)到最小值。4．7Ms線的控制SA335-P91鋼馬氏體開始轉(zhuǎn)變線為370℃，也就是說當(dāng)焊縫溫度達(dá)到370℃以下時(shí)，焊縫組織中的殘余奧氏體開始進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，在熱處理過程中，溫度控制在370℃以下，考慮到焊工的作業(yè)環(huán)境，一般實(shí)際溫度要低，溫度一旦超過Ms時(shí)馬上停止焊接工作，當(dāng)溫度下限降至200℃時(shí)繼續(xù)工作。4．8焊后降溫的作用焊接過程中冷卻速度快，組織轉(zhuǎn)變非常迅速，有些奧氏體來不及完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，若馬上進(jìn)行高溫回火，會(huì)出現(xiàn)K物沿晶界沉淀和奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，這種組織很脆。但冷到室溫86℃又會(huì)出現(xiàn)冷脆。一般是焊后冷到120度，保溫2小時(shí)使殘余奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體再進(jìn)行回火熱處理。5高溫回火的作用焊后熱處理對(duì)SA335-P91鋼焊縫的沖擊韌性影響也很大，可用下式表示回火參數(shù)(1):P=T(Logt+20)10-3(1)式中T--回火溫度(K);t--回火時(shí)間(h)。試驗(yàn)表明:焊縫的沖擊值A(chǔ)K、隨P值的增大而提高。6.嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度冷裂紋是在焊后冷卻過程中，在Ms點(diǎn)附近或更低的溫度區(qū)間逐漸產(chǎn)生的（甚至在室溫下）一種裂紋。產(chǎn)生原因：三大條件――裂紋三要素?？刂坪附訜嵫h(huán)，防止焊縫和HAZ脆化及裂紋，粗晶區(qū)越窄越好。降低應(yīng)力，減小拘束，降低殘余應(yīng)力，防止產(chǎn)生裂紋，要求不能強(qiáng)行對(duì)口。為了減少焊縫和HAZ的粗晶脆化，應(yīng)盡可能選擇小規(guī)范，使1100以上停留的時(shí)間越短越好，從而降低晶粒的粗化程度，而從防止產(chǎn)生冷裂紋，減少脆硬脆化，要求在Ms點(diǎn)附近冷卻要慢，得到回火馬氏體。為了解決矛盾，采取了預(yù)熱的辦法。熱處理過程工作之前熱處理機(jī)、電源機(jī)、熱電偶、履帶加熱器的工作人員各負(fù)其責(zé)認(rèn)真檢查好所轄設(shè)備，保證運(yùn)做良好。預(yù)熱操作過程如下：6．1氬弧打底之前對(duì)焊縫進(jìn)行焊前預(yù)熱，升溫速度嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行，然后恒溫。6．2焊接過程也伴隨預(yù)熱，升溫速度嚴(yán)格按照工藝要求，然后恒溫方可進(jìn)行焊接操作過程。6．3焊接完畢，進(jìn)行馬氏體組織轉(zhuǎn)變熱處理。7．效果檢查檢查結(jié)果：#9機(jī)大修焊縫返修后質(zhì)量調(diào)查表（38個(gè)）焊口標(biāo)號(hào)硬度(HB)裂紋焊口標(biāo)號(hào)硬度(HB)裂紋焊口標(biāo)號(hào)硬度(HB)裂紋#60216無#142224無#143231無#13209無#15219無#63-18224無#63-24229無#25236無#26226無#154213無#92225無#97217無#140231無#82213無#152229無Q20208無Q14-9241無Q14-11216無Q28214無B24223無B10223無K5207無#63-19213無Q21234無Q11216無#134208無#153231無Q27223無#14214無#83218無#27215無Q14-12221無Q19217無#91225無B12212無B15209無#83216無Q22207無

我們通過焊口返修，焊縫組織全部是晶粒細(xì)小的板