提高SA335-P91主蒸汽管焊缝质量

提高SA335-P91主蒸汽管焊缝质量

蔡连元 李慧中 马晓东 张成

（兰州西固热电有限责任公司 兰州市 730060）

摘要 本文通过兰西公司9号机大修焊口返修，论述了通过合理的焊接工艺得

到无裂纹、硬度合适，组织细小的板条状马氏体。

关键词 9号机 焊接工艺 板条状马氏体

1．任务来源

兰西公司两台双抽汽轮机组发电机锅炉系俄罗斯产品，蒸汽参数：P=13.7MP

T= 560℃ ，西北电力设计院设计时选用法国瓦鲁瑞克公司生产的SA335-P91

钢管，设计规格：φ323.9× 28.6mm 。为了便于热力系统灵活运做，采用切

换母管制。即#9机组大修设备是#9机、#11炉、#12炉。

由于我公司主蒸汽管采用P91钢管时间是95年，当时国内对其焊接性能了

解较少，焊接接头中存在许多焊缝缺陷，留下了安全隐患。兰西公司机组运行5

年多来，主蒸汽管道焊口发现有大量的宏观裂纹和微观裂纹，这些裂纹还在继续

延伸。因此2002年我们从锅炉#11炉、#12炉割除R129、R131两只安装焊口，

委托西安热工研究院对焊缝做一些必要的材料性能实验工作，并对焊口进行安全

性评价。

西安热工研究院在2003年对《甘肃兰西热电有限责任公司#9机组主蒸汽管

道焊缝超标缺陷的安全性评价技术总结报告》建议：

a.对#9机组主蒸汽管道焊缝进行100%的硬度检测，主要检测焊缝部位的硬度，

以硬度HB≥250为判据筛远出脆性焊缝和韧性焊缝。当发现有裂纹时，应予处理。 b.对#9机组主蒸汽管道焊缝进行100%的无损探伤，对不容许存在的缺陷，则

予以处理。

我们对#9机组所有焊口进行普查，根据《焊缝超标缺陷的失稳断裂》评定

方法查出共22个焊口为不允许继续使用焊口。

1.1调查结果：

22个焊口100%有裂纹

焊口硬度HB≥250的百分比100%。全部是脆性焊口。

1．2 结论：

兰西主蒸汽管存在安全隐患，必须返修以提高焊缝质量。

1．3目标设定：

根据《焊缝超标缺陷的失稳断裂》评定方法和《电力建设施工及验收技术规

范管道接头超声波检验篇T5048-95》目标设定：

a.裂纹率：0％

b.硬度HB〈250。

2材料分析

2．1 SA335-P91材料的化学成分与机械性能

SA335-P91钢是一种改良型的9Cr-IMo马氏体钢种加入V、Nb等合金元素，

具有良好的抗高温氧化和抗蠕变性能，AC1为830 -850℃ ,AC3900－ 940℃ ，

Ms为 370℃ ，Mf为 220℃ 。在550一 650℃ 的许用应力明显高于

10CrMo910,TP304,X20CrMoV121钢; SA335-P91钢化学成分及常温力学性能列人

表1、1、表1、2

表1、1SA335-P91材料的化学成分

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3．1 SA335-P91钢材是八十年代在国外研制成功并且开始在亚临界机组和超临

界机组主蒸汽管使用。九十年代才进入我国，我公司1995年引进P91做主蒸汽

管。这种钢材是金属材料界中的一场革命，各项技术指标相当高，近几年在我国

开始广泛使用，唯一不足是我国还没有过硬的焊接工艺。人们对这种材料认识不

足或有错误的认识。焊接人员对P91钢理论知识匮乏，还停留在Cr-Mo（铬-钼）

珠光体耐热钢系列基础上。实际操作水平也在此系列上即运条方式一直采用多层

单道焊接。热处理只是焊前预热和焊后热处理。培训分为理论知识培训和实际操

作培训两项。理论知识的培训是了解P91材料的最新动态、焊接性能以及新的工

艺参数。实际操作培训是理论联系实际及时改变运条方式并尽快掌握操作要领。

在#9机组大修主蒸汽管焊口返修之前做好焊前练习的工作。因此培训有待进一

步提高。

3．2培训方式：（理论培训加实际操作）

3．2．1在焊培中心对P91进行实际操作培训，合格之后方能进行9号机大修的

工作。

3．2．2由专人负责对焊接人员进行理论培训。

4焊接接头的脆化

4．1晶粒粗大引起脆化

焊缝及热影响区粗晶区加热温度超过 1100℃ ，晶粒长大较快，在

1100℃ 以上停留时间越长，晶粒粗化越严重，粗晶组织脆性大。所以要解决这

个问题，必须通过控制焊接线能量(E)。线能量小，高温停留时间短，晶粒细小，

焊接接头的韧性大大提高。

4．2焊接线能量与焊接韧性的关系

众所周知焊接线能量的公式

E＝60UI/v(J/cm) E一焊接线能量 U-焊接电压(V)

I-焊接电流(A) v-焊接速度(cm/min)

由上式可知，焊接线能量E与焊接电压、焊接电流、焊接速度有关。已知，

每台电焊机的焊接工作电压是一个常数，对焊接线能量的影响不大。焊接电流与

焊接线能量成正比，焊接电流越大，线能量越大，而焊接电流过大，高温停留时

间太长，晶粒粗大引起脆化。焊接电流过小焊缝熔化不好，容易产生未熔和夹渣

的焊接缺陷。如果又要保证焊接电流合适，又要保证焊接熔化良好，在这个范围

之内，焊接电流的变化不大。例如：直径ф4的焊条焊接电流是130－ 160A ；

直径ф3.2的焊条焊接电流是110－ 140A 。据了解，某些承建单位为了获得

小的线能量，整个焊口填充全部采用ф3.2的焊条。使得焊工的工作量加大，焊

口操作时间延长。

我公司9号机大修工期短，工作量大，人员少，此外库房内只剩下少量的规

格是ф3.2的焊条，这些焊条远远不够，规格是ф4的焊条很多足够本次大修。

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为了节约资金减少浪费，我们要大量采用规格是ф4的焊条，并且还要线能量符

合标准。

最后一个可以利用的条件就只有焊接速度V，焊接速度与焊接线能量成反比，

焊接速度越快，线能量越小，高温停留时间越短，晶粒将越细小，而焊速越快，

焊缝熔池就小，每层焊道必须进行多层多道焊才能填满焊缝。

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层多

道焊法。因此，水平固定管也采用多层多道焊的操作手法对我们是个新课题，是

对焊工的新挑战，是焊接领域的新突破，为全国的焊接手工操作领域开阔了思路。 采用多层焊，由于后一道对前道的热处理作用能细化晶粒是马氏体组织生长

成一个自回火作用，并能改善前层焊缝和热影响区的组织，对防止裂纹有好处。

焊接线能量对材料冲击韧性存在很大影响实验表明，线能量为的60KJ/cm时，冲

击值从AK=3.9-19.5当线能量为25J/cm时冲击值AK=73.2-113.可见，线能量的

大小直接影响焊缝的冲击值。也直接影响焊缝的硬度。

我们经过反复实践，对问题严重的水平固定管采用垂直固定排列法焊接将焊

接线能量控制在17J/cm，得到了晶粒细小的组织。如下图：

母材组织 返修后焊缝组织

4．3水平固定管采用垂直固定管排列法焊接对接头脆化的影响

大家都知道，垂直固定管为了便于焊接填充，厚壁管焊缝我们

都采用多层多道焊，焊接线能量低易于掌握，而对于水平固定管来说，以前层间

焊接采用多层单道焊，这种焊接模式已经延续了很多年，现在摆在面前的一个困

难问题是如何打破观念，重新培训SA335-P91钢材焊接操作人员，改变以前焊接

手法，真正做到多层多道焊，敢于打破成规，大胆设想，将水平固定管的焊接采

用垂直固定管排列法。经过反复研究、总结、练习，我厂焊接人员现已掌握这种

新焊法，在练习过程中高要求，严管理。为了在现场便于控制线能量，控制焊道

排列道数和焊缝厚度以便与控制焊接线能量，从而大大降低了焊接街头的脆化问

题。水平固定管多层多道焊接排列如下:

4．4淬硬组织引起脆化

对于手工焊来说，冷却是比较快的，电弧一离开，马上开始迅速降温，一般

t8/5只有7-15秒，因此在Mf点以下容易出现淬硬组织，形成粗大的马氏体，

这是导致脆化的另一个原因。要解决冷却速度快，在Mf点下产生淬硬组织的问

题，通过预热较好的解决了这个问题，将焊接预热温度控制在Mf点以上，使焊

缝结晶组织始终处在马氏体终了线以上，减少淬硬组织的产生。

4．5Mf线的控制

SA335-P91钢马氏体转变终了线为 220℃ ，也就是说，当焊缝温度达到

220℃ 时，焊缝组织中马氏体转变终了。在手工电弧焊接过程中，热处理温度

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上限控制在马氏体转变开始线以下，热处理温度下限控制在马氏体转变终了线以

上，使焊缝组织成为单一的马氏体组织。

4．6温度误差

现场热处理过程中存在热电偶实测温度与焊缝温度有一个误差，热处理机自

身温度仪表与所测实际温度也有一个误差。因此，在工作之前调整热处理机仪表

温度与所测实际温度的误差是一个较重要的工作，明确知道所用热处理误差范

围，使其达到最小值，最好另外再放置一块精度高的温度表作参照。此外热电偶

位置的布置也非常重要。热电偶的布置都在焊缝两侧 20mm 的地方放置，便所

有焊缝的层间温度在一个水平上进行比较，使每个焊口之间的误差达到最小值。

4．7Ms线的控制

SA335-P91钢马氏体开始转变线为 370℃ ，也就是说当焊缝温度达到

370℃ 以下时，焊

缝组织中的残余奥氏体开始进行马氏体转变，在热处理过程中，温度控制在

370℃ 以下，考虑到焊工的作业环境，一般实际温度要低，温度一旦超过Ms

时马上停止焊接工作，当温度下限降至 200℃ 时继续工作。

4．8焊后降温的作用

焊接过程中冷却速度快，组织转变非常迅速，有些奥氏体来不及完全转变为

马氏体，若马上进行高温回火，会出现K物沿晶界沉淀和奥氏体向铁素体转变，这种组织很脆。但冷到室温 86℃ 又会出现冷脆。一般是焊后冷到120度，保

温2小时使残余奥氏体全部转变为马氏体再进行回火热处理。

5 高温回火的作用

焊后热处理对SA335-P91钢焊缝的冲击韧性影响也很大，可用下式表示回火

参数(1):

P=T(Logt+20)10-3 (1)

式中T--回火温度(K); t--回火时间(h)。

试验表明:焊缝的冲击值AK、随P值的增大而提高。

6.严格控制预热温度

冷裂纹是在焊后冷却过程中，在Ms点附近或更低的温度区间

逐渐产生的（甚至在室温下）一种裂纹。

产生原因：三大条件――裂纹三要素。控制焊接热循环，防止焊缝和HAZ脆化及

裂纹，粗晶区越窄越好。降低应力，减小拘束，降低残余应力，防止产生裂纹，要求不能强行对口。为了减少焊缝和HAZ的粗晶脆化，应尽可能选择小规范，使

1100以上停留的时间越短越好，从而降低晶粒的粗化程度，而从防止产生冷裂

纹，减少脆硬脆化，要求在Ms点附近冷却要慢，得到回火马氏体。为了解决矛

盾，采取了预热的办法。

热处理过程

工作之前热处理机、电源机、热电偶、履带加热器的工作人员各负其责认真

检查好所辖设备，保证运做良好。预热操作过程如下：

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6．1氩弧打底之前对焊缝进行焊前预热，升温速度严格按照工艺要求执行，

然后恒温。

6．2焊接过程也伴随预热，升温速度严格按照工艺要求，然后恒温方可进

行焊接操作过程。

6．3焊接完毕，进行马氏体组织转变热处理。

7．效果检查

检 查 结 果：

#9机大修焊缝返修后质量调查表（38个）

我们通过焊口返修，焊缝组织全部是晶粒细小的板条状马氏体，焊缝硬度值

HB全部小于250，都是韧性焊口。

所有焊口按照《电力建设施工及验收技术规范管道接头超声波检验篇

T5048-95》规定探伤结果：裂纹率为0％。

8．结论：

从根本上消除了机组运行的不安全隐患，为我公司今后机组安全长期运行打

下了基础。锻炼了我们的队伍，提高了我们今后独立承担类似工作的能力。

参考文献：

（1） 周振丰 张文銊，焊接冶金与金属焊接性 《机械工业出版社》

（2） 杨富 跨世纪火电站焊接技术的发展趋势

（3） 蔡连元等 提高P91钢焊接接头冲击韧性的研究 《中国电力》2004

年第3期

（4） 崔忠圻 金属学与热处理 《哈尔滨工业大学》

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