由于P91鋼具有良好的高溫綜合性能,近十幾年來(lái)在我國(guó)大型發(fā)電站的主蒸汽管道中得到了廣泛應(yīng)用。本文闡述了P91管道的焊接特性、焊接工藝、焊接質(zhì)量檢驗(yàn)、焊接質(zhì)量監(jiān)控及發(fā)展趨勢(shì)。
在我國(guó)近十幾年來(lái)的許多大型火力發(fā)電站機(jī)組建設(shè)中,主蒸汽管道都普遍采用A335P91(簡(jiǎn)稱(chēng)P91鋼)鋼。該鋼是美國(guó)七十年代末八十年代初開(kāi)發(fā)的新型馬氏體耐熱鋼,相當(dāng)于國(guó)產(chǎn)9Cr-1MoV鋼種,該鋼與國(guó)產(chǎn)鋼相比,以具有高溫強(qiáng)度高、抗氧化性能和抗蠕變性能好以及具有相對(duì)高的熱傳導(dǎo)性與低的熱膨脹率等特點(diǎn),填補(bǔ)了鐵素體鋼 (如 P22)與奧氏體鋼間的空白,使焊件具有較小的截面尺寸,有效地降低了焊件壁厚,減少了材料用量,降低了管道熱應(yīng)力,減少了熱疲勞裂紋的危險(xiǎn)。
華能某地區(qū)電廠(chǎng)二期工程#3、#4爐擴(kuò)建的2×300MW燃煤機(jī)組,由中南電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì),鍋爐由東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司生產(chǎn),型號(hào)為DG1025/17.4-Ⅱ12,汽輪機(jī)采用哈爾濱汽輪機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn),型式為亞臨界一次中間再熱,單軸雙缸雙排汽凝汽式汽輪機(jī)。主蒸汽主管、支管和高旁閥前管道的設(shè)計(jì)溫度均為545℃,管材規(guī)格分別為Φ364×41、Φ273×29和Φ216×23,材質(zhì)為A335P91。
P91鋼過(guò)去在我國(guó)各熱電站應(yīng)用還不十分普遍,各施工單位的焊接工藝評(píng)定工作及焊接、熱處理的特點(diǎn)都需要在施工過(guò)程中摸索,而且管道組裝順序?qū)附淤|(zhì)量也起著關(guān)鍵作用。為保證P91鋼管道的焊接工藝和焊接質(zhì)量達(dá)到要求,必須根據(jù)P91鋼的焊接特性作出焊接工藝評(píng)定,并根據(jù)評(píng)定報(bào)告作為現(xiàn)場(chǎng)安裝、焊接施工的依據(jù),以及在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行此工藝要求。
焊接性分析
鋼材的化學(xué)成分
A335—P91鋼的化學(xué)成分如下表:
從上述表中可以看出,此鋼屬于中合金耐熱鋼。
P91鋼的焊接特性
① 由于P91是中合金鋼,它具有相當(dāng)高的冷裂傾向,在不預(yù)熱條件下焊接裂紋達(dá)100%,當(dāng)預(yù)熱200～250℃時(shí)可避免冷裂紋的產(chǎn)生。
② 在焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制焊件的層間溫度,使其保持在預(yù)熱溫度或更高的溫度是首要的任務(wù)。其次要十分注意從層間溫度冷卻至焊后熱處理開(kāi)始的時(shí)間間隔。
③ 對(duì)焊接輸入熱量的控制要求比較高,實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明,采用較小的焊條直徑、比較低的層間溫度和較小的焊接線(xiàn)能量,沖擊韌性可以大大提高。
④ 焊接接頭在焊后狀態(tài)均為高硬度的不穩(wěn)定組織,焊后必須作相應(yīng)的熱處理。
焊接方法的選擇
P91鋼有較高的淬硬傾向,對(duì)焊接冷裂紋很敏感,可采用鎢極氬弧打底和低氫型焊條填充和蓋面的焊條電弧焊焊接。
焊接工藝規(guī)范、參數(shù)
坡口型式:
對(duì)口間隙:3~5mm
焊接參數(shù)
預(yù)熱方式/溫度:跟蹤電加熱/150-200℃(GTAW)、200-250℃(SMAW)。
保護(hù)氣體:氬氣,純度≥99.99%,氬氣流量:焊槍8-12L/min,背面第一遍10-25L/min,第二遍3-8L/min。
層間溫度:<250℃(采用遠(yuǎn)紅外線(xiàn)測(cè)儀控溫)。
后熱處理:焊后升溫至300-350℃,保溫2h。
熱處理:溫度750℃-770℃,保溫時(shí)間5min/mm,且不少于4h;焊后熱處理升降溫度小于150℃/h。
按上述工藝焊接了水平固定、垂直固定各一件的Φ273×30試件,經(jīng)檢查和檢驗(yàn),均符合規(guī)范要求。
焊接施工工藝
在工藝評(píng)定合格的基礎(chǔ)上,依據(jù)工藝評(píng)定報(bào)告,及時(shí)編制了有關(guān)的焊接作業(yè)指導(dǎo)書(shū)。P91鋼焊接作業(yè)指導(dǎo)書(shū)的內(nèi)容如下:
焊前準(zhǔn)備
1.焊材的選擇 焊絲ER90S-B9 焊條E9015-B9
2.坡口加工 坡口采用機(jī)械加工,坡口應(yīng)平滑均勻,尺寸符合要求,對(duì)口前需認(rèn)真檢查,發(fā)現(xiàn)不合格者必須用磨光機(jī)等工具修磨至合格。清理坡口內(nèi)外壁兩側(cè)15～20mm范圍內(nèi)的鐵銹、油污等污物,直至露出金屬光澤。
3.對(duì)口 應(yīng)采用專(zhuān)用的對(duì)口卡具,不得強(qiáng)行組對(duì),對(duì)口時(shí)應(yīng)做到內(nèi)壁齊平,如有錯(cuò)口,其錯(cuò)口量不超過(guò)壁厚的10%,且不大于1mm;對(duì)口前應(yīng)仔細(xì)檢查坡口處母材是否有缺陷,如有應(yīng)另行處理;點(diǎn)焊用的焊接材料、焊接工藝和選定的焊工技術(shù)條件應(yīng)與正式焊接時(shí)相同;小徑薄壁管點(diǎn)焊時(shí),間隙為2～3mm,可在坡口內(nèi)直接點(diǎn)固2～3點(diǎn),大口徑管點(diǎn)焊時(shí),間隙為3～5 mm,點(diǎn)焊可采用“定位塊”固定。
焊前預(yù)熱
采用電腦溫控設(shè)備,對(duì)焊口進(jìn)行跟蹤預(yù)熱,熱電偶對(duì)稱(chēng)布置,熱電偶與管件應(yīng)接觸良好,氬弧焊預(yù)熱溫度為150～200℃,焊條電弧焊預(yù)熱為200～250℃,預(yù)熱寬度從坡口中心每側(cè)不少于3倍的管壁厚計(jì)算。
打底層焊接
采用WS-400焊機(jī),直流正接。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到規(guī)定溫度并均勻后,大徑管由兩人對(duì)稱(chēng)焊接,第一層和第二層焊縫均采用氬弧焊。打底層焊時(shí),采用內(nèi)送絲法,要注意根部熔合良好,厚度控制在2.8～3.2mm范圍內(nèi)。為防止根部焊縫金屬氧化,應(yīng)在管子內(nèi)充氬保護(hù)。
充氬保護(hù)可參照下列要求進(jìn)行:
a、充氬保護(hù)范圍以坡口中心為準(zhǔn),每側(cè)各200～300 mm處,以可溶紙或其它可溶材料,用耐高溫膠帶粘牢,做成密封氣室。
b、采用“充氣針”從坡口間隙或“探傷孔”中插入進(jìn)行充氬,開(kāi)始時(shí)氬氣流量背面為10～25L/min,第二遍背面為4～8 L/min,焊槍為8～12 L/min。
c、用點(diǎn)燃的打火機(jī)或火柴放至焊縫間隙附近,當(dāng)火焰熄滅時(shí),說(shuō)明內(nèi)部空氣已排空,可進(jìn)行氬弧焊打底焊接。
焊條電弧焊填充、蓋面層焊接
氬弧焊完成后,將預(yù)熱溫度升至200～250℃,開(kāi)始電弧焊;采用直流反接法、兩人對(duì)稱(chēng)焊接。由于P91鋼焊接時(shí),熔池鐵水粘度大,流動(dòng)性差,焊接規(guī)范又小,因而容易出現(xiàn)夾渣,層間未熔合等缺陷,因此為避免大的缺陷產(chǎn)生及保證焊接接頭的綜合機(jī)械性能,必須采用多層多道、小規(guī)范進(jìn)行焊接,焊層厚度盡量薄,每層焊道厚度不超過(guò)4mm;擺動(dòng)焊接時(shí),焊條擺幅不超過(guò)焊條直徑的4倍,每層焊道必須清理干凈,尤其注意清理接頭及焊道兩側(cè),焊縫外表焊接完畢,要求焊工立即進(jìn)行清理自檢,發(fā)現(xiàn)外表成形不好的馬上補(bǔ)焊,嚴(yán)禁在焊縫冷卻后再直接補(bǔ)焊。
焊后熱處理
當(dāng)焊接接頭不能及時(shí)進(jìn)行熱處理時(shí),應(yīng)于焊后立即做加熱溫度為300～350℃、恒溫時(shí)間為2小時(shí)的后熱處理。
焊后熱處理采用多路輸出、多點(diǎn)測(cè)溫,且加熱器與熱電偶一一對(duì)應(yīng),焊口上、下溫度始終保持一致,使熱處理焊口在升、降溫速度以≤150℃/h為宜。降溫至300℃時(shí),可不控制,冷卻至室溫。加熱溫度為750～770℃,恒溫時(shí)間為5min/mm,但最少不得少于4小時(shí)。
焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)
焊縫質(zhì)量按I類(lèi)焊縫的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn),檢驗(yàn)內(nèi)容及要求為:
1.外觀,按DL/T869—2004《火力發(fā)電廠(chǎng)焊接技術(shù)規(guī)程》,I類(lèi)焊縫外觀的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收;
2.無(wú)損檢驗(yàn),按JB4730對(duì)焊縫進(jìn)行100%超聲波(UT)、磁粉(MT)探傷,I級(jí)合格;
3.硬度,熱處理完畢后,做100%硬度測(cè)定,硬度值小于350HB;
4.光譜,對(duì)焊縫金屬合金成分進(jìn)行100%光譜分析復(fù)查。
焊縫返修
1.焊接接頭外觀檢查不符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)。輕者打磨焊補(bǔ),嚴(yán)重者應(yīng)割掉重新焊接。
2. 經(jīng)無(wú)損檢驗(yàn)不合格的焊接接頭,其缺陷可進(jìn)行焊補(bǔ),但必須在確認(rèn)缺陷已經(jīng)徹底消除的基礎(chǔ)上,按正常焊接工藝或焊補(bǔ)工藝規(guī)定進(jìn)行。
3 .返修焊補(bǔ)的焊接接頭,一般同一焊口不得超過(guò)兩次,否則應(yīng)割掉重新對(duì)口焊接。
4.返修焊補(bǔ)的焊接接頭,必須重新進(jìn)行焊后熱處理和無(wú)損檢驗(yàn)。
質(zhì)量監(jiān)控
加強(qiáng)對(duì)P91鋼焊接過(guò)程的控制工作,由于P91鋼的焊接性能較差,焊接過(guò)程中的任一環(huán)節(jié)控制不好都會(huì)導(dǎo)致焊接接頭機(jī)械性能差及裂紋等致命缺陷的產(chǎn)生。首先,所有焊工在上崗前,均要進(jìn)行培訓(xùn)并取得 P91鋼的上崗資格證書(shū),其次,從措施、材料、設(shè)備、對(duì)口、焊接、熱處理參數(shù)、焊接接頭表面質(zhì)量、無(wú)損探傷、缺陷焊縫的返修等各方面進(jìn)行嚴(yán)格控制。
結(jié)論
通過(guò)選擇以上施工工藝,以及嚴(yán)格的技術(shù)、質(zhì)量管理措施,華能該地區(qū)電廠(chǎng)二期工程#3、#4爐的主蒸汽管道焊縫的外觀質(zhì)量、接頭表面硬度全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求、無(wú)損探傷一次合格率達(dá)到100%。另外,從電廠(chǎng)主蒸汽管道水壓試驗(yàn)和投入運(yùn)行以來(lái)的情況來(lái)看,焊縫質(zhì)量正常。因此,P91鋼管道采用上述焊接工藝是行之有效的。此外,火電站主蒸汽管道采用P91管材比過(guò)去普遍使用的P22管材有較高的性?xún)r(jià)比。目前,在大型火力發(fā)電機(jī)組中采用P91鋼已成為一種必然的趨勢(shì)。
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