P91鋼的焊接及熱處理工藝控制

一、前言

    P91合金鋼在石油化工中主要應用在高壓蒸汽、加熱爐管道上，具有良好的耐高溫強度和蠕變性能，在500℃以上運行，相比22等級的高合金鋼具有高的熱強性及抗氧化和抗腐蝕性能。但SA335-P91鋼屬于回火馬氏體鋼，焊接性較差。焊接時其突出問題是焊縫性能劣化和HAZ性能劣化。如不采取正確合理的工藝，很容易產生冷裂紋、再熱裂紋以及焊縫的韌性低、熱影響區軟化等問題。如果焊接質量得不到保證，P91的優勢將不復存在，并會化工生產運行的安全性帶來威脅。

   ****石化乙烯裝置裂解爐中的超高壓蒸汽管道設計壓力為11.74MPa，設計溫度為540℃。采用的為德國曼內斯曼鋼管公司制造的SA335-P91，焊接材料為曼斯特制造的9MV-N/9CRMOV-N。

二、SA335-P91鋼化學成分及力學性能

1、SA335-P91鋼化學成分

SA335-P91鋼的化學成分，由表1可以看出，合金含量較高，Cr是抗高溫氧化腐蝕和提高熱強性的合金元素；控制在含量在≥8%，同時加入了釩和鈮元素，并控制氮元素含量。碳元素中主要形成碳化物或碳氮化物，利用彌散強化和馬氏體強化提高強度，考慮加工工藝性能而有意識地降低碳元素含量。

                        （Wt %）

2、SA335-P91鋼的力學性能

3、SA335-P91管材及管件到貨后應進行如下復檢項目：

1、根據表1進行100%光譜復檢，合金元素含量應符合表1的成分要求；

2、復查相應批次管材及管件的材質證明書，力學性能指標應符合表2。根據ASMEⅡ卷A篇鐵基材料中的SA-335/SA-335M中復查供貨狀態下的熱處理工藝，正貨溫度不低于1040℃，回火溫度不低于730℃，并核對材質證明書中金相組織照片，是否會回火馬氏體組織；

3、對管材及管件進行硬度復檢，硬度值應在220HB左右，且≤250HB，嚴格控制布氏硬度不低于180HB。

4、對管材及管件進行100%目視檢查，包括直徑，壁厚復查，外觀質量，是否存在疤痕，疵點、刮傷等問題。

三、SA335-P91鋼的焊接、熱處理工藝的選擇及控制

1、確定預熱溫度及層間溫度

P91鋼合金含量高，焊接時有強烈的淬硬傾向，冷裂紋敏感性強。加之P91鋼用于大直徑、厚壁的管，結構剛性和拘束應力大，而焊后冷卻時接頭處組織應力大也增加了冷裂紋傾向，因此焊接前要嚴格控制預熱溫度。

按GB9446-88的插銷冷裂紋試驗來確定預熱溫度，共做了4 組16 個試件，編號1、2的為全氬弧焊，試件編號3、4的為全手工焊條焊接；試件載荷保持36h。試驗結果見表3。

由試驗數據可以確定預熱溫度應為200攝氏度以上，由于氬弧焊的熱輸入量較高，且焊絲的含氫量較低，氬弧焊可以控制在180℃以上。同時預熱可以延長冷卻時間，降低馬氏體轉變的的組織應力，有助于氫的溢出。馬氏體的相變溫度在380～400℃之間，馬氏體轉變結束溫度在約為100℃，層間溫度控制在200～300℃之間，因此控制層間溫度在200～300℃之間，目的是焊接過程中有利于部分馬氏體開始轉變。

2、控制線能量，制定焊接工藝參數

焊接應采用多層排道焊，嚴格控制線能量，避免在鄰近母材的HAZ細晶區域的開裂（Ⅳ型裂紋）的發生，通過線能量的計算公式，可以說明焊接熱輸入量控制要把焊接電流和焊接速度綜合考慮，一般P91鋼的焊接熱輸入量控制在19-22KJ/cm，參考曼斯特制造的焊材推薦的焊接電流電壓，制定P91鋼的焊接工藝如表4。

Q=60UI/V

式中Q-焊接線能量，（J/cm）；

I-焊接電流，（A）；

U-焊接電壓，（V）；

V-焊接速度，（cm/min）。

3、焊接材料的選擇

合金元素的確定，分析各個合金元素對焊縫的影響。由于焊材制造廠焊材的設計理念不同，同樣類型的焊材而不同制造廠家所配比的合金元素含量存在偏差。因此，選擇焊接材料時，為使焊縫與母材有等同的耐高溫蠕變性能和持久強度，盡量保證各合金元素接近母材成分，同時，也要考慮到T/P91合金鋼中的Mn、Ni、N、Nb等元素的配比是否合理，從而選擇更為合適的焊材。

（1）Mn和Ni元素的含量

Mn和Ni元素的含量適當超過母材規定的上限時，可以促進焊縫脫氧，提高焊縫沖擊韌性，保證焊縫質量。但Mn和Ni的聯合趨向于是焊縫金屬的低溫轉變溫度Ac1降低，因此，根據ASME Ⅱ卷 C篇中要求Mn+Ni的含量應控制小于1.5%，避免焊后熱處理溫度接近Ac1溫度，可能會引起微觀結構的不完全轉變，重新向奧氏體轉變。如曼徹特（METRODE）的P91焊材E9015-B9，注明了Mn+Ni的含量，且小于1.5%。見表3

表5 E9015-B9合金元素

（2）鉻當量的控制

通過控制鉻當量，可以保證P91鋼焊縫金屬得到相對單一回火馬氏體組織，鉻當量計算公式可以參照美國CE公司在Newhuose等人在工作的基礎上加以改進提出的。

Cr_eq= Cr＋6Si＋4Mo＋1.5W＋11V＋5Nb＋9Ti＋12Al

－40C－30N－4Ni－2Mn－1Cu

當Cr_eq≥12時，會出現δ-Fe，且含量隨Cr_eq值的升高，δ-Fe的含量增高。

焊縫中的δ-Fe組織會明顯降低金屬材料的高溫蠕變強度和沖擊韌性。

當10<Cr_eq<12時，鋼材組織不能簡單預測，但其化學成分可以作為參考；

當Cr_eq≤10時，組織中不會出現δ-Fe；

（3）其他合金元素的影響

P91管道主要應用在鍋爐蒸汽管道和加熱爐管道等，因此要嚴格控制C含量，可比母材略低。Nb、B含量對韌性有不利影響，但能夠提高蠕變強度，因此可以控制在母材元素的下限。N元素通過形成氮化物，提高屈服強度和抗拉強度，但會降低塑性和韌性，控制氮元素大約在0.04%左右，即為母材元素規定值的下限。對于Si元素，適當降低有利于焊縫金屬韌性的改善，所以選在焊材時，要考慮其含量略低于母材規定值，不高于0.3%。

4、焊接工藝的控制

（1）P91焊接施工時，應挑選技術水平較高，工作責任心強的焊工擔任，焊接檢驗的射線膠片等級要求提高，合格等級也適當提高，以減少焊接的缺陷，避免應力集中。

（2）焊接過程中，對氬弧焊要進行充氬保護，根部保護氬氣的流量一般控制在10L/min-15L/min，在實際過程中，可根據焊工需要進行調節，打底最后的封口焊時，應將氬氣流量適當調低，待焊接至少兩層（包括打底層）以上后，再關閉根部保護的氬氣。針對大管徑固定口的焊接，根部氬氣保護較為困難?？捎眯」茴^在坡口處充氬。為避免預熱和層間溫度造成水溶紙破裂或脫落，可在距離加熱片200～300mm增加一層水溶紙，用兩層水溶紙進行密封。焊接過程中，用手試探焊口處的氬氣氣流大小，以便調整充氬措施。

（3）每道焊口盡量連續焊接完成，如被迫中斷時，一定要降溫到100℃左右恒溫，將馬氏體進行完全轉化。繼續焊接時，應重新加熱到預熱溫度。焊接間隔時間不能過長，否則要將已焊接完成部分進行熱處理。

5、熱處理工藝的確定

（1）熱處理的時機。

P91鋼焊接完成應在100℃（馬氏體轉變結束溫度Mf）左右停留1h 左右，盡量使馬氏體完全轉化，完成后立即進行熱處理。對于施工現場所應用的厚壁鍛造或鑄造的法蘭、管件和閥門等，焊接完成后，應控制在90～100℃，且不低于90℃，保溫1h左右后，直接進行熱處理，以避免開裂。

（2）熱處理溫度的確定。

馬氏體低溫轉變溫度為800～830℃?；鼗饻囟葘91 抗拉強度和屈服、強度影響不大，只有在接近其AC1 點時，抗拉強度和屈服強度才發生顯著下降。因此熱處理溫度應低于低溫相變轉變溫度Ac1。在現場制實際應用過程中，由于選定焊材廠家的制造理念不同，熱處理的溫度也略有區別。因此熱處理溫度要參考焊條的材質證明書，并通過焊接工藝評定進行驗證。**石化裂解爐項目中，選用的焊接材料廠家為曼斯特制造的E9015～B9，材質證明書中建議的熱處理溫度為755℃，恒溫3h。

對于Cr-Mo鋼，回火參數[P]的變化范圍約為19.5～22，嚴格的說，每種Cr-Mo合金鋼均有一個最佳的回火參數范圍，而P91鋼的相對較為合理的回火參數為[P]=21。根據回火參數[P]計算公式，對曼斯特制造的E9015-B9說明書中的熱處理溫度及時間進行驗證，[P]在最佳的回火參數范圍。

[P]=T（20+logt）×10^-3

式中[P]-回火參數；

T-加熱溫度，K；

t-保溫時間，h。

（3）合理監控熱處理溫度，控制溫度的均勻性。

為保證熱處理過程中，管道的熱處理溫度均勻，應合理布置加熱帶和熱電偶。由于對流的影響，垂直的管道加熱帶上半側溫度高于下半側，水平的管道12:00的溫度最高，6:00溫度最低。因此，必須在垂直管道加熱帶上半側和水平管道的12:00位置設置熱電偶，以監控最高點的溫度，超過允許溫度。同時可以通過將保溫棉或加熱帶下移、增加內部保溫、薄弱位置增加保溫厚度、控制加熱帶綁扎口的位置等措施提高溫度均勻性。注意熱電偶布置時，要用小塊保溫棉將熱電偶與加熱片進行隔離，目的是監測的溫度為需監測區域的溫度，避免受加熱器的溫度影響。

（4）熱處理完成后的硬度檢查。

P91鋼熱處理完成后，為檢查熱處理的質量，要進行100%硬度檢測。其硬度一方面取決于母材的實際碳含量和合金成分，另一方面取決于焊接和焊后熱處理的溫度規范和冷卻條件。應注意熱處理過程中溫度最高處和較低處的硬度值檢查和對比，焊縫的硬度值不能低于母材，控在220～230左右，較為理想。但硬度檢驗存在片面性，例如熱處理的溫度超過了低溫轉變溫度，硬度會偏高；熱處理溫度未到熱處理要求溫度硬度值也會偏高。所以，應將熱處理曲線與硬度檢測值相結合，來確定熱處理的質量，如硬度值超標，根據實際情況采取割口重新焊接或重新熱處理。

四、結論

針對上述措施，進行了工藝評定的驗證，管材為德國曼內斯曼鋼管公司制造的SA335-P91，焊接材料為曼斯特制造的9MV-N/9CRMOV-N。其結果為抗拉強度及屈服強度符合ASME要求，室溫沖擊功平均值達到了73J，金相組織分析為回火馬氏體。

根據驗證合格后的工藝評定，編制現場施工用的工藝卡，在過程中嚴格監控焊接質量，實施后的焊縫36h后進行100RT檢測，并進行20%的UT抽檢。焊接一次合格率98%以上，光譜復檢及硬度檢測符合標準要求，水壓試驗一次合格。***石化乙烯裝置投產近兩年，P91鋼管道焊縫沒有存在異常，證明了上述工藝措施是切實可行的。