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P91鋼的焊接及熱處理工藝控制

作者:  人氣:149  日期:2021-05-16 09:36:33

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 %)

 

C

Mn

P

S

Si

Cr

Mo

V

Nb

N

Ni

Min

0.08

0.30

-

-

0.20

8.00

0.85

0.18

0.06

0.03

-

Max

0.12

0.60

0.02

0.01

0.50

9.50

1.05

0.25

0.10

0.07

0.4

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。

GB9446-88的插銷冷裂紋試驗來確定預熱溫度,共做了4 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380400℃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

C

Mn

P

S

Si

Cr

Mo

V

Nb

N

Ni

Mn+Ni

0.09

0.49

0.003

0.009

0.24

9.03

0.99

0.21

0.05

0.04

0.06

1.09

(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。

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

-40C-30N-4Ni-2Mn-1Cu

Creq≥12時,會出現δ-Fe,且含量隨Creq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。

10<Creq<12時,鋼材組織不能簡單預測,但其化學成分可以作為參考;

Creq≤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。可用小管頭在坡口處充氬。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℃。回火溫度對P91 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。

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