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E＆C T e c h n o l o g yI 工程技术 A3 3 5 P9 崔红涛 中国化学工程第十六建设有限公司湖北宜昌4 4 3 0 0 0 摘要 由于 A3 3 5 P 9钢优 良的耐高温性能 ， P 9钢在 电厂、 石化厂等得 到广泛应用 ， 以湖北金澳科技化工有 限公司 1 0 0万 t ／ a 延迟焦化装置建设工程为例介绍此种钢的焊接特性和注意事项。 关键词A3 3 5 P 9管道焊接工艺裂纹热处理 中图分类号 T G 4 7 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 2 湖北 金澳 科技化工有限公司 1 0 0万 t ／ a延迟焦化装置建设 工程 ，由我公司承担整个装置的安装工程。加热炉最高温度为 5 2 0 C，分馏反应 系统 高温介质 管道均用 P 9钢 ， P 9管道数量 比 较多， 焊I 5 1 数量为 2 3 1 1 条。在 P 9 管道实际焊接过程中， 容易产 生应力裂纹、 冷裂纹、 热裂纹、 弧坑裂纹及延迟裂纹， 有些裂纹不 易发现和预防，当装置投入使用后会造成巨大的经济损失和不 可预知的重大事故发生 焊接过程中必须防止各种裂纹的产生。 P 9管道焊接质量对整个工程来说尤其重要， 是管道安装的 重点， 更是难点。我公司结合现场具体情况， 在焊接工艺评定的 基础上制定了合理的焊接工艺和热处理工艺。 圆满完成了工程。 1 P 9钢焊接性分析 P 9钢属于高强度马氏体耐热合金钢， 在高温环境下具有较 好的组织稳定性、 高温蠕变断裂强度、 高温抗氧化腐蚀性能、 高 温持久强度， 但 P 9 钢可焊性较差 ， 焊接过程中要防止冷裂纹、 延 迟裂纹和再热裂纹的产生。 P 9 钢的化学成份和力学性能如表 1 。 1 ． 1冷裂纹 P 9钢冷裂纹敏感性主要由三个因素影响 P 9钢组织对冷裂 纹有敏感性； 在焊后马氏体转变中， 氢会以过饱和状态残 留在马 氏体中，使焊缝和热影响区产生脆性组织；焊后发生马氏体转 变， 使接头处组织应力增大。 焊接线能量较大时会造成层间组织 过热 ， 会出现粗大晶粒、 魏氏体组织和网状晶界， 这些组织易产 生裂纹源 ， 以致形 成裂纹并扩展。为了 防止发生焊接冷裂 纹 ， 必 须采取合理的焊接工艺， 如预热、 焊后缓冷、 后热、 焊后热处理。 1 ． 2低匹配焊接接头冷裂纹 焊接材料与母材低匹配焊接时， 容易产生焊接冷裂纹， 焊接 时必须提高焊接预热温度 ， 增加后热去氢处理温度和时间， 或者 采用焊材高匹配焊接方法， 才能解决低匹配焊接接头冷裂纹。 1 ． 3低硫钢氢致裂纹 由于 P 9 钢的实际含硫量达到 0 ． 0 0 5 ％以下，焊接这种低硫 马氏体耐热钢时， 特别是异种耐热钢焊接时， 很容易产生焊接热 影响区冷裂纹， 必须提高预热温度 ， 增加焊后去氢热处理时间 ， 并且焊后 立即进行 热处理 ， 或者 采用焊 材高匹配焊接方法 ， 以消 除焊接冷裂纹。 1 ． 4焊接接头 H A Z软化及I V 类裂纹 P 9耐热钢焊接接头具有焊接热影响区软化及蠕变断裂强 度降低现象 ， 焊 接接头经受 Ac l ～A c 3温度 区间加热后 ， 导致焊 接 HAZ晶粒性能发生明显变化， 室温强度、 蠕变断裂强度和硬 度明显下降， 高温运行过程中容易发生第Ⅳ类蠕变裂纹， 从而导 致焊接接头高温运行时早期失效。 1 ． 5弧坑裂纹 P 9钢焊接时， 用一般方法收弧容易产生弧坑裂纹 ， 焊接时 表 1钢材、 焊材的化学成份和力学性能表 t 誊 | 誊 l 誊 i 警 薯 鬟 甍l z 蠹 甏 骜 誊 羹 l 毯 l I餮 囊 甏 簦 | l甏 鹭 l 甏 ～ 睾 譬 巴 暄 I 誊 l 笺 鏊 | 毫 甏 篱 l l爨 强毫 筵 警 零毒 警 甍 鬣 |謦 蠹 鹭 摹 鬣 蠹 萋 菇 l 薯 ≯ 薯 鼍 曩l i | | 毹 l i j 霞l 。 c l ＼ 、 l s | | 母材 0 ． 1 2 0 ． 3 8 0 ． 4 4 0 ． 0 1 5 0 ． 0 0 3 8 ． 6 4 0 ． 9 5 7 7 7 3 6 1 、 il 1 甏 骢 Q n ∞ 乜m | 啦 ＼ 鼹 、 ∞| l i 警 1 | 霉 鼍 。 焊条 R 7 0 7 0 ． 0 8 0 ． 4 7 0 ． 6 8 0 ． 0 2 5 0 ． 0 0 2 9 ． 3 3 0 ． 9 2 7 3 5 1 7 7 ’2 l 石 油 化 工 建 设 2 o 1 4 ．0 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 可以采用逐渐减小电流或断弧叠加法收弧，保证填满弧坑后移 向坡 口边缘收弧 。 1 ． 6应力裂纹 管道错边、 强制对口和焊接缺陷会引起残余应力集 中， 另外 由于 P 9 钢本身结构刚性大、 拘束应力大， 当装置投入使用后， 由 于氢的扩散、 管道温度的反复升降、 外载力反复冲击、 外载力与 残余应力叠加等原因致使焊缝裂纹产生并最终开裂。一定要制 定合理的焊接工艺， 严格控制焊接过程， 焊缝需要圆滑过渡， 避 免棱角尖角以消除应力集中， 从而保证焊接质量。 从以上分析可以看出， 焊接 P 9马 氏体耐热钢时， 防止冷裂 纹和提高冲击韧性是主要问题。 2 P 9钢管道焊接工艺 2 ． 1焊前准备 1 管道焊接施工前， 组织施焊人员进行技术培训， 使焊接 施工人员掌握焊接方法、 程序、 作业技术要求和质量控制标准， 并进行焊接技能考试， 取得相应的焊接资格 ， 2 进行焊接工艺评定， 并在焊接工艺评定基础上制定焊 接 WP S或 WWI ； 3 坡 口采用管道坡 口机加工， 为带钝边单 V型坡口， 坡口 角度 0 【为 3 0 。～3 5 。， 坡口间隙 c为 3 ～4 ram， 钝边厚度 P为 1 ～1 ． 5 ram。不同壁厚管道坡 口加工及组对见图 1 ； 4 彻底清除坡 口内外母材表面两侧 2 0 ram范围内及焊丝 表面的油污、 铁锈、 水分、 毛刺等， 直至露出金属光泽。坡 口表面 1 ． 内壁尺寸不相等 2 ．外壁尺寸不相等 图 1 不同壁厚管子坡口加工及组对要求 进行渗透检测， 不得有裂纹等缺陷； 5 彻底清除坡口内外母材表面两侧 2 0 ram范围内及焊丝 表面的油污、 铁锈、 水分、 毛刺等， 直至露出金属光泽。坡口表面 进行渗透检测， 不得有裂纹等缺陷； 6 焊条经 3 5 0 C～4 0 0 C烘干 2 h，使用时放在 I O 0 C～ 1 5 0 C 保温桶内随用随取。 焊条使用超过 4 h应重新烘烤， 并且重 复烘烤不得超过两次。 2 ． 2焊接方法选择 采用手工钨极氩弧焊 G TAM 打底， 手工电弧焊 S MAW 填充盖面的焊接方法， 管道焊接时内部进行充氩保护。 2 ． 3焊接材料选择 焊接材料必须满足 P 9管道材料的化学成份、力学性能、 焊 接性能及工艺介质和焊接工艺要求，选用碱性低氢型焊接材料。 氩弧焊丝选用上海电力生产的 P P T I G R7 1 焊丝，焊条选用株 洲湘江生产的 R7 0 7 E 9 Mo -1 5 焊条。 焊接材料入库时， 必须仔细 核对合格证、 质量证明书， 并由一名保管员专门负责焊材的保管、 焊丝的清洗、 焊条的烘烤、 焊材的发放和回收， 并做好各种记录。 2 ． 4焊前预热 由于 P 9 钢是马氏体钢 ， 对氢非常敏感， 焊接过程中必须严 格控制含氢量及氢的扩散，即是要严格控制预热温度、层间温 度， 以减少焊件与焊缝的温度梯度， 从而防止冷裂纹和再热裂纹 的产生。焊接预热温度越高， 焊接冷裂纹倾向越小， 但过高的预 热温度也会促进产生焊接裂纹。 焊接预热温度的正确选择 ， 对焊 接冷裂纹的防止非常重要。 氩弧焊打底焊时， 由于其非常低的扩 散氢含量， 焊前预热温度为 1 5 0 C～2 0 0 C， 手工电弧焊的焊前预 热温度为 2 5 0 C～3 0 0 C。焊缝两侧需均匀加热且加热宽度不小 于壁厚的 3 倍 ， 采用电加热， 热电偶测温。 2 ． 5焊接工艺参数 焊接工艺参数见表 2 。层间温度不能低于焊接预热温度， 但 也不能过高， 层间温度过高会降低焊缝金属冲击韧性， 层间温度 控制在 2 0 0 C～3 0 0 C之间， 且质检员采用手持红外测温仪对层 间温度进行测量以控制层间温度。 2 ． 6现场焊接工艺控制 2 ． 6 ． 1双层氩弧焊打底焊接工艺 采用双层氩弧焊打底焊接工艺原因如下 P 9钢是一种高合 金钢， 氩弧焊焊时必须充氩保护， 打底焊与第二层焊接均能造成 背面氧化； 氩弧焊打底一层时焊层较薄容易导致烧穿， 影响根部 焊缝质量； 做一层氩弧焊打底时， 焊缝强度不够， 在外力作用下 容易产生裂纹。采用双打底焊接工艺， 确保了充氩的连续性， 保 证了焊缝的质量。注意打底焊接时， 不能像焊接一般钢材一样， 送丝一定要均匀， 不能靠送丝的力量突出根部 ， 否则容易造成根 部焊缝出现未熔合的焊丝头。另外大径厚壁管打底时，一人焊 接， 一人从另一侧监视打底情况。 2 ． 6 ． 2多层 多道焊工艺 P 9钢焊接时， 熔池铁水粘度大 、 流动性差 ； 采用小规范焊 接， 容易出现夹渣、 层间未熔合等缺陷。因此为了避免产生大的 表 2焊接工艺参数 石 油 化 工 建 设 2 0 1 4 ．0 1 J 7 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m E＆C T e c h n o lo g y I工程技术 缺陷， 采取多层多道小规范焊接， 每层焊道厚度不大于 4 ram， 这 样不仅可以控制焊接线能量 ，而且后层焊道对前层的热处理能 细化晶粒， 改善焊接接头的综合性能。 R7 0 7 焊条飞溅性较大， 脱 渣性能较差， 焊渣不易清理 ， 每层焊道必须清理干净 ， 尤其是接 头部位及焊道两侧， 需采用砂轮机打磨干净。 2 ． 6 ． 3管内充氩保护 为防止 P 9钢焊缝根部氧化 ， P 9钢氩弧焊打底焊接时必须 在管内部局部充氩保护。 充氩保护范围以坡E l 轴中心为基础， 每 侧各 2 5 0 ～3 0 0 mm处用海绵封堵， 从一端进行充氩， 充气保护装 置如图 2 ； 固定焊 口两侧均用可溶纸封住， 做成密封气室， 从坡 口间隙插入充气管进行充氩 可用打火机在气室打火进行检验 ， 若“ 点不着火” ， 则证明气室密封符合要求 ， 第一遍打底焊氩气 流量控制在 2 0 ～3 0 L ／ mi n ， 第二遍打底焊氩气流量控制在 1 0 ～ 2 0 L／ rai n。 一 一 海绵 图2 充气密封装置示意图 2 ． 6 ． 4施焊环境 为保证施焊环境不受影响， 采用防雨、 挡风、 防潮措施， 如搭 设工作棚等 ； 尽量减少在露天施焊 ， 随时了解天气预报情况， 避 免在恶劣天气下施焊；热处理单独接电源，以防止现场突然停 电， 保证热处理过程不断电。 焊接过程中除工艺和检验要求进行分层焊接者外 ，应一次 连续完成， 不应中断； 在管道焊接过程中若因故 如停 电、 大风、 下雨等 中断焊接， 必须按要求采用后热、 缓冷等措施。 再行焊接 前应进行检查 ，确认焊道无裂纹后方可按原焊接工艺要求进行 预热、 加热继续焊接 。 2 ． 6 ． 5后热消氢处理 焊缝焊后不能及时进行热处理， 应立即进行后热消氢处理， 具体方法是将焊缝加热至 3 0 0 ℃～3 5 0 ℃， 恒温 l h ， 然后缓冷至 室温。 2 ． 6 ． 6 焊 后热处理 为了尽可能降低焊接残余应力及获得 良好的综合性能， 采 用 7 6 0 ℃～7 7 0 ℃高温回火热处理。 升降温速度不大于 l 6 0 ℃／ h ， 恒温时间3 h， 降温至 3 o 0 ℃以后可自然冷却。 焊接热过程示意图 如 图 3 。 3质量情况 P 9钢 管道焊 接从 2 0 1 1 年 7月 1 5日至 l 0月 1 0日全 部结 束。P 9钢焊接接头容易产生延迟裂纹， 热处理 2 4后所有焊缝进 行 1 0 0 ％射线检测 ，共检测 2 3 l 1 道焊 口，焊 口一次合格率达 7 4 I 石 油 化 工 建 设 2 0 1 4 ．O 1 ℃ 时 阀 h 图 3焊接热过程示意图 9 9 ． 1 ％， 不合格焊 口主要是错变量比较大的焊口及不易操作位置 固定的焊口 共 2 1 道 。 焊缝抽检 1 2道进行光谱分析， 焊缝化学 成分完全符合要求。为了确保装置投入使用后 P 9钢焊缝无问 题， 也是为业主负责， 让业主放心， P 9 钢管道在试压后开车前所 有焊缝进行超声波和着色渗透检测，发现 3 道焊 口产生延迟裂 纹， 及时进行了返修处理， 无损检测一次返修合格率 1 0 0 ％。 热处 理后焊缝硬度按照标准规范进行 2 0 ％ 抽检 ， 检测焊 口5 9 9道 ， 焊 缝区平均硬度 2 5 0 HB， 热影响区平均硬度 2 0 0 HB， 硬度检测一 次合格率 1 0 0 ％。 4注意事项 通过实际操作发现， P 9钢合金含量高， 焊接性差 ， 容易产 生冷裂纹、 延迟裂纹 ， 所以需要特别注意以下几点 1 选用低氢型焊条，焊条必须按说明规定进行 3 5 0 ℃～ 4 o 0 ℃恒温 1 ～2 h烘烤 ， 保证焊条干燥性 ； 2 采用小线能量多层多道焊， 大管径厚壁管采用双打底 焊接工艺 ； 3 收弧时采用衰减电流法收弧， 将弧坑填满； 4 由于焊条脱渣性差 ， 每层焊道必须清理干净， 并严格控 制层 间温度 ； 5 必须保证焊缝圆滑过渡， 避免焊缝有棱角及尖角产生， 从 而减少应力集 中； 6 严格按规定进行焊前预热、 后热消氢处理及焊后热处 理 ， 并严格控制预热及热处理 温度 与时间。 5结论 经过我单位金澳项目部上下共同努力下， 并通过监理的严 格把关， 对 P 9钢管道焊接过程实施全程监控， 圆满完成了工程。 湖北金澳科技化 工有 限公司 1 0 0 t ／ a延迟焦化装置 P 9管道 焊缝 通过各项检测 外观检测、 无损检测、 光谱、 硬度检测 和水压试 验检测， 焊缝各项指标符合规范要求， 焊缝质量优良。通过实践 证明， P 9管道焊接采用上面的焊接工艺和热处理工艺是切实可 行的。 由于P 9钢可焊性较差， 在现场施工中， 要根据现场实际环 境条件， 制定合理的焊接工艺和控制措施， 并全程控制以保证其 正确有效实施。 收稿 H期 ； 2 0 1 3 - 0 7 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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