焊接技师论文3.doc

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焊接技师考评论文广东粤电靖海发电厂一期2×600MW超临界机组工程高压导汽管道的焊接工艺

焊接技师考评论文

10Cr9Mo1VNb高压蒸汽管道的焊接工艺

作者：

广利发

10Cr9Mo1VNb高压导汽管道的焊接工艺

摘要：

10Cr9Mo1VNb钢以其良好的高温热强性和抗氧化性能，长期运行下优异的组织稳定性，造价低，管壁薄,重量轻，便于安装等优点，在高温高压管道上获得越来越多的应用。

本文就高压管道10Cr9Mo1VNb钢的焊接过程作了详细的论述，以期对以后该类材料的焊接起到一定的借鉴作用。

关键词：

10Cr9Mo1VNb高压导汽管焊接工艺预热焊后热处理

一、前言

该高压管道的材质为10Cr9Mo1VNb,规格为OD324×50mm，设计压力为25.4Mpa，设计温度为576℃。

10Cr9Mo1VNb钢是我国引进P91钢并国产化的新型钢种（美国牌号SA335-P91），P91钢是美国机械工程协会（ASME）为了填补珠光体耐热钢和奥氏体不锈钢之间600-650℃温度区域使用的汽水管道用钢的空白研制的，由于其出色的高温性能和650℃以下优良的持久和蠕变性能以及低的线膨胀导数，良好的工艺性，成本低（合金量9.5-11.5%）。

长期运行下有优异的组织稳定性，而且

管壁薄、重量轻、便于安装等优点，所以国内外大型发电机组大口径高温高压管道和联箱都趋向于选用这种钢材。

随着该材料国产化进程的不断加快，以后我们会越来越多的采用国产的10Cr9Mo1VNb钢。

二、可焊性分析

1.10Cr9Mo1VNb钢的特点

10Cr9Mo1VNb钢属于9Cr-1MoVNb钢种。

是在9Cr-1Mo的基础上添加V、Nb等碳化物元素，并采用真空脱氧，炉外精炼技术，S、P含量极低，在1040-1060℃正火空冷+760-780℃回火后得到的一种单相马氏体组织，其高温性能明显改善。

该钢具有较好的热强匹配和强韧匹配，其化学成分和机械性能见表一。

表一10Cr9Mo1VNb钢的化学成分及机械性能

C

Mn

Si

Cr

Mo

V

Ni

Al

N

Nb

P

S

抗拉强度

（Mpa）

屈服强度

（Mpa）

伸长

率

（％）

0．08—　0．12

0．30

—

0．60

0．20

—

0．50

8．00

—

9．50

0．85

—

1．05

0．18

—

0．25

≤

0．40

≤

0．04

0．030—

0．070

0．06

—

0．10

≤

0．020

≤

0．010

≥

585

≥

415

≥

20

2．焊接特性

10Cr9Mo1VNb钢由于化学成分经调整其高温性能明显提高，但其主要是通过加入Cr、Mo、V、Nb等强碳化物元素，焊接时在高温空冷下易产生淬硬的马氏体组织，根据国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量计算公式：

Ccq=C+Mn/6+Ni/15+Cu/15+Cr/5+Mo/5+V/5（%）

由上式可知：

10Cr9Mo1VNb钢的Ccq=2.407%，这说明该材料的可焊性较差，有较大的淬硬倾向，接头冷裂纹和脆化是焊接该材料的主要问题。

另外，由于马氏体钢导热性差，焊接残余应力较大，在焊接工艺选择不当时，冷裂倾向很大。

另一方面，由于10Cr9Mo1VNb钢C含量较低，又采用真空脱氧，炉外精炼技术，S、P含量极低，该材料具有较好的热塑性和韧性。

所以，焊接时只要正确选择焊前预热、焊接工艺参数和焊后热处理规范，同时避免强力对口，控制焊缝中的

含氢量，冷裂和脆化是完全可以避免的，从而获得优质的焊接接头。

三、焊接工艺

1．焊接方法：

采用钨极氩弧焊（GTAW）打底，电弧焊（SMAW）填充和盖面的焊接方法。

2．焊接材料：

选用日本神户制钢所株式会社生产的焊材，焊丝型号为TGB-9CB，焊条型号为CM-9CB。

其化学成分见表二。

表二CM-9CB和TGB-9CB的化学成分（%）

焊材

型号

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Mo

V

Nb

Cu

CM-9CB

0．06

0．36

1．48

0．006

0．001

0．98

9．37

1．07

0．19

0．03

—

TGB-9CB

0．07

0．20

1．00

0．008

0．002

0．71

8．94

0．89

0．17

0．04

0．19

焊条在焊前须经300～350℃烘干1小时，120℃恒温存放，现场焊条筒必须通电保温，并扣好筒盖，焊条随用随取。

焊条在领出4小时后不能继续使用，必须退回焊条库。

选用氩气作为保护气体，氩气纯度≥99.95%，用于钨极氩弧焊接和背面充氩气保护。

3．焊前准备

（1）坡口清理：

对口前先把坡口（U形）两侧管子内外各20～30mm范围内打磨干净，直至露出金属光泽，确保无漆斑、油渍、铁锈、水分、氧化物或其他对焊接有害的物质。

对口前在管壁内两侧距焊口500mm的位置采用水溶性纸封堵管口，用专用耐高温胶带粘贴，最好粘贴2～3层水溶纸，做成密封性气室。

要特别注意检查管子内壁水溶性纸是否粘贴够牢，以防在预热期间脱落，造成前功尽弃。

用手电筒检查背面焊缝是否错口，整个焊口间隙是否均匀。

（2）对口：

保证内壁平齐，错口值不得大于1mm。

对口时用3～4块锲形块（材质与母材相同或相近）均匀分布点焊（用GTAW方法）在坡口上，点焊工艺及规范与正式施焊时相同。

对口方法和尺寸下图所示。

注意在焊完两层电弧焊后，方可用砂轮机磨掉焊点去除锲形块，以免拉裂母材。

（3）焊前预热

焊前预热是焊接马氏体钢防止冷裂纹和脆化的重要措施。

根据广东火电工程总公司提供的焊接工艺卡（WPS），氩弧焊打底时的预热温度为100℃～150℃，

电弧焊时的预热温度为250℃～300℃，并保持层间温度为300℃～350℃。

采用远红外电加热方法加热，用热电偶测温，温度记录仪作焊接全过程的温度记录。

（4）焊口背面充氩气保护

10Cr9Mo1VNb钢焊接时，为了防止根部焊缝由于过热而产生过烧（氧化），管内必须充氩气保护。

用铜管在对口间隙处（上爬坡9～10°）插入高压导汽管中进行充氩保护，充氩应提前20分钟进行以便排出管内空气，对口间隙处用胶布封住，在仰焊处留一小段不封以便排出管内的空气。

氩气流量为16～20L/min。

在现场中，我们采用自制铜管（ф6～8mm），以便插入氩气皮管，长7～10cm,前端打扁磨薄后两面钻数个小孔，以利于氩气往两边喷出。

特别注意的是，要检查气室的密封性后才能施焊。

焊前用打火机打着火在还没封住的那段间隙试一下有没气体冒出来，如果打火机火焰给吹掉了，那就证明里面气室的密封性很好，这就可以施焊了。

4．焊接

（1）氩弧焊打底

氩弧焊打底是保证焊口质量的关键一步。

焊接顺序和方向如下图所示。

说明：

Ⅰ～Ⅳ表示施焊先后顺序。

由于10Cr9Mo1VNb钢中Cr含量是8.0-9.5%,焊接接头性能的劣化是焊接该钢种的主要问题。

焊缝金属没有控轧、形变热处理的机会，晶粒不能细化，焊缝的韧性远不如母材。

且母材受到焊接热循环的影响，焊接热影响区性能明显劣化。

此种焊接接头性能劣化随焊接线能量增大而加剧，所以应采用小电流施焊，注意熔池要化得开，在坡口两边一点一点进行加丝，使打底焊缝均匀美观。

氩弧焊打底其它部位全完成后，撤掉充氩的铜管，将剩余的氩弧焊打底进行完。

（2）电弧焊填充和盖面

为了减少焊接变形和提高工作效率，电弧焊时采用两人对称施焊，可以减少焊接应力和变形。

焊接时采用小规范多层多道焊接方法，如下图。

第一层电焊选用φ2.6mm焊条，在保证熔化良好的前提下，尽量减少电流，以免烧穿氩弧焊打底焊缝。

第二层用φ3.2mm焊条；第三层以后用φ4.0mm焊条，电焊中间层填充为7～8层；盖面时采用φ3.2mm焊条，吊焊分三道盖面，横焊七至八道盖面。

焊层厚度控制在焊条直径加2mm以下，层间温度控制在250～350℃。

控制层间温度在250～350℃是保证焊缝质量很重要的因素，两人施焊时尽量错开，避免在某一段焊缝同时焊接，造成局部温度超高。

焊接时注意焊条的摆幅不能过大，焊条摆幅不超过焊条直径的4倍。

接头应错开10~15mm，同时注意尽量焊得平滑，便于清渣和避免出现“死角”。

焊接规范参数见表三:

5．后热及焊后热处理

（1）后热

焊接完成后先降温至100~120℃，恒温1～2小时，进行马氏体转变。

焊后应立即做热处理，若特殊情况下不能做则应在焊口焊接完毕后立即升温到300～350℃，进行恒温1～2小时的脱氢处理，以免产生裂纹。

（2）焊后热处理

10Cr9Mo1VNb钢焊后由于存在空冷淬硬组织，以及残余应力较大，必

加以消除，须进行高温回火的焊后热处理。

升、降温速度：

250×25/壁厚（℃/h），且不大于150℃/h；热处理温度：

760±1O℃；

恒温时间：

1小时×壁厚/25mm，最少不得少于4小时；

加热范围：

≥6倍焊缝厚度。

四、焊接技术要点

1．焊接操作中应注意“三小一多、薄而快”的要领，即：

采用小规格焊条、小电流、小摆动、多层多道焊工艺，焊层薄，焊速快。

关键因素是通过控制线能量而降低热输入量，避免层间温度过高、焊层过厚，导致形成焊缝晶粒粗大，影响焊接接头力学性能。

2．应严格控制预热温度及层间温度，在防止裂纹的产生的同时，确保得到晶粒细小的焊后组织；合理布置热电偶位置并由专业热处理人员进行监测，确保层间温度不超过350℃。

3．打底时，一人打底，另一人在另一侧进行监督并根据需要调节电流的大小，避免根层焊缝出现氧化、未焊透等缺陷。

打底结束封口后将电弧引导到坡口边收弧，避免产生缩孔现象，以保证打底质量。

氩弧焊打底层厚度控制在2．8～3．2mm。

4．由于该种材料熔池铁水较粘，所以注意要观察两侧坡口以及接头金属熔化是否良好，避免未熔合缺陷的产生，加强层间焊渣清理干净，防止焊缝夹渣。

收弧时注意要填满弧坑，以免产生弧坑裂纹。

5．现场安装施工时严格按工艺要求控制好焊接及热处理过程中影响焊缝性能的每一个环节，确保焊接接头的综合性能满足设计要求。

五、焊接质量检验

根据进行100%的UT检验，另做100％的表面PT检验。

检验结果表明，所采用的焊接工艺是可行的，焊接质量一次检验合格率达到了100%，焊接质量优良，得到业主、监理好评。

六、结论

10Cr9Mo1VNb钢材焊接，采用焊前打底预热100～150℃，电焊层预热250～300℃，层间温度控制在250～350℃，焊后740～760℃高温回火的工艺是能获得合格的焊接接头的，经过安全运行，也证明了上述焊接工艺是可行的。

七、致谢

特此致谢。

由于本人水平有限，有不足和谬误之处，恳请指正。

八、参考资料

1、《焊接治金与金属焊接性》（周振丰张文铖合编机械工业出版社）

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