P91 耐熱鋼厚壁管埋弧焊工藝

0 前 言

某GCGV 烯烴裂解廠項目包括裂解爐模塊工作包、 烯烴分離和處理模塊工作包、 乙二醇模塊工作包和聚乙烯模塊工作包， 設(shè)計烯烴年產(chǎn)量為180 萬t。 項目建設(shè)涉及大量耐熱鋼材料的焊接， 其中P91 耐熱鋼材料的工作量較大且焊接性比較復(fù)雜。 通過對裂解爐高溫蒸汽管道P91 耐熱鋼的化學(xué)成分、 力學(xué)性能及焊接性分析， 完成了P91 厚壁管埋弧焊焊接工藝評定試驗， 實現(xiàn)了P91 埋弧焊焊接工藝在該項目的應(yīng)用。

1 試驗材料

焊接工藝試驗采用美標(biāo)ASTM A335 P91 管，規(guī)格為Φ457.2 mm×23.88 mm。 P91 鋼是通過微合金化制造的細(xì)晶強(qiáng)韌型馬氏體耐熱鋼， 具有耐高溫性能（≥600 ℃） 和耐高溫蒸汽壓力（≥25 MPa），具有較低的碳含量、 較低的雜質(zhì)含量 （S、 P 等元素）， 同時， 具有較高的屈服強(qiáng)度及良好的沖擊韌性和高溫蠕變斷裂強(qiáng)度。 項目規(guī)格書要求P91 材料要有EN 10204 3.1 認(rèn)證且符合標(biāo)準(zhǔn)要求， 按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM A335 要求其產(chǎn)品化學(xué)成分見表1。

在世界范圍內(nèi)，較早涉及到銷售管理系統(tǒng)的理論和實踐可以追溯到上個世紀(jì)。當(dāng)時，在1960年前后，作為先進(jìn)科技代表的美國在傳統(tǒng)的計劃經(jīng)濟(jì)管理的基礎(chǔ)上，提出了物質(zhì)需求管理計劃(Material Requirement Planning，簡稱“MRP”)。在當(dāng)時背景下，打破了傳統(tǒng)的固有管理模式，大大提升了商業(yè)貿(mào)易效率。在隨后的時間里，計算機(jī)理論和技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使得傳統(tǒng)的人為干預(yù)的記錄、計算逐步被計算機(jī)所代替。此時，以美國為代表的計算機(jī)領(lǐng)域太陽、甲骨文和微軟等知名公司，都相繼推出了功能較為完善的銷售管理軟件軟硬件產(chǎn)品。[1]

P91 鋼化學(xué)成分比較復(fù)雜， 碳當(dāng)量較大（本研究采用的P91 管碳當(dāng)量為2.14%）， 焊接性差， 焊接時需防止冷裂紋和再熱裂紋的產(chǎn)生。 焊接過程對工藝參數(shù)極為敏感， 存在熱影響區(qū)粗晶區(qū)韌性惡化、 細(xì)晶區(qū)軟化、 焊縫金屬產(chǎn)生裂紋及韌度遠(yuǎn)低于母材的問題， 因此必須進(jìn)行較高溫度預(yù)熱及焊后熱處理 （PWHT）， 以確保焊縫金屬和焊縫熱影響區(qū)得到較好的韌性， 避免出現(xiàn)焊接裂紋。 P91 鋼焊接一般采用小的焊接熱輸入， 并嚴(yán)格控制冷卻時間， 以防止焊縫區(qū)組織粗大， 較常用的焊接工藝方法為GTAW 和SMAW。 對于SAW 工藝， 由于其焊接電流、 電壓等參數(shù)較大， 需要更加嚴(yán)格地控制焊接過程。

由于生產(chǎn)力的發(fā)展和井田制進(jìn)一步破壞，使一家一戶為生產(chǎn)單位的小農(nóng)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展起來。這樣，生產(chǎn)關(guān)系發(fā)生了變化，導(dǎo)致在社會政治制度方面也有所變化。新興地主階級和工商業(yè)者，要求打破過去是世卿世祿的權(quán)政治格局。新興的廣大擁有私田的平民也要求脫被奴役的地位；廣大的奴隸，更是極力要求解放，不斷進(jìn)行斗爭。新興地主階級和工商業(yè)者，在奴隸反抗和平民沉重打擊奴隸主反動統(tǒng)治的基礎(chǔ)上，向奴隸主貴族開了革命奪權(quán)斗爭。軍功爵制就是在這種歷史背景下產(chǎn)生、發(fā)展起來的。

2 焊接工藝試驗

2.1 焊接材料的選擇

點焊前必須進(jìn)行高溫預(yù)熱， 可采用烤把加熱， 保證坡口及周邊75 mm 范圍內(nèi)溫度達(dá)到200～250 ℃。 點焊位置如圖2 所示， 至少4 個定位焊點， 點焊采用的橋接塊如圖3 所示， 點焊應(yīng)焊在坡口表面， 不允許在母材表面， 且不應(yīng)在打底焊位置。

2.2 焊接工藝

2.2.1 坡口準(zhǔn)備和組對

（1） 需要仔細(xì)清除坡口及內(nèi)外表面的各種污染物質(zhì)， 去除坡口內(nèi)外表面25 mm 范圍內(nèi)的雜質(zhì)并打磨干凈直至露出金屬表面。

3.增強(qiáng)溝通機(jī)制，搭建互動平臺。多年的實踐證明，油田與地方政府及農(nóng)戶的關(guān)系具有接觸時間長、工作頭緒多的特點。因此，油田應(yīng)與地方政府建立多層次的溝通機(jī)制，堅持高層會晤、油地部門聯(lián)席會議以及基層工作座談會等制度。油地雙方建立健全聯(lián)防聯(lián)治機(jī)制，對重點油氣井、油氣聯(lián)合站、油氣罐區(qū)、油庫等重要基礎(chǔ)設(shè)施，實行承包責(zé)任制；大力開展工農(nóng)共建、文明油區(qū)創(chuàng)建活動，密切油地關(guān)系，創(chuàng)建模范油區(qū)；在重要設(shè)施建設(shè)、整體規(guī)劃部署上公開公平地進(jìn)行協(xié)商，本著互惠互利的原則，制定相應(yīng)的發(fā)展策略，從而達(dá)到增進(jìn)相互了解和信任，實現(xiàn)企地關(guān)系的良性互動。

2.2.3 背部充氣

（3） 背部供氣需保持直到焊接完成6.5 mm厚填充金屬。

混凝土澆筑主要質(zhì)量控制點之三“澆筑后”。對拆模后的混凝土及時覆蓋毛氈，并采取澆水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間不少于28 d，養(yǎng)護(hù)期間保持混凝土表面濕潤。

很快他輕聲地驚叫起來。我的大王不見了。他認(rèn)定杜一朵在他接聽電話的時候偷走了他的大王。他要搜查懷疑者。游戲漸失規(guī)矩，但不乏彌漫著的微醺的情趣。他摟住嬉笑躲避的一朵施展隔衣取物的官方手法。一朵麻癢著哈哈大笑。效果出奇的好。

（3） 禁止火焰切割坡口， 坡口只能采取加工或打磨方式。 等離子切割的坡口需要打磨3 mm至光亮金屬并禁止通過焊接來修復(fù)不規(guī)則邊緣。焊接坡口形狀及尺寸如圖1 所示。

（2） 焊接工藝參數(shù)。 焊接時應(yīng)嚴(yán)格控制工藝參數(shù)， 采用小的焊接熱輸入并防止晶粒長大。 此外要重點關(guān)注起弧和收弧點位置， 保證起弧和收弧弧坑填滿， 焊道間的起弧點錯開； 打底GTAW 焊需要使用高頻引弧電源。 焊道如圖5 所示， 具體的焊接工藝參數(shù)見表2。

本研究P91 鋼焊接采用GTAW+SMAW+SAW方法。 GTAW 打底， 為避免直接使用埋弧焊出現(xiàn)焊漏， 采用SMAW 填充一遍， 其余采用SAW 工藝。 焊材的選擇， GTAW 采用奧林康CARBOROD Φ2.4 mm 焊 絲， SMAW 采 用 林 肯Cr-Mo91 CROMOE91 Φ3.2 mm 焊條， 埋弧焊采用奧林康OE-S1 CRMO91 Φ2.4 mm 焊絲搭配使用焊劑OP 90W。

（2） 組對前須進(jìn)行滲透檢驗 （PT ） 以保證待焊接區(qū)域 （坡口外表面25 mm 范圍） 無微觀裂紋。 PT 檢驗時注意管內(nèi)壁保護(hù)， 防止污染。

（1） P91 屬于高合金鋼， 為避免焊接時背部焊縫氧化， 焊前需背部進(jìn)行充氬氣保護(hù)。

（2） 打底焊接前， 必須使用純度不小于99.995%的氬氣充滿管內(nèi)且背部含氧量低于1%。

雷雪英用記憶癥狀評估量表（memorial symptom assessment scale，MSAS）測量工具，采用便利抽樣法調(diào)查發(fā)現(xiàn)，肝硬化患者各癥狀分量表與生活質(zhì)量各維度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在-0.86～-0.05，提示肝硬化患者的癥狀體驗對其生活質(zhì)量呈負(fù)面影響，即患者癥狀水平越高生活質(zhì)量越低[6]。

隨著時代的不斷更替，人們的審美也發(fā)生了天翻地覆的變化。過去曾喜愛的或者是推崇的，可能在下一個時代會被棄之敝屣。粉彩花鳥題材的作品無論是清雅的還是雍容華貴的都各有追隨者與欣賞者。

2.2.4 焊接參數(shù)

（1） 焊接預(yù)熱。 正式焊接需要使用電加熱，保證焊道周邊75 mm 范圍內(nèi)預(yù)熱200～250 ℃，層間溫度最大為300 ℃。 預(yù)熱溫度監(jiān)控采用熱電偶， 加熱區(qū)域如圖4 所示。

張連長有些急了:“哎,曲干事,話不能這么說啊!她的情況,你又不是不清楚。同情歸同情,感動歸感動,事情歸事情,不是連你都沒權(quán)力……”

2.2.2 點焊

（3） 消氫處理。 除了定位點焊外， 其余焊道焊接完成或焊接發(fā)生中斷， 立即進(jìn)行300～350 ℃至少保溫2 h 的消氫處理。 然后焊件緩冷到93 ℃以下， 以保證奧氏體最大限度地轉(zhuǎn)化成馬氏體。

（4） 外觀檢驗。 焊縫成形良好， 焊縫與母材圓滑過渡， 無裂紋、 氣孔、 夾渣和飛濺， 焊縫寬度均勻， 不允許有咬邊。 其他要求應(yīng)滿足ASME B31.3 和業(yè)主規(guī)格書的相關(guān)要求。

（5） 焊接后的NDT 檢測。 待焊接試件冷卻到室溫后， 按照ASME BPVC IX 要求進(jìn)行NDT檢測， 包括磁粉檢測 （MT） 和射線檢測 （RT），保證焊縫質(zhì)量合格， NDT 檢測結(jié)果合格。

（6） 焊后熱處理。 對于所有P91 材料的焊接接頭， 無論壁厚和直徑都需要焊后熱處理，熱處理應(yīng)按AWS D10.10 執(zhí)行， 必須采用電加熱片或感應(yīng)加熱帶及保溫棉， 將熱電偶設(shè)置在適當(dāng)?shù)奈恢靡允购缚p及周邊全厚度加熱均勻。本工藝采用局部熱處理方法， 加熱方式采用電加熱片， 要求保溫溫度為760℃±14℃， 保溫時間為2 h （每25 mm 保溫2 h）， 400 ℃以上的加熱速率為100～150 ℃/h， 冷卻速率最大為200 ℃/h。 其中對最小加熱帶寬和保溫棉寬要求如圖6 所示。

（7） 熱處理后的NDT 檢測。 為避免出現(xiàn)延遲裂紋， 熱處理完成后至少經(jīng)過48 h 才可進(jìn)行NDT 檢測， 包括MT 和RT 檢測， 確保焊縫質(zhì)量合格。

3 力學(xué)性能檢測

3.1 拉伸試驗

工藝評定拉伸試驗參照ASME BPVC IX 和ASTM A370 進(jìn)行， 要求試樣抗拉強(qiáng)度不小于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低抗拉強(qiáng)度。 拉伸試驗結(jié)果見表3，從表3 可以看出， 拉伸試驗結(jié)果滿足ASTM A355關(guān)于P91 材料規(guī)定的最低抗拉強(qiáng)度要求485 MPa。

3.2 彎曲試驗

按照ASME BPVC IX 要求， 焊件厚度10 mm以上可采用側(cè)彎試驗， 側(cè)彎試驗壓頭直徑40 mm，彎曲角度180°， 4 個側(cè)彎試驗彎曲后彎曲面均無焊接缺陷， 滿足標(biāo)準(zhǔn)ASME BPVC IX 的要求。

3.3 沖擊試驗

沖擊試驗需在母材、 焊縫金屬和熱影響區(qū)進(jìn)行。 按照標(biāo)準(zhǔn)要求， 除非業(yè)主或承包商同意外，所有焊接方法的沖擊功接收值均為20 ℃均值34 J，單值不小于27.2 J。

沖擊試驗按照ASME BPVC IX 和ASTM A370要求進(jìn)行， 試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm， 沖擊試驗溫度按照技術(shù)要求為20 ℃， 沖擊擺錘采用KV8， 試驗結(jié)果見表4。

3.4 硬度試驗

項目規(guī)格書要求工藝試驗進(jìn)行微觀硬度檢測， 包括焊縫區(qū)、 母材和焊接熱影響區(qū)。 硬度檢查在全厚度焊縫的宏觀試樣進(jìn)行， 要求硬度值滿足200HV

～290HV

。 硬度試驗打點位置如圖7所示， 試驗結(jié)果見表5。

4 金相檢測

業(yè)主技術(shù)規(guī)格書要求對于PQR 試樣進(jìn)行宏觀金相檢測和微觀金相檢查， 并且要求焊縫和熱影響區(qū)金屬微觀組織為100%回火馬氏體。 具體試驗結(jié)果如圖8 所示。 從圖8 可以看出， 焊接接頭無焊接缺陷， 焊縫和熱影響區(qū)均為回火馬氏體組織。

針對整體空間三維立體化設(shè)計，必是未來高密度環(huán)境下建筑設(shè)計的一種趨勢，這種趨勢在未來科幻電影中均有體現(xiàn)。試想在我們生活的現(xiàn)實中，樓房在有限的用地中一方面會向高處發(fā)展，于是越來越多的空中花園、空中運動場和室外空中集聚地等出現(xiàn)；另一方面會挖掘地下空間，出現(xiàn)地下停車場、地下運動場等。現(xiàn)代的校園設(shè)計也在慢慢汲取這些概念，不同功能分層次橫豎向進(jìn)行穿插[15]。這也呼應(yīng)了本論文提出的將功能塊分解，重新組構(gòu)集合在一個新的三維空間中。

5 生產(chǎn)應(yīng)用

按照ASME BPVC IX 完成了P91 鋼的焊接工藝評定， 各項試驗結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)和項目規(guī)格書的要求。 該埋弧焊焊接工藝得到業(yè)主的批準(zhǔn)和認(rèn)可， 在承建項目得以應(yīng)用， 極大地提高了P91 材料的焊接效率， 各焊接方法的焊接工時見表6。 在焊接施工中， 尤其是大管徑、 厚壁管的焊接效率提升更為顯著， 為普通手工電弧焊的10 倍左右。

6 結(jié) 論

（1） 通過對P91 材料埋弧焊焊接材料的選擇、 工藝參數(shù)研究和焊接過程的控制， 避免了P91 耐熱鋼焊接冷裂紋的產(chǎn)生， 保證焊接接頭的力學(xué)性能滿足要求。

（2） 對于P91 材料焊接需要嚴(yán)格注意焊接過程的溫度控制， 包括200～250 ℃高溫預(yù)熱、 焊后300～350 ℃保溫2 h 的消氫處理以及溫度（760±14 ） ℃保溫2 h 的焊后熱處理。 另外， 為避免焊接接頭的硬度超標(biāo)， 在進(jìn)行PWHT 之前，需要將焊縫冷卻到93 ℃以下， 最大限度地使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

（3） 按照標(biāo)準(zhǔn)ASME BPVC IX 和業(yè)主規(guī)格書要求完成了P91 埋弧焊焊接工藝評定， 并且成功應(yīng)用于項目焊接， 顯著提高了P91 鋼的焊接效率。

[1] ASME. Welding，Brazing and Fusing Qualifications：ASME BPVC IX—2019[S].New York：ASME，2019.

[2] American Welding Society. Recommended Practices for Local Heating of Welds in Piping and Tubing：AWS D10.10-D10.10M—1999[S].Miami：AWS，1999.

[3] American Petroleum Institut. Use of 9Cr-1Mo-V (Grade 91) Steel in the Oil Refining Industry：API TR 938-B[S]. Washington：API，2008.

[4] American Petroleum Institute. Welding Guidelines for the Chemical，Oil, and Gas Industries：API RP 582—2016[S]. Washington：API，2016.

[5] American Petroleum Institute. Fabrication Considerations for Vanadium-Modified Cr-Mo Steel Heavy Wall Pressure Vessels：API TR 934-B—2011[S].Washington：API，2016.

[6] 公永建，郭建鋒，丁光柱. SA335-P91 鋼焊接及焊后熱處理工藝[J]. 焊接技術(shù)，2015，44（5）: 84-86.

[7] 王敬紅. P91 鋼的焊接工藝評定及現(xiàn)場焊接[J]. 焊接技術(shù)，2001，30（1）：42-43.

[8] 王文瀚. 焊接技術(shù)手冊[M]. 鄭州: 河南科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[9] 尹士科.焊接材料手冊[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[10] 錢昌黔.耐熱鋼焊接[M].北京:水利水電出版社，1988.