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P91钢的焊接及热处理工艺控制

编辑:  人气:677  日期:2021-05-16 09:36:33

一、前言

    P91合金钢在石油化工中主要应用在高压蒸汽、加热炉管道上,具有良好的耐高温强度和蠕变性能,在500℃以上运行,相比22等级的高合金钢具有高的热强性及抗氧化和抗腐蚀性能。但SA335-P91钢属于回火马氏体钢,焊接性较差。焊接时其突出问题是焊缝性能劣化和HAZ性能劣化。如不采取正确合理的工艺,很容易产生冷裂纹、再热裂纹以及焊缝的韧性低、热影响区软化等问题。如果焊接质量得不到保证,P91的优势将不复存在,并会化工生产运行的安全性带来威胁。

   ****石化乙烯装置裂解炉中的超高压蒸汽管道设计压力为11.74MPa,设计温度为540℃。采用的为德国曼内斯曼钢管企业制造的SA335-P91,焊接材料为曼斯特制造的9MV-N/9CRMOV-N

二、SA335-P91钢化学成分及力学性能

1、SA335-P91钢化学成分

SA335-P91钢的化学成分,由表1可以看出,合金含量较高,Cr是抗高温氧化腐蚀和提高热强性的合金元素;控制在含量在≥8%,同时加入了钒和铌元素,并控制氮元素含量。碳元素中主要形成碳化物或碳氮化物,利用弥散强化和马氏体强化提高强度,考虑加工工艺性能而有意识地降低碳元素含量。

                         

                        (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钢的力学性能


3、SA335-P91管材及管件到货后应进行如下复检项目:

1、根据表1进行100%光谱复检,合金元素含量应符合表1的成分要求;

2、复查相应批次管材及管件的材质证明书,力学性能指标应符合表2。根据ASMEⅡ卷A篇铁基材料中的SA-335/SA-335M中复查供货状态下的热处理工艺,正货温度不低于1040℃,回火温度不低于730℃,并核对材质证明书中金相组织照片,是否会回火马氏体组织;

3、对管材及管件进行硬度复检,硬度值应在220HB左右,且≤250HB,严格控制布氏硬度不低于180HB。

4、对管材及管件进行100%目视检查,包括直径,壁厚复查,外观质量,是否存在疤痕,疵点、刮伤等问题。

三、SA335-P91钢的焊接、热处理工艺的选择及控制

1、确定预热温度及层间温度

P91钢合金含量高,焊接时有强烈的淬硬倾向,冷裂纹敏感性强。加之P91钢用于大直径、厚壁的管,结构刚性和拘束应力大,而焊后冷却时接头处组织应力大也增加了冷裂纹倾向,因此焊接前要严格控制预热温度。

GB9446-88的插销冷裂纹试验来确定预热温度,共做了4 16 个试件,编号1、2的为全氩弧焊,试件编号3、4的为全手工焊条焊接;试件载荷保持36h。试验结果见表3

                  

由试验数据可以确定预热温度应为200摄氏度以上,由于氩弧焊的热输入量较高,且焊丝的含氢量较低,氩弧焊可以控制在180℃以上。同时预热可以延长冷却时间,降低马氏体转变的的组织应力,有助于氢的溢出。马氏体的相变温度在380400℃之间,马氏体转变结束温度在约为100℃,层间温度控制在200~300℃之间,因此控制层间温度在200~300℃之间,目的是焊接过程中有利于部分马氏体开始转变。

2、控制线能量,制定焊接工艺参数

焊接应采用多层排道焊,严格控制线能量,避免在邻近母材的HAZ细晶区域的开裂(Ⅳ型裂纹)的发生,通过线能量的计算公式,可以说明焊接热输入量控制要把焊接电流和焊接速度综合考虑,一般P91钢的焊接热输入量控制在19-22KJ/cm,参考曼斯特制造的焊材推荐的焊接电流电压,制定P91钢的焊接工艺如表4。

Q=60UI/V

式中Q-焊接线能量,(J/cm);

I-焊接电流,(A);

U-焊接电压,(V);

V-焊接速度,(cm/min)。



3、焊接材料的选择

合金元素的确定,分析各个合金元素对焊缝的影响。由于焊材制造厂焊材的设计理念不同,同样类型的焊材而不同制造厂家所配比的合金元素含量存在偏差。因此,选择焊接材料时,为使焊缝与母材有等同的耐高温蠕变性能和持久强度,尽量保证各合金元素接近母材成分,同时,也要考虑到T/P91合金钢中的Mn、Ni、N、Nb等元素的配比是否合理,从而选择更为合适的焊材。

(1)Mn和Ni元素的含量

Mn和Ni元素的含量适当超过母材规定的上限时,可以促进焊缝脱氧,提高焊缝冲击韧性,保证焊缝质量。但Mn和Ni的联合趋向于是焊缝金属的低温转变温度Ac1降低,因此,根据ASME Ⅱ卷 C篇中要求Mn+Ni的含量应控制小于1.5%,避免焊后热处理温度接近Ac1温度,可能会引起微观结构的不完全转变,重新向奥氏体转变。如曼彻特(METRODE)的P91焊材E9015-B9,注明了Mn+Ni的含量,且小于1.5%。见表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)铬当量的控制

通过控制铬当量,可以保证P91钢焊缝金属得到相对单一回火马氏体组织,铬当量计算公式可以参照美国CE企业在Newhuose等人在工作的基础上加以改进提出的。

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

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

Creq≥12时,会出现δ-Fe,且含量随Creq值的升高,δ-Fe的含量增高。

焊缝中的δ-Fe组织会明显降低金属材料的高温蠕变强度和冲击韧性。

10<Creq<12时,钢材组织不能简单预测,但其化学成分可以作为参考;

Creq≤10时,组织中不会出现δ-Fe;

(3)其他合金元素的影响

P91管道主要应用在锅炉蒸汽管道和加热炉管道等,因此要严格控制C含量,可比母材略低。Nb、B含量对韧性有不利影响,但能够提高蠕变强度,因此可以控制在母材元素的下限。N元素通过形成氮化物,提高屈服强度和抗拉强度,但会降低塑性和韧性,控制氮元素大约在0.04%左右,即为母材元素规定值的下限。对于Si元素,适当降低有利于焊缝金属韧性的改善,所以选在焊材时,要考虑其含量略低于母材规定值,不高于0.3%。

4、焊接工艺的控制

(1)P91焊接施工时,应挑选技术水平较高,工作责任心强的焊工担任,焊接检验的射线胶片等级要求提高,合格等级也适当提高,以减少焊接的缺陷,避免应力集中。


(2)焊接过程中,对氩弧焊要进行充氩保护,根部保护氩气的流量一般控制在10L/min-15L/min,在实际过程中,可根据焊工需要进行调节,打底最后的封口焊时,应将氩气流量适当调低,待焊接至少两层(包括打底层)以上后,再关闭根部保护的氩气。针对大管径固定口的焊接,根部氩气保护较为困难。可用小管头在坡口处充氩。为避免预热和层间温度造成水溶纸破裂或脱落,可在距离加热片200~300mm增加一层水溶纸,用两层水溶纸进行密封。焊接过程中,用手试探焊口处的氩气气流大小,以便调整充氩措施。

(3)每道焊口尽量连续焊接完成,如被迫中断时,一定要降温到100℃左右恒温,将马氏体进行完全转化。继续焊接时,应重新加热到预热温度。焊接间隔时间不能过长,否则要将已焊接完成部分进行热处理。


5、热处理工艺的确定

(1)热处理的时机。

P91钢焊接完成应在100℃(马氏体转变结束温度Mf)左右停留1h 左右,尽量使马氏体完全转化,完成后马上进行热处理。对于施工现场所应用的厚壁锻造或铸造的法兰、管件和阀门等,焊接完成后,应控制在90~100℃,且不低于90℃,保温1h左右后,直接进行热处理,以避免开裂。

(2)热处理温度的确定。

马氏体低温转变温度为800~830℃。回火温度对P91 抗拉强度和屈服、强度影响不大,只有在接近其AC1 点时,抗拉强度和屈服强度才发生显著下降。因此热处理温度应低于低温相变转变温度Ac1。在现场制实际应用过程中,由于选定焊材厂家的制造理念不同,热处理的温度也略有区别。因此热处理温度要参考焊条的材质证明书,并通过焊接工艺评定进行验证。**石化裂解炉项目中,选用的焊接材料厂家为曼斯特制造的E9015~B9,材质证明书中建议的热处理温度为755℃,恒温3h。

对于Cr-Mo钢,回火参数[P]的变化范围约为19.5~22,严格的说,每种Cr-Mo合金钢均有一个最佳的回火参数范围,而P91钢的相对较为合理的回火参数为[P]=21。根据回火参数[P]计算公式,对曼斯特制造的E9015-B9说明书中的热处理温度及时间进行验证,[P]在最佳的回火参数范围。

[P]=T(20+logt)×10-3

式中[P]-回火参数;

T-加热温度,K;

t-保温时间,h。

(3)合理监控热处理温度,控制温度的均匀性。

为保证热处理过程中,管道的热处理温度均匀,应合理布置加热带和热电偶。由于对流的影响,垂直的管道加热带上半侧温度高于下半侧,水平的管道12:00的温度最高,6:00温度最低。因此,必须在垂直管道加热带上半侧和水平管道的12:00位置设置热电偶,以监控最高点的温度,超过允许温度。同时可以通过将保温棉或加热带下移、增加内部保温、薄弱位置增加保温厚度、控制加热带绑扎口的位置等措施提高温度均匀性。注意热电偶布置时,要用小块保温棉将热电偶与加热片进行隔离,目的是监测的温度为需监测区域的温度,避免受加热器的温度影响。


(4)热处理完成后的硬度检查。

P91钢热处理完成后,为检查热处理的质量,要进行100%硬度检测。其硬度一方面取决于母材的实际碳含量和合金成分,另一方面取决于焊接和焊后热处理的温度规范和冷却条件。应注意热处理过程中温度最高处和较低处的硬度值检查和对比,焊缝的硬度值不能低于母材,控在220~230左右,较为理想。但硬度检验存在片面性,例如热处理的温度超过了低温转变温度,硬度会偏高;热处理温度未到热处理要求温度硬度值也会偏高。所以,应将热处理曲线与硬度检测值相结合,来确定热处理的质量,如硬度值超标,根据实际情况采取割口重新焊接或重新热处理。


四、结论

针对上述措施,进行了工艺评定的验证,管材为德国曼内斯曼钢管企业制造的SA335-P91,焊接材料为曼斯特制造的9MV-N/9CRMOV-N。其结果为抗拉强度及屈服强度符合ASME要求,室温冲击功平均值达到了73J,金相组织分析为回火马氏体。

根据验证合格后的工艺评定,编制现场施工用的工艺卡,在过程中严格监控焊接质量,实施后的焊缝36h后进行100RT检测,并进行20%的UT抽检。焊接一次合格率98%以上,光谱复检及硬度检测符合标准要求,水压试验一次合格。***石化乙烯装置投产近两年,P91钢管道焊缝没有存在异常,证明了上述工艺措施是切实可行的。

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