P91钢的焊接及热处理工艺控制

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公司制造的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 %）

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。

按GB9446-88的插销冷裂纹试验来确定预热温度，共做了4 组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380～400℃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

（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公司在Newhuose等人在工作的基础上加以改进提出的。

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

－40C－30N－4Ni－2Mn－1Cu

当Cr_eq≥12时，会出现δ-Fe，且含量随Cr_eq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。

当10<Cr_eq<12时，钢材组织不能简单预测，但其化学成分可以作为参考；

当Cr_eq≤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，完成后立即进行热处理。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公司制造的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。