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关键词：焊接方法焊接参数热过程控制 质量控制
中图分类号：P755文献标识码： A
摘要
早在70年代初，美国就开始着手研究9Cr-1Mo钢,且在不断地改进。直到1983年研制出改进型的9Cr-1Mo钢，这是一种在9%Cr-1%Mo的基础上,加一定量的铌、钒及氮等元素的合金。同年9Cr1MoV钢被美国材料试验学会(ASTM)和美国机械工程池会(ASME)正式接受为锅炉管道用材料。其材料级别为SA199 T91、SA213 T91、SA234 WP91、SA335 P91、SA336 F91、SA387 91 Ⅱ等。该材料具有良好的高温热强和抗氧化性能。目前，国内外大型电站锅炉再热器，过热器管道和集箱已在广泛使用。使用9Cr1MoV钢，可以减少结构的设计臂厚，降低结构整体重量。在同样的工作条件下，SA335P91钢与传统的CrMo耐热钢相比(如P22,X20)其厚度仅为它们的1/2和2/3。供货状态一般为正火＋回火，组织为马氏体，碳当量高，焊接性较差，易出现冷裂纹、焊接接头脆化、HAZ区软化等间题，该材质对焊工的技能水平要求不是特别高，操作者必须严格按照工艺规程施焊，方可获得满意的焊接接头。
本文主要以大口径管（P91）为例，详细介绍了ASME Gr91材料的常用焊接方法（手工氩弧焊、手工焊条电弧焊及埋弧自动焊）的典型焊接工艺。由于该材质对温度非常敏感，预热、后热、消氢及焊后热处理必须严格控制在规定范围内。焊接时的层间温度不得高于350℃，且不能低于210℃。注意层间清理检查，上层检查合格后及时进行次层焊接；焊接时注意两侧坡口及根部要熔合良好，避免未熔合缺陷的产生；注意接头收弧质量，在熔池边缘处收弧，收弧时注意填加铁水并要保证弧坑饱满，以避免弧坑裂纹的产生；整个焊接过程的各个工序必须有专职质检员确认。确认内容：焊工资质、焊接材料、焊接设备、焊接电特性、各个热过程温度、背面冲氩等。
论文正文
材料焊接性分析
早在70年代初，美国就开始着手研究9Cr-1Mo钢,且在不断地改进。直到1983年研制出改进型的9Cr-1Mo钢，这是一种在9%Cr-1%Mo的基础上,加一定量的铌、钒及氮等元素的合金。同年9Cr1MoV钢被美国材料试验学会(ASTM)和美国机械工程池会(ASME)正式接受为锅炉管道用材料。其材料级别为SA199 T91、SA213 T91、SA234 WP91、SA335 P91、SA336 F91、SA387 91 Ⅱ等。该材料具有良好的高温热强和抗氧化性能。目前，国内外大型电站锅炉再热器，过热器管道和集箱已在广泛使用。使用SA335P91 钢，可以减少结构的设计臂厚，降低结构整体重量。在同样的工作条件下，SA335P91钢与传统的CrMo耐热钢相比(如P22,X20)其厚度仅为它们的1/2和2/3。供货状态一般为正火＋回火，组织为马氏体，碳当量高，焊接性较差，易出现冷裂纹、焊接接头脆化、HAZ区软化等间题，必须严格按照工艺规程施焊，方可获得满意的焊接接头。
2.焊接工艺
2.1 焊接材料选用见表1
焊接材料选用表 表1
序号 焊材名称 神钢牌号 AWS牌号 焊材规格 焊接方法 备注
1 氩弧焊丝 TGS-9cb ER90S-B9 φ2.4 GTAW
2 焊条 CM-96B9(CM-9cb) E9016-B9(E9015-B9) φ3.2
φ4.0 SMAW
3 埋弧焊丝/焊剂 US-9cb/DF-200S F9PZ-EB9-B9 φ3.2 SAW
目前国内该材料的配套焊材还不是很成熟，只有少数焊材研究所能够生产，如批量使用，建议使用国外焊接材料，如：英国曼彻特（METRODE）、德国蒂森（THYSSEN）、美国林肯（LINCOLN）、日本神钢（KOBELCO）、法液空焊接（SAF、OERLIKON）、瑞典伊萨（ESAB）等
2.2焊工
凡从事该材质受压元件焊接的焊工必须经过技术培训，并按照《锅炉压力容器压力管道焊工考试规则》的有关规定进行考试，取得相应项目合格证后才允许担任考试合格范围内的受压元件的焊接工作。
2.3 焊前准备
2.3.1所有焊接坡口均采用机械加工。钝边厚度不超过2mm，以防铁水流动性差而造成根部未熔合。P91大径管：坡口为单U型，钝边为1~1.5mm,组对间隙3-4mm；小径管：坡口为单V型，组对间隙2-3mm，
2.3.2 焊前应将坡口表面及焊接坡口两侧的水、油污、锈蚀层和其它影响焊接质量的杂物清理干净。清理范围为坡口两侧20mm。
2.3.3筒身对接环缝，其边缘的偏差应不超过1.0δ+0.5mm且不大于4mm。否则应将较厚一侧边缘削薄至与较薄侧边缘平齐，并且斜率不大于1：4。定位焊应采用与正式焊接相同的焊接工艺进行，并且由持证焊工施焊。
2.3.4焊丝去除表面的油、垢及锈等污物，露出金属光泽。焊条经过 35O℃烘焙1.5—2 h，置于80-100℃保溫筒内，随用随取。
2.3.5用于受压元件焊接的焊接设备必须完好，各种仪表工作正常，并在检定合格期内。
2.4 焊前预热、后热或消氢
预热范围不小于筒身厚度的3倍且不小于100mm。焊接过程中应经常检查焊缝温度，保持预热温度直到焊接结束，如果焊接过程中断，再次焊接前应重新预热。焊缝焊接完成后，立即进行后热或消氢，具体温度见表2。SA335P91材质大径管道：采用电脑温控设备，对焊口进行跟踪加热，热电偶对称布置，热电偶与管件应接触良好，并计量合格（见图1）。SA213T91材质小径管采用火焰加热，用红外线测温仪测量温度。
图1
材料的预热、后热及消氢温度表 表2
氩弧焊预热温度 手工电弧焊及埋弧焊预热温度 后热温度及保温时间 消氢温度及时间
160℃-200℃ 210℃-280℃ 250-300℃/1-2h（t=13-30mm） 350-400℃/2-3h
（t大于30mm）
2.5 氩弧焊打底
2.5.1由于该材质具有很强的氧化性，在打底焊接之前，必须在管子内部充氩保护。或在坡口钝边的背面涂抹“太阳”免充氩焊接保护剂，可以解决背面氧化、防止焊接气孔，且不影响射线照射质量。
2.5.2 氩弧焊打底在管道预热到规定温度并加热均匀后进行；氩弧焊时采用脉冲电源，直流正接法、高频引弧、衰减收弧；两人对称焊接。氩弧焊电流80-110A；焊接速度不宜太快，焊层厚度不少于2mm。氩气流量：8-12L/min.
2.5.3 氩弧焊打底应焊两遍，目的是防止电焊击穿打底层，造成根部氧化。
2.6 手工焊条电弧焊
2.6.1 打底焊接完成后，将预热温度升至210-280℃，开始手工焊接电弧焊的焊接；采用直流反接法、两人对称焊接。
2.6.2 第一、二层电弧焊，采用∮3.2mm焊条，电流90-110A；在保证熔化良好的前提下，尽量减小焊接电流，严防烧穿氩弧焊打底焊缝。
2.6.3 中间层采用∮4.0mm焊条，电流130-150A；各层接头应互相错开，焊工要加强层间清理，严防焊缝夹渣。
2.6.4 采用多层多道焊，各焊道的单层厚度约3mm，单焊道的摆动宽度不大于12mm。
2.6.5每层焊道须清理干净，尤其注意清理接头及焊道两侧。
2.7 埋弧自动焊
当手工电弧焊焊完后,如工件温度≥250℃,可以开始进行埋弧焊焊接,弧焊焊丝（EB9）直径为3mm,焊剂为F9FZ-EB9-B9，焊接电流350-380A。埋弧焊焊接工艺为工件转动单丝道焊，在施焊过程中，每焊两道后，要三测温仪测量层间温度。当温度低于210℃时，应停止施焊。采用电加热或煤气均匀加热至280℃左右，再接着施焊。焊剂使用前经350~400℃烘干2小时。使用多少领多少，用不完的焊剂要退回，须经重新烘干后方可使用。该焊剂为氟化物-高碱度碱性烧结焊剂，易吸潮。厚度≥70mm的管道，焊接至25-30mm时，最好能停止焊接，进行350℃、2h的消氢处理；消氢完毕后进行RT探伤，合格后方可再次焊接。
3 焊后消氢及热处理
为了保证扩散氢有足够的时间逸出,避免裂纹产生,焊后立即用电加热器（小管可用小火焰持续加热的方法）对焊缝后热或消氢处理,温度范围见表2,保温1～2小时,缓冷到室温,以便进行MT、UT检查。同时，消除焊缝中未转变的奥氏体，使奥氏体-马氏体转变充分。因为未转变的奥氏体内能滞留相当量的扩散氢。同时，残余奥氏体不受回火处理的影响，而在冷却后转变成新的未经回火的马氏体。
为避免温度剃度對该材质结晶组织的影响，最好采用炉内整体热处理。工件出、入炉时，炉温不得超过400℃，工件的升、降温速度不大于150℃/h。加热及冷却过程中，热电偶之间的最大温差不得超过120℃。材料的焊后热处理温度及保温时间见表3。根据我厂经验，如果最终热处理温度择不当，会引起冲击韧性下降；适当延长热处理保温时间，对该材质的冲击韧性有明显的改善作用，厚度不大于40mm的产品，保温时间不低于4个小时，厚度大于40mm的产品，保温时间不低于6小时。
表3
材质 加热温度范围 保温时间
ASME Gr91级 750±15℃ δ≤40mm δ≤40mm
不低于4小时 不低于6小时
4 焊接质量控制
4.1.该材质对温度非常敏感，预热、后热、消氢及焊后热处理必须严格控制在规定范围内。焊接时的层间温度不得高于350℃，且不能低于210℃。
4.2.注意层间清理检查，上层检查合格后及时进行次层焊接；焊接时注意两侧坡口及根部要熔合良好，避免未熔合缺陷的产生；注意接头收弧质量，在熔池边缘处收弧，收弧时注意填加铁水并要保证弧坑饱满，以避免弧坑裂纹的产生；要注意接头的打磨。
4.3.焊接及热处理时，要防止停电；可采用备用电机（电源），以防止出现焊口冷裂现象。
4.4.环境条件：P91/T91钢焊接施工时，环境温度应≥5℃；否则应采取措施，来保证焊接场所的环境温度；施工时，需做好防风、防雨。
4.5.整个焊接过程的各个工序必须有专职质检员确认。确认内容：焊工资质、焊接材料、焊接设备、焊接电特性、各个热过程温度、背面冲氩等。该材质的焊接对焊工的技能要求并不高，操作者要有较强的责任心，只要严格执行工艺纪律，就一定能焊好！
5该材质焊接的热过程典型温度曲线
参考文献：
《T91／P91 钢焊接工艺及参数的优化》 赵 立 山西电建二公司
《浅谈P91超厚壁大径管的焊接》朱志前河南第二火电建设公司
《SA335P91 钢焊接工艺研究》 张崇文 王向斌武汉锅炉股份有限公司
作者简介：
李梦贤单位中国石油天然气第七建设公司，工程师、压力容器焊接热处理责任工程师。
编号：
耐热钢Gr91通用焊接工艺
李梦贤
中国石油天然气第七建设公司
中图分类号：P755文献标识码： A
摘要
早在70年代初，美国就开始着手研究9Cr-1Mo钢,且在不断地改进。直到1983年研制出改进型的9Cr-1Mo钢，这是一种在9%Cr-1%Mo的基础上,加一定量的铌、钒及氮等元素的合金。同年9Cr1MoV钢被美国材料试验学会(ASTM)和美国机械工程池会(ASME)正式接受为锅炉管道用材料。其材料级别为SA199 T91、SA213 T91、SA234 WP91、SA335 P91、SA336 F91、SA387 91 Ⅱ等。该材料具有良好的高温热强和抗氧化性能。目前，国内外大型电站锅炉再热器，过热器管道和集箱已在广泛使用。使用9Cr1MoV钢，可以减少结构的设计臂厚，降低结构整体重量。在同样的工作条件下，SA335P91钢与传统的CrMo耐热钢相比(如P22,X20)其厚度仅为它们的1/2和2/3。供货状态一般为正火＋回火，组织为马氏体，碳当量高，焊接性较差，易出现冷裂纹、焊接接头脆化、HAZ区软化等间题，该材质对焊工的技能水平要求不是特别高，操作者必须严格按照工艺规程施焊，方可获得满意的焊接接头。
本文主要以大口径管（P91）为例，详细介绍了ASME Gr91材料的常用焊接方法（手工氩弧焊、手工焊条电弧焊及埋弧自动焊）的典型焊接工艺。由于该材质对温度非常敏感，预热、后热、消氢及焊后热处理必须严格控制在规定范围内。焊接时的层间温度不得高于350℃，且不能低于210℃。注意层间清理检查，上层检查合格后及时进行次层焊接；焊接时注意两侧坡口及根部要熔合良好，避免未熔合缺陷的产生；注意接头收弧质量，在熔池边缘处收弧，收弧时注意填加铁水并要保证弧坑饱满，以避免弧坑裂纹的产生；整个焊接过程的各个工序必须有专职质检员确认。确认内容：焊工资质、焊接材料、焊接设备、焊接电特性、各个热过程温度、背面冲氩等。
论文正文
材料焊接性分析
早在70年代初，美国就开始着手研究9Cr-1Mo钢,且在不断地改进。直到1983年研制出改进型的9Cr-1Mo钢，这是一种在9%Cr-1%Mo的基础上,加一定量的铌、钒及氮等元素的合金。同年9Cr1MoV钢被美国材料试验学会(ASTM)和美国机械工程池会(ASME)正式接受为锅炉管道用材料。其材料级别为SA199 T91、SA213 T91、SA234 WP91、SA335 P91、SA336 F91、SA387 91 Ⅱ等。该材料具有良好的高温热强和抗氧化性能。目前，国内外大型电站锅炉再热器，过热器管道和集箱已在广泛使用。使用SA335P91 钢，可以减少结构的设计臂厚，降低结构整体重量。在同样的工作条件下，SA335P91钢与传统的CrMo耐热钢相比(如P22,X20)其厚度仅为它们的1/2和2/3。供货状态一般为正火＋回火，组织为马氏体，碳当量高，焊接性较差，易出现冷裂纹、焊接接头脆化、HAZ区软化等间题，必须严格按照工艺规程施焊，方可获得满意的焊接接头。
2.焊接工艺
2.1 焊接材料选用见表1
焊接材料选用表 表1
序号 焊材名称 神钢牌号 AWS牌号 焊材规格 焊接方法 备注
1 氩弧焊丝 TGS-9cb ER90S-B9 φ2.4 GTAW
2 焊条 CM-96B9(CM-9cb) E9016-B9(E9015-B9) φ3.2
φ4.0 SMAW
3 埋弧焊丝/焊剂 US-9cb/DF-200S F9PZ-EB9-B9 φ3.2 SAW
目前国内该材料的配套焊材还不是很成熟，只有少数焊材研究所能够生产，如批量使用，建议使用国外焊接材料，如：英国曼彻特（METRODE）、德国蒂森（THYSSEN）、美国林肯（LINCOLN）、日本神钢（KOBELCO）、法液空焊接（SAF、OERLIKON）、瑞典伊萨（ESAB）等
2.2焊工
凡从事该材质受压元件焊接的焊工必须经过技术培训，并按照《锅炉压力容器压力管道焊工考试规则》的有关规定进行考试，取得相应项目合格证后才允许担任考试合格范围内的受压元件的焊接工作。
2.3 焊前准备
2.3.1所有焊接坡口均采用机械加工。钝边厚度不超过2mm，以防铁水流动性差而造成根部未熔合。P91大径管：坡口为单U型，钝边为1~1.5mm,组对间隙3-4mm；小径管：坡口为单V型，组对间隙2-3mm，
2.3.2 焊前应将坡口表面及焊接坡口两侧的水、油污、锈蚀层和其它影响焊接质量的杂物清理干净。清理范围为坡口两侧20mm。
2.3.3筒身对接环缝，其边缘的偏差应不超过1.0δ+0.5mm且不大于4mm。否则应将较厚一侧边缘削薄至与较薄侧边缘平齐，并且斜率不大于1：4。定位焊应采用与正式焊接相同的焊接工艺进行，并且由持证焊工施焊。
2.3.4焊丝去除表面的油、垢及锈等污物，露出金属光泽。焊条经过 35O℃烘焙1.5—2 h，置于80-100℃保溫筒内，随用随取。
2.3.5用于受压元件焊接的焊接设备必须完好，各种仪表工作正常，并在检定合格期内。
2.4 焊前预热、后热或消氢
预热范围不小于筒身厚度的3倍且不小于100mm。焊接过程中应经常检查焊缝温度，保持预热温度直到焊接结束，如果焊接过程中断，再次焊接前应重新预热。焊缝焊接完成后，立即进行后热或消氢，具体温度见表2。SA335P91材质大径管道：采用电脑温控设备，对焊口进行跟踪加热，热电偶对称布置，热电偶与管件应接触良好，并计量合格（见图1）。SA213T91材质小径管采用火焰加热，用红外线测温仪测量温度。
图1
材料的预热、后热及消氢温度表 表2
氩弧焊预热温度 手工电弧焊及埋弧焊预热温度 后热温度及保温时间 消氢温度及时间
160℃-200℃ 210℃-280℃ 250-300℃/1-2h（t=13-30mm） 350-400℃/2-3h
（t大于30mm）
2.5 氩弧焊打底
2.5.1由于该材质具有很强的氧化性，在打底焊接之前，必须在管子内部充氩保护。或在坡口钝边的背面涂抹“太阳”免充氩焊接保护剂，可以解决背面氧化、防止焊接气孔，且不影响射线照射质量。
2.5.2 氩弧焊打底在管道预热到规定温度并加热均匀后进行；氩弧焊时采用脉冲电源，直流正接法、高频引弧、衰减收弧；两人对称焊接。氩弧焊电流80-110A；焊接速度不宜太快，焊层厚度不少于2mm。氩气流量：8-12L/min.
2.5.3 氩弧焊打底应焊两遍，目的是防止电焊击穿打底层，造成根部氧化。
2.6 手工焊条电弧焊
2.6.1 打底焊接完成后，将预热温度升至210-280℃，开始手工焊接电弧焊的焊接；采用直流反接法、两人对称焊接。
2.6.2 第一、二层电弧焊，采用∮3.2mm焊条，电流90-110A；在保证熔化良好的前提下，尽量减小焊接电流，严防烧穿氩弧焊打底焊缝。
2.6.3 中间层采用∮4.0mm焊条，电流130-150A；各层接头应互相错开，焊工要加强层间清理，严防焊缝夹渣。
2.6.4 采用多层多道焊，各焊道的单层厚度约3mm，单焊道的摆动宽度不大于12mm。
2.6.5每层焊道须清理干净，尤其注意清理接头及焊道两侧。
2.7 埋弧自动焊
当手工电弧焊焊完后,如工件温度≥250℃,可以开始进行埋弧焊焊接,弧焊焊丝（EB9）直径为3mm,焊剂为F9FZ-EB9-B9，焊接电流350-380A。埋弧焊焊接工艺为工件转动单丝道焊，在施焊过程中，每焊两道后，要三测温仪测量层间温度。当温度低于210℃时，应停止施焊。采用电加热或煤气均匀加热至280℃左右，再接着施焊。焊剂使用前经350~400℃烘干2小时。使用多少领多少，用不完的焊剂要退回，须经重新烘干后方可使用。该焊剂为氟化物-高碱度碱性烧结焊剂，易吸潮。厚度≥70mm的管道，焊接至25-30mm时，最好能停止焊接，进行350℃、2h的消氢处理；消氢完毕后进行RT探伤，合格后方可再次焊接。
3 焊后消氢及热处理
为了保证扩散氢有足够的时间逸出,避免裂纹产生,焊后立即用电加热器（小管可用小火焰持续加热的方法）对焊缝后热或消氢处理,温度范围见表2,保温1～2小时,缓冷到室温,以便进行MT、UT检查。同时，消除焊缝中未转变的奥氏体，使奥氏体-马氏体转变充分。因为未转变的奥氏体内能滞留相当量的扩散氢。同时，残余奥氏体不受回火处理的影响，而在冷却后转变成新的未经回火的马氏体。
为避免温度剃度對该材质结晶组织的影响，最好采用炉内整体热处理。工件出、入炉时，炉温不得超过400℃，工件的升、降温速度不大于150℃/h。加热及冷却过程中，热电偶之间的最大温差不得超过120℃。材料的焊后热处理温度及保温时间见表3。根据我厂经验，如果最终热处理温度择不当，会引起冲击韧性下降；适当延长热处理保温时间，对该材质的冲击韧性有明显的改善作用，厚度不大于40mm的产品，保温时间不低于4个小时，厚度大于40mm的产品，保温时间不低于6小时。
表3
材质 加热温度范围 保温时间
ASME Gr91级 750±15℃ δ≤40mm δ≤40mm
不低于4小时 不低于6小时
4 焊接质量控制
4.1.该材质对温度非常敏感，预热、后热、消氢及焊后热处理必须严格控制在规定范围内。焊接时的层间温度不得高于350℃，且不能低于210℃。
4.2.注意层间清理检查，上层检查合格后及时进行次层焊接；焊接时注意两侧坡口及根部要熔合良好，避免未熔合缺陷的产生；注意接头收弧质量，在熔池边缘处收弧，收弧时注意填加铁水并要保证弧坑饱满，以避免弧坑裂纹的产生；要注意接头的打磨。
4.3.焊接及热处理时，要防止停电；可采用备用电机（电源），以防止出现焊口冷裂现象。
4.4.环境条件：P91/T91钢焊接施工时，环境温度应≥5℃；否则应采取措施，来保证焊接场所的环境温度；施工时，需做好防风、防雨。
4.5.整个焊接过程的各个工序必须有专职质检员确认。确认内容：焊工资质、焊接材料、焊接设备、焊接电特性、各个热过程温度、背面冲氩等。该材质的焊接对焊工的技能要求并不高，操作者要有较强的责任心，只要严格执行工艺纪律，就一定能焊好！
5该材质焊接的热过程典型温度曲线
参考文献：
《T91／P91 钢焊接工艺及参数的优化》 赵 立 山西电建二公司
《浅谈P91超厚壁大径管的焊接》朱志前河南第二火电建设公司
《SA335P91 钢焊接工艺研究》 张崇文 王向斌武汉锅炉股份有限公司
作者简介：
李梦贤单位中国石油天然气第七建设公司，工程师、压力容器焊接热处理责任工程师。
编号：
耐热钢Gr91通用焊接工艺
李梦贤
中国石油天然气第七建设公司