A335P9管道焊接裂纹分析及现场控制

.加热炉最高温度为520 ~C ，分馏反应 系统 高温介质 管道均用 P9 钢，P9 管道数量 比较多，焊I51数量为 2311 条。在 P 9 管道实际焊接过程中，容易产生应力裂纹、冷裂纹、热裂纹、弧坑裂纹及延迟裂纹，有些裂纹不易发现和预防，当装置投入使用后会造成巨大的经济损失和不可预知的重大事故发生 焊接过程中必须防止各种裂纹的产生。

P 9 管道焊接质量对整个工程来说尤其重要，是管道安装的重点，更是难点。我公司结合现场具体情况，在焊接工艺评定的基础上制定了合理的焊接工艺和热处理工艺。圆满完成了工程。

1 P9 钢焊接性分析

P 9 钢属于高强度马氏体耐热合金钢，在高温环境下具有较好的组织稳定性、高温蠕变断裂强度、高温抗氧化腐蚀性能、高温持久强度，但 P 9 钢可焊性较差 ，焊接过程中要防止冷裂纹、延迟裂纹和再热裂纹的产生。P 9 钢的化学成份和力学性能如表 1。

1 ．1 冷裂纹

P9 钢冷裂纹敏感性主要由三个因素影响：P9 钢组织对冷裂纹有敏感性；在焊后马氏体转变中，氢会以过饱和状态残 留在马氏体中，使焊缝和热影响区产生脆性组织；焊后发生马氏体转变，使接头处组织应力增大。焊接线能量较大时会造成层间组织过热 ，会出现粗大晶粒、魏氏体组织和网状晶界，这些组织易产生裂纹源 ，以致形 成裂纹并扩展。为了 防止发生焊接冷裂纹 ，必须采取合理的焊接工艺，如预热、焊后缓冷、后热、焊后热处理。

1．2 低匹配焊接接头冷裂纹

焊接材料与母材低匹配焊接时，容易产生焊接冷裂纹，焊接时必须提高焊接预热温度 ，增加后热去氢处理温度和时间，或者采用焊材高匹配焊接方法，才能解决低匹配焊接接头冷裂纹。

1．3 低硫钢氢致裂纹

由于 P 9 钢的实际含硫量达到 0 ．005％以下，焊接这种低硫马氏体耐热钢时，特别是异种耐热钢焊接时，很容易产生焊接热影响区冷裂纹，必须提高预热温度 ，增加焊后去氢热处理时间 ，并且焊后 立即进行 热处理 ，或者 采用焊 材高匹配焊接方法，以消除焊接冷裂纹。

1．4 焊接接头 HA Z 软化及IV 类裂纹

P9 耐热钢焊接接头具有焊接热影响区软化及蠕变断裂强度降低现象 ，焊 接接头经受 A cl～A c3 温度 区间加热后 ，导致焊接 H A Z 晶粒性能发生明显变化，室温强度、蠕变断裂强度和硬度明显下降，高温运行过程中容易发生第Ⅳ类蠕变裂纹，从而导致焊接接头高温运行时早期失效。

1．5 弧坑裂纹

P 9 钢焊接时，用一般方法收弧容易产生弧坑裂纹 ，焊接时可以采用逐渐减小电流或断弧叠加法收弧，保证填满弧坑后移向坡 口边缘收弧 。

1 ．6 应力裂纹

管道错边、强制对口和焊接缺陷会引起残余应力集 中，另外由于 P 9 钢本身结构刚性大、拘束应力大，当装置投入使用后，由于氢的扩散、管道温度的反复升降、外载力反复冲击、外载力与残余应力叠加等原因致使焊缝裂纹产生并最终开裂。一定要制定合理的焊接工艺，严格控制焊接过程，焊缝需要圆滑过渡，避免棱角尖角以消除应力集中，从而保证焊接质量。

从以上分析可以看出，焊接 P9 马 氏体耐热钢时，防止冷裂纹和提高冲击韧性是主要问题。

2 P9 钢管道焊接工艺

2．1 焊前准备

(1) 管道焊接施工前，组织施焊人员进行技术培训，使焊接施工人员掌握焊接方法、程序、作业技术要求和质量控制标准，并进行焊接技能考试，取得相应的焊接资格 ，(2) 进行焊接工艺评定，并在焊接工艺评定基础上制定焊接 W P S 或 W W I；

(3) 坡 口采用管道坡 口机加工，为带钝边单 V 型坡口，坡口角度 a为 30。～35。，坡口间隙 c 为 3～4m m ，钝边厚度 P 为1～1．5m m 。

(5) 彻底清除坡口内外母材表面两侧 20r a m 范围内及焊丝表面的油污、铁锈、水分、毛刺等，直至露出金属光泽。坡口表面进行渗透检测，不得有裂纹等缺陷；

(6) 焊条经 350~C ～400~C 烘干 2h ，使用时放在 IO0~C ～150~C 保温桶内随用随取。焊条使用超过 4h 应重新烘烤，并且重复烘烤不得超过两次。

2 ．2 焊接方法选择

采用手工钨极氩弧焊 (G T A M )打底，手工电弧焊 (SM A W )填充盖面的焊接方法，管道焊接时内部进行充氩保护。

2 ．3 焊接材料选择

焊接材料必须满足 P9 管道材料的化学成份、力学性能、焊接性能及工艺介质和焊接工艺要求，选用碱性低氢型焊接材料。

氩弧焊丝选用上海电力生产的 PP ·TIG —R 71焊丝，焊条选用株洲湘江生产的 R 707(E9M o- 15)焊条。焊接材料入库时，必须仔细核对合格证、质量证明书，并由一名保管员专门负责焊材的保管、焊丝的清洗、焊条的烘烤、焊材的发放和回收，并做好各种记录。

2．4 焊前预热

由于 P9钢是马氏体钢 ，对氢非常敏感，焊接过程中必须严格控制含氢量及氢的扩散，即是要严格控制预热温度、层间温度，以减少焊件与焊缝的温度梯度，从而防止冷裂纹和再热裂纹的产生。焊接预热温度越高，焊接冷裂纹倾向越小，但过高的预热温度也会促进产生焊接裂纹。焊接预热温度的正确选择 ，对焊接冷裂纹的防止非常重要。氩弧焊打底焊时，由于其非常低的扩散氢含量，焊前预热温度为 150~C ～200 ~C ，手工电弧焊的焊前预热温度为 250~C ～300~C 。焊缝两侧需均匀加热且加热宽度不小于壁厚的 3 倍 ，采用电加热，热电偶测温。

2．5 焊接工艺参数

焊接工艺参数见表 2 。层间温度不能低于焊接预热温度，但也不能过高，层间温度过高会降低焊缝金属冲击韧性，层间温度控制在 200~C ～300~C 之间，且质检员采用手持红外测温仪对层间温度进行测量以控制层间温度。

2．6 现场焊接工艺控制

2．6．1 双层氩弧焊打底焊接工艺

采用双层氩弧焊打底焊接工艺原因如下：P 9 钢是一种高合金钢，氩弧焊焊时必须充氩保护，打底焊与第二层焊接均能造成背面氧化；氩弧焊打底一层时焊层较薄容易导致烧穿，影响根部焊缝质量；做一层氩弧焊打底时，焊缝强度不够，在外力作用下容易产生裂纹。采用双打底焊接工艺，确保了充氩的连续性，保证了焊缝的质量。注意打底焊接时，不能像焊接一般钢材一样，送丝一定要均匀，不能靠送丝的力量突出根部 ，否则容易造成根部焊缝出现未熔合的焊丝头。另外大径厚壁管打底时，一人焊接，一人从另一侧监视打底情况。

2 ．6 ．2 多层 多道焊工艺

P 9 钢焊接时，熔池铁水粘度大 、流动性差 ；采用小规范焊接，容易出现夹渣、层间未熔合等缺陷。因此为了避免产生大的缺陷，采取多层多道小规范焊接，每层焊道厚度不大于 4m m ，这样不仅可以控制焊接线能量 ，而且后层焊道对前层的热处理能细化晶粒，改善焊接接头的综合性能。R 707焊条飞溅性较大，脱渣性能较差，焊渣不易清理 ，每层焊道必须清理干净 ，尤其是接头部位及焊道两侧，需采用砂轮机打磨干净。

2 ．6 ．3 管内充氩保护

为防止 P 9 钢焊缝根部氧化 ，P9 钢氩弧焊打底焊接时必须在管内部局部充氩保护。充氩保护范围以坡El轴中心为基础，每侧各 250 ～300m m 处用海绵封堵，从一端进行充氩，固定焊 口两侧均用可溶纸封住，做成密封气室，从坡口间隙插入充气管进行充氩 (可用打火机在气室打火进行检验 ，若“点不着火”，则证明气室密封符合要求) ，第一遍打底焊氩气流量控制在 20 ～30L／m in ，第二遍打底焊氩气流量控制在 10 ～20L ／m in 。

2 ．6 ．4 施焊环境

为保证施焊环境不受影响，采用防雨、挡风、防潮措施，如搭设工作棚等 ；尽量减少在露天施焊，随时了解天气预报情况，避免在恶劣天气下施焊；热处理单独接电源，以防止现场突然停电，保证热处理过程不断电。

焊接过程中除工艺和检验要求进行分层焊接者外 ，应一次连续完成，不应中断；在管道焊接过程中若因故 (如停电、大风、下雨等)中断焊接，必须按要求采用后热、缓冷等措施。再行焊接前应进行检查 ，确认焊道无裂纹后方可按原焊接工艺要求进行预热、加热继续焊接 。

2 ．6 ．5 后热消氢处理

焊缝焊后不能及时进行热处理，应立即进行后热消氢处理，具体方法是将焊缝加热至 300℃～350℃，恒温 lh ，然后缓冷至室温。

2 ．6 ．6 焊 后热处理

为了尽可能降低焊接残余应力及获得 良好的综合性能，采用 760℃～770 ℃高温回火热处理。升降温速度不大于 l60℃／h ，恒温时间3h ，降温至 3o0℃以后可自然冷却。焊接热

3 质量情况

P 9 钢 管道焊 接从 2011 年 7 月 15 日至 l0 月 10 日全 部结束。P9 钢焊接接头容易产生延迟裂纹，热处理 24 后所有焊缝进行 100％射线检测 ，共检测 23l1 道焊口，焊 口一次合格率达99 ．1％，不合格焊 口主要是错变量比较大的焊口及不易操作位置固定的焊口(共 21 道)。焊缝抽检 12 道进行光谱分析，焊缝化学成分完全符合要求。为了确保装置投入使用后 P 9 钢焊缝无问题，也是为业主负责，让业主放心，P 9 钢管道在试压后开车前所

有焊缝进行超声波和着色渗透检测，发现 3 道焊 口产生延迟裂纹，及时进行了返修处理，无损检测一次返修合格率 100％。热处理后焊缝硬度按照标准规范进行 20％抽检 ，检测焊 口599 道 ，焊缝区平均硬度 250H B ，热影响区平均硬度 200H B ，硬度检测一次合格率 100％。

4 注意事项

通过实际操作发现，P9 钢合金含量高，焊接性差 ，容易产生冷裂纹、延迟裂纹 ，所以需要特别注意以下几点：

(1) 选用低氢型焊条，焊条必须按说明规定进行 350℃～4o0℃恒温 1 ～2h 烘烤，保证焊条干燥性 ；

(2) 采用小线能量多层多道焊，大管径厚壁管采用双打底焊接工艺 ；

(3) 收弧时采用衰减电流法收弧，将弧坑填满；

(4) 由于焊条脱渣性差 ，每层焊道必须清理干净，并严格控制层 间温度 ；

(5) 必须保证焊缝圆滑过渡，避免焊缝有棱角及尖角产生，从 而减少应力集 中；

(6) 严格按规定进行焊前预热、后热消氢处理及焊后热处理 ，并严格控制预热及热处理 温度 与时间。

5 结论

经过我单位金澳项目部上下共同努力下，并通过监理的严格把关，对 P9 钢管道焊接过程实施全程监控，圆满完成了工程。

湖北金澳科技化工有 限公司 100t／a 延迟焦化装置 P 9 管道 焊缝通过各项检测 (外观检测、无损检测、光谱、硬度检测)和水压试验检测，焊缝各项指标符合规范要求，焊缝质量优良。通过实践证明，P 9 管道焊接采用上面的焊接工艺和热处理工艺是切实可行的。由于P 9 钢可焊性较差，在现场施工中，要根据现场实际环境条件，制定合理的焊接工艺和控制措施，并全程控制以保证其正确有效实施

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