Процесс сварки стальных труб P91: предварительный нагрев, присадочные металлы и параметры

A335 P91 принадлежит к семейству мартенситных жаропрочных- сталей 9Cr-1Mo-V-Nb и во время сварки ведет себя совсем иначе, чем углеродистая сталь. Сплав сильно затвердевает при охлаждении, очень чувствителен к холодному растрескиванию и требует полностью контролируемого термического цикла до, во время и после сварки. В этом руководстве описывается анализ свариваемости, метод сварки, допустимые диапазоны параметров, роль предварительного нагрева и межпроходного контроля, а также термообработка после сварки, которая делает соединение пригодным для эксплуатации при высоких температурах.

Химический состав и его влияние на свариваемость

Сбалансированное содержание хрома, молибдена, ванадия и ниобия придает P91 прочность на ползучесть, но те же элементы повышают прокаливаемость и делают соединение чувствительным к растрескиванию. Типичный тепловой анализ A335 P91 показан ниже.

С содержанием хрома примерно 9 % и молибдена около 1 % это скорее среднелегированная жаростойкая-сталь, чем высоколегированная. Углерод намеренно поддерживается на низком уровне, чтобы ограничить твердость металла сварного шва, в то время как ванадий и ниобий образуют мелкие карбонитриды, которые несут нагрузку ползучести при эксплуатации.

Основные сварочные характеристики

Склонность к холодному растрескиванию очень высока. В непрогретом соединении образование трещин может повлиять на весь сварной шов, а предварительный нагрев до 200-250 градусов предотвращает это.

Температура между проходами должна поддерживаться на уровне температуры предварительного нагрева или выше, а интервал между охлаждением последнего прохода и началом термообработки после сварки должен строго контролироваться.

Требования к тепловложению строгие. Меньший диаметр электрода, более низкая температура между проходами и более низкая энергия дуги улучшают ударную вязкость готового соединения.

Поскольку-сварные соединения тверды и структурно нестабильны, термообработка после сварки является обязательной, а не дополнительной.

Корень должен быть защищен инертным газом, а соединение должно быть сухим и свободным от влаги до зажигания дуги.

Поскольку P91 легко затвердевает и чувствителен к холодному растрескиванию под действием водорода, обычная производственная последовательность представляет собой корневую газовую вольфрамовую дугу с последующим заполнением защитной металлической дугой и накрытием электродами с низким содержанием водорода. Эта комбинация обеспечивает чистый, прочный корень и хороший контроль тепловложения в заполняющих проходах, а также ее легко применять в условиях стройплощадки, где стыки труб свариваются по месту.

Соответствующие параметры сварки

Приведенные выше значения представляют собой типичный квалифицированный диапазон. Фактические ток и напряжение должны быть взяты из спецификации процедуры сварки, утвержденной для проекта, и каждый проход должен быть записан с указанием его тепловложения, чтобы можно было проверить совокупную энергию на соответствие квалификационным требованиям.

Предварительный нагрев, межпроходная и послесварочная термообработка

Предварительный нагрев до 200–250 градусов удаляет поверхностную влагу, замедляет скорость охлаждения и позволяет водороду уйти до того, как он сможет быть пойман. Температура между проходами измеряется контактным термометром на стенке трубы рядом с соединением и не должна опускаться ниже значения предварительного нагрева между проходами.

Охлаждение после окончательного прохода должно быть медленным, а соединение должно быть изолировано, чтобы избежать быстрого падения температуры за пределы диапазона закалки. Термическая обработка после сварки приводит к отпуску мартенсита как в металле сварного шва, так и в зоне термического влияния, а также доводит твердость до допустимого диапазона.

Проверка и документация

Приемка сварного шва P91 обычно включает в себя визуальный осмотр, измерение твердости сварного шва и зоны термического влияния, не-неразрушающий контроль завершенного соединения и проверку записей сварки. Таблицы тепловложения, записи предварительного нагрева и между проходами, сертификаты присадочного металла и диаграмму печи следует хранить вместе как один пакет документов, поскольку соединение, которое прошло испытания, но не имеет термических записей, не может быть признано соответствующим требованиям.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Почему перед сваркой P91 необходимо предварительно нагревать?
Предварительный нагрев до 200–250 градусов удаляет влагу, снижает скорость охлаждения и предотвращает образование холодных трещин под действием водорода, которые в противном случае могут повлиять на весь сварной шов.

Вопрос: Какие присадочные металлы используются для сварки труб P91?
Для корневого прохода обычно используются электроды ER90S-B9 для газовой вольфрамовой дуговой сварки, а для заполняющего и закрывающего проходов используются электроды с низким содержанием водорода E9015-B9.

Вопрос: Как контролируется межпроходная температура?
Она измеряется на стенке трубы рядом со швом и поддерживается на уровне температуры предварительного нагрева или выше, но ниже допустимого максимума на протяжении всей сварки.

Вопрос: Всегда ли требуется термообработка после сварки?
Да. Исходное-сварное соединение содержит твердый неотпущенный мартенсит, поэтому обязательна термообработка при температуре 730–780 градусов в течение не менее 2 часов.

Вопрос: Как можно улучшить ударную вязкость соединения?
Используйте электрод меньшего диаметра, поддерживайте низкую температуру между проходами и ограничивайте энергию дуги, чтобы рост зерен в зоне термического влияния оставался умеренным.

Вопрос: Какие записи должны сопровождать готовый сварной шов?
Таблицы процедур и параметров сварки, записи предварительного нагрева и промежутков между проходами, сертификаты наполнителей, результаты твердости и карта термообработки после сварки.