SA335P91鋼是一種改進型的9Cr-1Mo鋼，是由美國橡樹嶺國家實驗室和美國燃燒公司研究開發(fā)的，它是一類在9Cr－1Mo鋼基礎上加入了V、Nb、N、Ti、Al合金元素的改進型的新鋼種。由于該鋼種具有良好的抗高溫氧化和抗蠕變性能，同時熱強性好，能有效地減輕結構自重，因而近幾十年應用在美、歐、日等發(fā)達國家的電站設備中。我國也從20世紀90年代中期引進了該鋼種，并應用于十余座火力發(fā)電廠中，但由于P91鋼屬馬氏體鋼，具有一定冷裂傾向和接頭脆化傾向，因而對焊接工藝和熱處理工藝有嚴格的要求，操作技術上也有一些特點。
1 焊接材料及方法
（1）P91鋼管規(guī)格為￠325.5mm×29.5mm，焊接材料由AEC提供，包括￠2.4mm的CM-91G焊絲，￠3.2mm和￠4.0mm的CROMOCORD9M焊條，熔敷金屬化學成分見表1。
（2）焊接工藝為手工鎢極氬弧焊打底，電弧焊蓋面，管內(nèi)壁充氬保護。接頭形式為雙V形坡口對接焊縫，該坡口擴大了底層的焊接空間，易于焊絲擺動，熔合良好，使熔滴準確到位并焊透，以保證背面成形的均勻性。
2 焊接加熱規(guī)范
根據(jù)國外有關資料介紹，P91鋼除TIG焊外，其他工藝，不論材料厚度多少，預熱溫度都需要至少200℃，而對TIG焊來說，由于其非常低的擴散氫含量，預熱溫度可以放寬至100－150℃左右，最高層間溫度一般限制在300℃左右，這樣可以保證每道焊縫都轉變?yōu)轳R氏體組織，從而在下一道焊縫的熱循環(huán)下都得到部分回火。
焊后熱處理溫度的選擇也有一些限制因素：這一溫度須高于各種標準所規(guī)定的最低溫度，即高于730℃，在實際操作中，為使焊縫金屬獲得足夠的回火，實際的處理溫度明顯需要高于這一水平（但不超過780－790℃）。實際焊接施工中，經(jīng)755℃保溫2－3h的熱處理，可得到滿意的沖擊韌性，而且也保證了整個焊接接頭區(qū)的硬度低于300HV，焊縫金屬硬度一般為2402－280HV。
預熱是反之再熱裂紋和冷裂紋的有效手段。德國標準規(guī)定預熱和層間溫度應在180－250℃，不要超過350℃，焊后熱處理之前，必須將材料冷卻到150℃以下，應力較大時，冷去溫度不要低于100℃。如果在室溫下冷卻，應嚴禁潮濕。采用150－350℃的預熱溫度，有利于焊工的操作，保證打底的質(zhì)量。同時，還可以適當降低焊接電流，避免出現(xiàn)弧坑裂紋，并有利于防止冷裂紋和再熱裂紋。但當預熱溫度低于280℃時，焊條熔化時有“噼啪”聲，熔池變得不穩(wěn)定。焊后緩慢降溫到100－150℃，保溫1h，熱處理后可以獲得良好性能的焊接接頭，這對于以后高溫長時間運行的組織穩(wěn)定性是有好處的。
為了盡可能降低焊接殘余應力，應采用較高的溫度，但溫度過高，有可能降低鋼材的抗拉強度，破壞鋼材的原有組織和性能，促使碳化物的聚集和長大。為得到合適的硬度和良好的韌性，我們選擇750－770℃的焊后熱處理溫度，從實際情況看，是可行的。
綜合分析以上因素，最終確定的加熱規(guī)范如圖1所示，科技術要求如下：
（1）升、降溫速度≤160℃/h。
（2）溫度再300℃以下可不予控制。
（3）焊后若來不及進行熱處理，則應立即進行脫氫處理，處理溫度為300－350℃，恒溫2h。
3 焊接工藝參數(shù)
（1）水平固定，其焊接工藝參數(shù)見表2。
（2）垂直固定，其焊接工藝參數(shù)見表3。
4 焊接操作工藝
4.1 雙層TIG打底焊
采用雙層TIG焊打底，這樣做一是因為TIG打底一層時焊層較薄會導致?lián)舸绊懜鶎雍缚p質(zhì)量；二是因為TIG焊第二層時能降低對第一層背面焊縫的氧化程度。應注意，第一層打底時，應邊打底邊揭開充氬保護膠布，以防止空氣進入焊后內(nèi)部影響打底質(zhì)量。
4.2 合理控制管內(nèi)保護氬氣流量
P91鋼根層焊接存在較大的表面氧化問題，因此必須采取管內(nèi)充氬保護措施。一方面要合理控制氬氣流量，大徑管一般控制再20－30L/min為宜；另外要使管內(nèi)氬氣有流動性以提高保護氣Ar純度，從而再次降低焊接接頭的熱輸入量。考慮到焊接根部第二道焊縫時對第一道焊縫的高溫氧化影響，內(nèi)保護氣一直持續(xù)到第二道焊縫焊完。
4.3 多層多道焊
采用多層多道焊不僅可以控制焊接線能量，而且，后層焊道對前層的熱處理能細化晶粒，改善接頭性能。
4.4 雙人焊接操作
大徑厚壁P91管均應采用雙人焊接，打底時一人焊接，一人從另一側進行監(jiān)視打底焊情況，如圖2所示。
通過實際操作試驗發(fā)現(xiàn)，由于母材、焊材的合金元素含量高，液態(tài)金屬的流動性較差，因此焊接時應特別注意以下幾點：
（1）焊條必須按照說明書中規(guī)定的300－350℃保溫2h烘焙，以保證焊條的干燥性。
（2）由于液態(tài)金屬流動性差，安裝對口時應適當加大對口間隙（3－4mm），打底時，焊接電流應適當，以保證根部焊接質(zhì)量。
（3）焊條的引弧電流過小，易粘焊條；但焊接電流過大，則造成熔池不清，易形成夾渣缺陷。因此，選擇適當?shù)暮附与娏魇潜ＷC焊接質(zhì)量的關鍵。
（4）由于P91鋼易出現(xiàn)冷裂紋和弧坑裂紋，因此焊接時應注意降弧坑填滿，可以采用逐漸減小電流或采用斷弧疊加法收弧。
（5）該焊條的焊渣不易清理，應注意層間清理，特別是接頭部位，必要時采用砂輪機打磨，以保證接頭質(zhì)量。
（6）每層焊道不可過厚。
5 焊接工藝評定結果
P91鋼最容易產(chǎn)生的缺陷是夾渣，主要分布于坡口邊緣，主要是由于清渣不徹底造成。當焊條烘干不好時，出現(xiàn)焊接缺陷的可能性會進一步加大。
焊接接頭的抗拉強度為656－691MPa,延伸率為25％－27％，均超過了規(guī)定的標準。冷彎試驗的16個試樣，除2個試樣有橫向裂紋外（在彎曲到50℃以后出現(xiàn)的缺陷），其余的14個試樣的彎曲試驗滿足了要求。沖擊韌性的值由于受缺口部位加工精度的影響，其沖擊韌度為70－90％J/cm2。
P91鋼的焊態(tài)硬度為300－330HB，熱處理后的焊縫硬度 為240－250HB。但從熱處理后的實際情況看，焊縫硬度主要分布在180－240HB。
