國內(nèi)首臺(tái)623℃超超臨界鍋爐HR3C與Super 304H異種鋼對(duì)接的焊接工藝實(shí)踐研究

汪公河　董明俊

摘 要：文章主要結(jié)合田集電廠二期工程實(shí)際，針對(duì)Super 304H與HR3C對(duì)接選用Thermanit 617和YT-HR3C兩種焊絲的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果，從施工工藝和操作難度上進(jìn)行比較，確定最適合施工安裝操作的工藝，并結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題總結(jié)歸納了相應(yīng)的質(zhì)量控制要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：HR3C；Super 304H；超超臨界機(jī)組；焊接

引言

田集電廠二期工程是國內(nèi)首臺(tái)再熱蒸汽溫度達(dá)623℃的超超臨界鍋爐，高溫末級(jí)再熱器出口是HR3C和Super 304H兩種鋼材對(duì)接焊，對(duì)應(yīng)這兩種鋼材的焊接材料國內(nèi)外都已研發(fā)并應(yīng)用，關(guān)于單純的這兩種鋼材的焊接工藝研究和實(shí)踐也已經(jīng)在很多單位開展，但對(duì)于這兩種鋼材對(duì)接的焊接工藝應(yīng)用目前尚不是很多。

我公司以前承建的某工程超超臨界機(jī)組為全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。3#鍋爐末級(jí)再熱器共有HR3C與Super 304H對(duì)接焊口656只（見表1）。為了滿足工程需要，我們分別采用Thermanit 617和YT-HR3C兩種焊絲進(jìn)行了Super 304H、HR3C異種鋼對(duì)接工藝評(píng)定，并在過程中對(duì)這兩中工藝進(jìn)行了比對(duì)，確定了最終工藝方案。結(jié)合對(duì)施工數(shù)據(jù)的分析和過程管理的總結(jié)提出了相應(yīng)的控制要點(diǎn)。

1 母材與焊材的特點(diǎn)

Super 304H和HR3C均屬于細(xì)晶粒奧氏體耐熱不銹鋼。

從鋼材和焊材的化學(xué)成分表里面可以看出， YT-HR3C的化學(xué)成分和HR3C母材的化學(xué)成分大部分元素基本相似，但也有一些不同，如HR3C母材中不含Cu而焊材YT-HR3C中含有2.99%的Cu，而且兩種焊材中均加入了Mo（YT-HR3C含有0.91%、Thermanit 617含有8.70%）。同時(shí)，與母材和YT-HR3C相比，ERNiCrCoMo-1屬于鎳基合金焊材，除了含有10.8%的Co以外，Ni的含量達(dá)到了54.9%。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的介紹，有關(guān)化學(xué)成分的加入考慮了以下因素[1]：

Ni：Ni屬于奧氏體穩(wěn)定元素，能降低奧氏體化溫度，對(duì)焊縫的回火溫度有較大影響，并提高鋼的韌性；

Co：適量的加入Co可有效替代Ni的作用而使焊縫金屬獲得穩(wěn)定的室溫沖擊韌性，并可提高基蠕變強(qiáng)度；

Mo：Mo的加入，有利于形成碳化物，使焊縫具有高溫穩(wěn)定性，并提高焊縫的高溫強(qiáng)度；

Cu：Cu屬于微量元素，在YT-HR3C中加了2.99%，其主要作用在于在奧氏體鋼中形成強(qiáng)化項(xiàng)，提高抗腐蝕性能，但Cu容易與S發(fā)生化學(xué)反映，生成CuS或者Cu2S，這兩種化合物穩(wěn)定存在，妨礙鈍化膜的延續(xù)性和完整性，應(yīng)控制Cu的含量。

2 焊接工藝評(píng)定情況

2.1 工藝評(píng)定結(jié)果

根據(jù)DL/T 868和相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求分別采用Thermanit 617和YT-HR3C兩種焊絲進(jìn)行了Super 304H、HR3C異種鋼對(duì)接手工鎢極氬弧焊方法的工藝評(píng)定，兩種工藝評(píng)定的試驗(yàn)結(jié)果均符合相關(guān)規(guī)程的要求。

2.2工藝評(píng)定的焊接過程對(duì)比

從工藝評(píng)定過程來看，兩種焊材在焊接過程中焊道收弧處都會(huì)形成一層薄膜，須采用機(jī)械方法對(duì)接頭位置進(jìn)行打磨，以確保焊道之間更好的熔合。YT-HR3C焊絲熔池比較清晰，易于觀察；Thermanit 617焊絲在每次熔池結(jié)晶后焊縫表面的金屬氧化物雜質(zhì)比較多，打磨量也比較大，另外ERNiCrCoMo-1焊絲容易出現(xiàn)未熔合，尤其是打底封口位置，焊絲熔化后的流動(dòng)性也較差，不易帶動(dòng)，操作難度稍大。

根據(jù)上述比對(duì)最終確定現(xiàn)場(chǎng)采用YT-HR3C工藝進(jìn)行工程實(shí)體施工。

3 工程施工中的控制要點(diǎn)及解決措施

3.1 工程施工情況

工程實(shí)體中656只焊口均為5G位置，一側(cè)為管屏，一側(cè)為異形散管。施工中采用單人施焊。按照施工合同要求所有焊口進(jìn)行100%RT+100%PT進(jìn)行無損檢測(cè)。共計(jì)產(chǎn)生不合格焊口12只

3.2 主要缺陷產(chǎn)生的原因分析

通過統(tǒng)計(jì)可以看出此類接頭在焊接過程中產(chǎn)生的最主要缺陷為未熔合，其次為內(nèi)凹，另外還有少許其他缺陷。缺陷產(chǎn)生的主要位置為8-1區(qū)（正平焊打底收口位置）。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工的情況來看，我們認(rèn)為這些缺陷產(chǎn)生的主要原因有以下幾個(gè)方面。

3.2.1 內(nèi)充氬保護(hù)措施不當(dāng)?shù)挠绊?。這是導(dǎo)致未熔合和內(nèi)凹缺陷產(chǎn)生的一個(gè)主要原因。根據(jù)施工缺陷產(chǎn)生后的分析和焊工個(gè)人回憶的比對(duì)，在采用水溶紙制作內(nèi)充氬保護(hù)氣室時(shí)如果處理不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)不良后果：一方面氣室空間內(nèi)氣體溫度升高導(dǎo)致焊接層間溫度不宜控制，這是導(dǎo)致打底收口接頭未熔合的主要原因；另一方面氣室過于緊密導(dǎo)致打底收口時(shí)氣室內(nèi)部氣壓偏高使熔池受到向外頂?shù)膲毫?，這將有可能導(dǎo)致內(nèi)凹的缺陷產(chǎn)生。

3.2.2 層間清理不徹底。在此種焊接接頭中無論是焊材還是母材合金含量都非常高，易氧化，如果在收弧時(shí)氬氣保護(hù)稍有不到位就會(huì)在表面形成一層氧化膜，而這種氧化膜又是比較難于去除的，所以如果層間清理不到位很容易導(dǎo)致焊道接頭處的未熔合缺陷產(chǎn)生。

3.2.3 層間溫度控制不嚴(yán)格，對(duì)口間隙不當(dāng)。奧氏體不銹鋼焊接過程對(duì)于焊縫層間溫度的控制要求非常嚴(yán)格，在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中經(jīng)常容易出現(xiàn)的狀況是作業(yè)人員急于將施工任務(wù)盡快完成而忽略了工藝要求，在同一個(gè)焊接接頭上連續(xù)不間斷的作業(yè)，從而導(dǎo)致層間溫度過高，焊縫金屬表面氧化嚴(yán)重，再加上層間清理不夠徹底，就極容易導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生。依據(jù)工藝評(píng)定，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)口間隙控制在2～3mm之間，隨著不斷施焊，在封口時(shí)間隙會(huì)因產(chǎn)生的軸向收縮而變小，導(dǎo)致熔池與兩側(cè)母材不能很好地熔合。另外，兩側(cè)母材壁厚也有偏差，間隙過小容易產(chǎn)生未熔合缺陷，間隙過大在仰焊位置容易產(chǎn)生內(nèi)凹缺陷。

3.2.4 空氣濕度對(duì)焊縫接頭質(zhì)量影響較大。通過現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)踐總結(jié)我們得出使用YT-HR3C焊絲對(duì)Super 304H/HR3C異種鋼接頭進(jìn)行焊接時(shí)，空氣濕度對(duì)焊縫接頭質(zhì)量有明顯的干擾，當(dāng)空氣濕度達(dá)到一定水平時(shí)甚至可能出現(xiàn)鐵水與母材無法熔合的現(xiàn)象。

3.2.5 焊工施工經(jīng)驗(yàn)不足，打底層焊道封口時(shí)電流過小。打底封口時(shí)，熔池與兩側(cè)焊縫的熔合需要較大的熱能量，電流過小會(huì)導(dǎo)致接頭區(qū)域熱輸入較低，導(dǎo)致未熔合，當(dāng)兩側(cè)焊縫接頭過厚時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)尤為明顯。

3.3 施工過程的控制重點(diǎn)和缺陷預(yù)防措施

通過對(duì)施工過程的總結(jié)和典型缺陷產(chǎn)生的原因分析，我們提出以下施工控制重點(diǎn)和缺陷預(yù)防措施。

3.3.1 注意充氬氣室的制作和內(nèi)充氬保護(hù)氬氣流量的控制。施工中采用焊接水溶紙進(jìn)行氣室制作，打底封口前保持散管內(nèi)的氬氣流動(dòng)1-2min，確保焊縫附近的氣體得到置換，封口時(shí)將散管端管打開1/4缺口，保證氬氣的正常流通。

3.3.2 加強(qiáng)施工過程控制，注意工藝細(xì)節(jié)。對(duì)口前對(duì)壁厚一側(cè)管件進(jìn)行打磨，減小兩側(cè)母材偏差，對(duì)口間隙控制在3mm。適當(dāng)加大打底封口電流，根據(jù)個(gè)人情況，比其他位置焊接電流增加10-15A。打底封口前將兩側(cè)焊縫機(jī)械打磨成斜坡狀，使得熔池與焊縫有效熔合，為保證質(zhì)量，所有接頭前都對(duì)焊縫進(jìn)行打磨?？刂坪檬┖傅膶娱g溫度，以100℃以內(nèi)為宜。

3.3.3 注意對(duì)焊工的培訓(xùn)和選拔，重視技術(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，無損檢測(cè)要及時(shí)以便于跟蹤焊工個(gè)人質(zhì)量波動(dòng)，及時(shí)調(diào)整。

4 結(jié)束語

（1）從工藝評(píng)定和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，采用YT-HR3C和Thermanit 617焊絲進(jìn)行HR3C和Super 304H對(duì)接焊接是可行的，對(duì)接接頭在力學(xué)性能等方面均能滿足相關(guān)技術(shù)要求。（2）YT-HR3C焊絲在用于HR3C和Super 304H對(duì)接上的可操作性要優(yōu)于Thermanit 617焊絲。（3）要保證HR3C和Super 304H不銹鋼焊接焊縫工藝質(zhì)量，需要從施工各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格把握，現(xiàn)場(chǎng)施工中最容易出現(xiàn)的缺陷是未熔合和內(nèi)凹，尤其在打底焊道收口部位，其中內(nèi)充氬保護(hù)的效果與缺陷產(chǎn)生的關(guān)系明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]史文淵，張兆弟，馮建輝，等.SUPER 304H及HR3C選用鎳基焊材的焊接工藝及實(shí)際操作研究[A].超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第二次論壇大會(huì)論文集，455-461.

[2]王立玉.采用Thermanit 617焊絲焊接Super304H和HR3C鋼的實(shí)踐[A].超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第三次論壇大會(huì)論文集，449-454.

[3]楊富，章應(yīng)霖，任永寧，等.新型耐熱鋼焊接[M].北京：中國電力出版社，2007.

作者簡介：汪公河（1974-），中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽電力建設(shè)第一工程公司副總工程師，高級(jí)工程師，一級(jí)建造師，主要從事電站管道焊接技術(shù)研究與應(yīng)用。

董明?。?985-），中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽電力建設(shè)第一工程公司，助理工程師，主要從事焊接技術(shù)研究和管理工作。

3.2.5 焊工施工經(jīng)驗(yàn)不足，打底層焊道封口時(shí)電流過小。打底封口時(shí)，熔池與兩側(cè)焊縫的熔合需要較大的熱能量，電流過小會(huì)導(dǎo)致接頭區(qū)域熱輸入較低，導(dǎo)致未熔合，當(dāng)兩側(cè)焊縫接頭過厚時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)尤為明顯。

3.3 施工過程的控制重點(diǎn)和缺陷預(yù)防措施

通過對(duì)施工過程的總結(jié)和典型缺陷產(chǎn)生的原因分析，我們提出以下施工控制重點(diǎn)和缺陷預(yù)防措施。

3.3.1 注意充氬氣室的制作和內(nèi)充氬保護(hù)氬氣流量的控制。施工中采用焊接水溶紙進(jìn)行氣室制作，打底封口前保持散管內(nèi)的氬氣流動(dòng)1-2min，確保焊縫附近的氣體得到置換，封口時(shí)將散管端管打開1/4缺口，保證氬氣的正常流通。

3.3.2 加強(qiáng)施工過程控制，注意工藝細(xì)節(jié)。對(duì)口前對(duì)壁厚一側(cè)管件進(jìn)行打磨，減小兩側(cè)母材偏差，對(duì)口間隙控制在3mm。適當(dāng)加大打底封口電流，根據(jù)個(gè)人情況，比其他位置焊接電流增加10-15A。打底封口前將兩側(cè)焊縫機(jī)械打磨成斜坡狀，使得熔池與焊縫有效熔合，為保證質(zhì)量，所有接頭前都對(duì)焊縫進(jìn)行打磨?？刂坪檬┖傅膶娱g溫度，以100℃以內(nèi)為宜。

3.3.3 注意對(duì)焊工的培訓(xùn)和選拔，重視技術(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，無損檢測(cè)要及時(shí)以便于跟蹤焊工個(gè)人質(zhì)量波動(dòng)，及時(shí)調(diào)整。

4 結(jié)束語

（1）從工藝評(píng)定和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，采用YT-HR3C和Thermanit 617焊絲進(jìn)行HR3C和Super 304H對(duì)接焊接是可行的，對(duì)接接頭在力學(xué)性能等方面均能滿足相關(guān)技術(shù)要求。（2）YT-HR3C焊絲在用于HR3C和Super 304H對(duì)接上的可操作性要優(yōu)于Thermanit 617焊絲。（3）要保證HR3C和Super 304H不銹鋼焊接焊縫工藝質(zhì)量，需要從施工各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格把握，現(xiàn)場(chǎng)施工中最容易出現(xiàn)的缺陷是未熔合和內(nèi)凹，尤其在打底焊道收口部位，其中內(nèi)充氬保護(hù)的效果與缺陷產(chǎn)生的關(guān)系明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]史文淵，張兆弟，馮建輝，等.SUPER 304H及HR3C選用鎳基焊材的焊接工藝及實(shí)際操作研究[A].超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第二次論壇大會(huì)論文集，455-461.

[2]王立玉.采用Thermanit 617焊絲焊接Super304H和HR3C鋼的實(shí)踐[A].超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第三次論壇大會(huì)論文集，449-454.

[3]楊富，章應(yīng)霖，任永寧，等.新型耐熱鋼焊接[M].北京：中國電力出版社，2007.

作者簡介：汪公河（1974-），中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽電力建設(shè)第一工程公司副總工程師，高級(jí)工程師，一級(jí)建造師，主要從事電站管道焊接技術(shù)研究與應(yīng)用。

董明?。?985-），中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽電力建設(shè)第一工程公司，助理工程師，主要從事焊接技術(shù)研究和管理工作。

3.2.5 焊工施工經(jīng)驗(yàn)不足，打底層焊道封口時(shí)電流過小。打底封口時(shí)，熔池與兩側(cè)焊縫的熔合需要較大的熱能量，電流過小會(huì)導(dǎo)致接頭區(qū)域熱輸入較低，導(dǎo)致未熔合，當(dāng)兩側(cè)焊縫接頭過厚時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)尤為明顯。

3.3 施工過程的控制重點(diǎn)和缺陷預(yù)防措施

通過對(duì)施工過程的總結(jié)和典型缺陷產(chǎn)生的原因分析，我們提出以下施工控制重點(diǎn)和缺陷預(yù)防措施。

3.3.1 注意充氬氣室的制作和內(nèi)充氬保護(hù)氬氣流量的控制。施工中采用焊接水溶紙進(jìn)行氣室制作，打底封口前保持散管內(nèi)的氬氣流動(dòng)1-2min，確保焊縫附近的氣體得到置換，封口時(shí)將散管端管打開1/4缺口，保證氬氣的正常流通。

3.3.2 加強(qiáng)施工過程控制，注意工藝細(xì)節(jié)。對(duì)口前對(duì)壁厚一側(cè)管件進(jìn)行打磨，減小兩側(cè)母材偏差，對(duì)口間隙控制在3mm。適當(dāng)加大打底封口電流，根據(jù)個(gè)人情況，比其他位置焊接電流增加10-15A。打底封口前將兩側(cè)焊縫機(jī)械打磨成斜坡狀，使得熔池與焊縫有效熔合，為保證質(zhì)量，所有接頭前都對(duì)焊縫進(jìn)行打磨。控制好施焊的層間溫度，以100℃以內(nèi)為宜。

3.3.3 注意對(duì)焊工的培訓(xùn)和選拔，重視技術(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，無損檢測(cè)要及時(shí)以便于跟蹤焊工個(gè)人質(zhì)量波動(dòng)，及時(shí)調(diào)整。

4 結(jié)束語

（1）從工藝評(píng)定和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，采用YT-HR3C和Thermanit 617焊絲進(jìn)行HR3C和Super 304H對(duì)接焊接是可行的，對(duì)接接頭在力學(xué)性能等方面均能滿足相關(guān)技術(shù)要求。（2）YT-HR3C焊絲在用于HR3C和Super 304H對(duì)接上的可操作性要優(yōu)于Thermanit 617焊絲。（3）要保證HR3C和Super 304H不銹鋼焊接焊縫工藝質(zhì)量，需要從施工各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格把握，現(xiàn)場(chǎng)施工中最容易出現(xiàn)的缺陷是未熔合和內(nèi)凹，尤其在打底焊道收口部位，其中內(nèi)充氬保護(hù)的效果與缺陷產(chǎn)生的關(guān)系明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]史文淵，張兆弟，馮建輝，等.SUPER 304H及HR3C選用鎳基焊材的焊接工藝及實(shí)際操作研究[A].超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第二次論壇大會(huì)論文集，455-461.

[2]王立玉.采用Thermanit 617焊絲焊接Super304H和HR3C鋼的實(shí)踐[A].超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第三次論壇大會(huì)論文集，449-454.

[3]楊富，章應(yīng)霖，任永寧，等.新型耐熱鋼焊接[M].北京：中國電力出版社，2007.

作者簡介：汪公河（1974-），中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽電力建設(shè)第一工程公司副總工程師，高級(jí)工程師，一級(jí)建造師，主要從事電站管道焊接技術(shù)研究與應(yīng)用。

董明俊（1985-），中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽電力建設(shè)第一工程公司，助理工程師，主要從事焊接技術(shù)研究和管理工作。