SA213—TP347H∕SA213—T91異種鋼的焊接

廣東拓奇電力技術(shù)發(fā)展有限公司 510663

摘要：600MW或1000MW火力發(fā)電廠中，由于鍋爐內(nèi)不同部件位置溫度壓力區(qū)別較大，為保證安全、經(jīng)濟(jì)實(shí)用設(shè)計(jì)時(shí)不同溫度壓力段經(jīng)常選用不同種鋼，其中在高溫再熱器或過熱器等部件中往往存在TP347H/T91異種鋼接頭焊接。這樣就遇到了奧氏體熱強(qiáng)鋼和馬氏體耐熱鋼異種鋼焊接的問題。本文結(jié)合福建寧德電廠600 MW機(jī)組檢修的工程實(shí)例，采用ERNiCr-3焊絲焊接，對(duì)#1爐屏式過熱器局部（SA213-TP347H∕SA213-T91）進(jìn)行焊接，焊接完成后不進(jìn)行焊后熱處理，焊后經(jīng)100%射線檢驗(yàn)一次合格率98.33%。實(shí)踐證明SA213-TP347H∕SA213-T91異種鋼焊接，采用鎳基焊材（ERNiCr-3）作填充材料全氬弧焊的工藝是可行的，可為同類工程提供一定借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：異種鋼焊接；可焊性；焊材選用；焊接工藝質(zhì)量過程控制

前言

福建寧德電廠#1爐為上海鍋爐制造廠生產(chǎn)，其部件中屏式過熱器設(shè)計(jì)溫度為568℃，設(shè)計(jì)工作壓力為26.8MPa。屏式過熱器共計(jì)45屏，每屏26根管其中中間存在SA213-TP347H∕SA213-T91異種鋼焊口對(duì)接，管徑規(guī)格Φ38×6.5mm。2013年寧德電廠#1爐大修期間對(duì)屏過U型彎上直管段測(cè)厚時(shí)發(fā)現(xiàn)吹損減薄后管子厚度低于規(guī)定厚度，根據(jù)現(xiàn)場的情況對(duì)每屏內(nèi)圈與外圈第一根管換管處理直管段進(jìn)行跟換處理，焊口數(shù)為180個(gè)；管屏與管屏之間距離為400mm，每根管之間也是在10mm左右。基于用電比較緊張狀態(tài)下，業(yè)主對(duì)這次改造檢修時(shí)間控制得很緊，焊接接頭和焊接位置都比較特殊，為保證按期完成大修工作量。開工前我們對(duì)這次換管的兩種材質(zhì)，焊材選擇和焊接位置進(jìn)行了分析并制定一套焊接工藝方案，完工后證實(shí)是行之有效的。

一、SA213-TP347H∕SA213-T91焊接性能、化學(xué)成分

1.SA213-TP347H鋼是日本生產(chǎn)管材，屬超低氫型用鈮穩(wěn)定的鉻鎳奧氏體熱強(qiáng)鋼。其鉻、鎳含量較高，具有較高的熱強(qiáng)性和抗晶間腐蝕性能、組織穩(wěn)定、抗氧化性能好，化學(xué)成分見表1。

2.SA213-T91是美國國家橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室和美國燃料工程公司冶金材料實(shí)驗(yàn)室合作研制，是在9Cr-1Mo鋼基礎(chǔ)上加入微量釩、鈮、鈦等合金元素同時(shí)有意識(shí)的降低碳元素上形成行成的，鋼材中各合金元素的加入提高了其固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、抗氧化性、抗腐蝕性的性能，化學(xué)成分見表1。

二、奧氏體∕馬氏體異種鋼焊接存在的主要問題及分析

奧氏體+馬體異種鋼焊接，由于兩種不同成分、不同晶體結(jié)構(gòu)的金屬互相摻合，在其熔合線附近出現(xiàn)了化學(xué)成分、金相組織、機(jī)械性能和物理性能的不

均勻性，由于這些不均勻性的存在，給接頭的使用安全性帶來了很大不利。奧氏體+馬氏體鋼焊接時(shí)，存在的主要問題有以下幾點(diǎn)：

1.焊縫熔合區(qū)存在一個(gè)脆性交界層

焊接過程中，由于焊縫金屬與馬氏體母材金屬成分相差很大，馬氏體母材金屬對(duì)焊縫金屬的“稀釋”作用，在焊縫熔合區(qū)存在明顯的濃度梯度，與焊縫中心區(qū)相比，Cr，Ni含量越靠近熔合線越少。當(dāng)Ni含量降低至一定值時(shí)，會(huì)使焊縫熔合區(qū)的奧氏體形成元素不足，而形成熔合區(qū)脆性交界層，它的存在嚴(yán)重降低了接頭的沖擊韌性，使接頭的脆性增加，塑性下降。

2.焊縫交界面的碳遷移

碳遷移主要發(fā)生在馬氏體母材與奧氏體焊縫金屬的交界面上。之所以發(fā)生碳遷移現(xiàn)象，是因?yàn)楹缚p金屬含有較多的碳化物形成元素，由于合金元素含量高，給碳擴(kuò)散提供了有利條件。而且在任何溫度下，碳在α-Fe中的擴(kuò)散能力比在γ-Fe中大得多，因此，碳趨向于由馬氏體鋼向奧氏體鋼中擴(kuò)散遷移，因而在焊縫交界面附近會(huì)形成一個(gè)薄薄的增碳層和脫碳層，這在金相顯微鏡下難以看出。但隨著焊后加熱溫度的提高和加熱時(shí)間的延長，增碳層和脫碳層增寬，這是產(chǎn)生熱疲勞裂紋的誘導(dǎo)因素，為抑制碳擴(kuò)散，應(yīng)選用鎳含量高的焊條（焊絲）作填充材料。

3.焊縫交界面上的熱應(yīng)力

由于奧氏體鋼和馬氏體焊縫金屬線膨脹系數(shù)差別很大，在奧氏體鋼與馬氏體焊縫界面附近會(huì)出現(xiàn)明顯的熱應(yīng)力，而且焊后回火也不能消除，只能引起應(yīng)力的重新分配。這種高溫應(yīng)力也是造成界面破壞的主要原因。

為減少因膨脹差引起的熱應(yīng)力，應(yīng)選用合適的焊接材料，使焊縫金屬的線膨脹系數(shù)與奧氏體母材相近，使熱應(yīng)力集中在塑性變形能力強(qiáng)的奧氏體鋼母材上，應(yīng)使焊接接頭盡量避免溫度停留過長時(shí)間。

4.焊縫金屬的熱裂紋

用鎳基合金焊絲作填充材料時(shí)，焊縫金屬易形成方向性很強(qiáng)的柱狀組織—奧氏體，柱狀?yuàn)W氏體有利于雜質(zhì)元素的偏析。同時(shí)，合金元素在奧氏體中的溶解度有限，會(huì)與Ni，F(xiàn)e生成低熔點(diǎn)共晶體分布于晶界，形成液態(tài)間膜。在焊接應(yīng)力作用下易產(chǎn)生熱裂紋。為防止焊縫產(chǎn)生熱裂紋，選擇正確焊接材料，焊接時(shí)應(yīng)采用較小的線能量，不預(yù)熱、不擺動(dòng)、快速焊，以加快焊縫的冷卻速度，同時(shí)避免強(qiáng)制對(duì)口。

三、焊前準(zhǔn)備

1.屏式過熱器進(jìn)出口聯(lián)箱共45排，每排2根；坡口采用機(jī)械加工。鎢極氬弧焊對(duì)油漆、油污、鐵銹和臟物產(chǎn)生氣孔等缺陷很敏感，焊前清理要用角向磨光機(jī)打磨坡口表面內(nèi)、外各15～20mm范圍內(nèi)直至露出金屬光澤。

2.對(duì)口間隙要求稍微偏大，控制在2～3mm，鈍邊盡量控制在1mm或不留鈍邊，內(nèi)壁錯(cuò)口不得超過1mm。

3.焊前先把上下管子內(nèi)徑每側(cè)各250mm處用水溶性紙或木漿性紙堵成密封氣室。用對(duì)口鉗夾著上下管子直至內(nèi)壁整齊和間隙合適進(jìn)行充氬氣，以防氬氣從坡口流失，點(diǎn)焊跟正式施焊一樣，嚴(yán)格按工藝卡執(zhí)行。

四、焊接工藝

1.焊接方法：鎢極氬弧焊（GTAW），焊接位置垂直固定（2G），焊接工藝參數(shù)見表2。

2.焊接材料：焊絲選用ERNiCr-3鎳基焊絲，直徑Φ2.4mm。保護(hù)氣體：氬氣純度≧99.99﹪。焊機(jī)：同誠逆變焊機(jī)，氬弧焊搶氣冷式、角度75°。

五、焊接操作過程

1.本焊接接頭按工藝卡執(zhí)行不需預(yù)熱，打底層焊接時(shí)，管子內(nèi)部必須形成沖氬保護(hù)后方可進(jìn)行，沖氣流量控制在10～15L/min。

2.由于管屏之間距離比較小，焊工只能站在管屏側(cè)面操作焊接，打底焊采用內(nèi)加絲法，收弧時(shí)溫度控制低點(diǎn)（170℃以下），往坡口邊收弧和多加點(diǎn)焊絲。焊工要注意焊接收弧時(shí)視線受阻礙產(chǎn)生熔池未填滿從而產(chǎn)生縮孔和弧坑裂紋、根部縮孔。

3.第一層氬弧焊打底完，充氣小孔先不要封上；焊第二層第一道焊縫繼續(xù)充氣保護(hù)，為保證焊縫根部不燒焦（氧化）有必要再充氣保護(hù)。

4.這次換管焊接位置困難、管壁薄、直徑小，不銹鋼焊接時(shí)表面產(chǎn)生一層薄薄的氧化膜和鐵水的流動(dòng)性差；如果焊接工藝的操作方法稍微不當(dāng)，溫度過高都很容易造成根部燒焦（氧化），縮孔、未焊透等缺陷。在焊接過程中盡量利用短弧焊、不擺動(dòng)、快速焊、小的線能量，送絲角度盡可能順著工件角度，避免每個(gè)接頭布置在一起。

5.注意首個(gè)焊口打底起弧根部充氬氣保護(hù)和收弧，氬氣是隋性氣體，密度比空氣大是往下沉的，盡量充一分鐘左右盡量排出空氣后起弧開始焊接，否則起弧后前面的幾個(gè)熔池很容易造成氧化甚至燒焦。收弧溫度也極易過高、造成收弧未填滿，且不銹鋼熱脹冷縮快易產(chǎn)生收弧縮孔和裂紋。

六、質(zhì)量情況

1.嚴(yán)格履行三級(jí)驗(yàn)收制度，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按DL/T869-2004《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》的要求。外觀檢驗(yàn)經(jīng)單位專業(yè)質(zhì)量二級(jí)驗(yàn)收，業(yè)主專業(yè)過程監(jiān)督檢查和質(zhì)量三級(jí)驗(yàn)收沒發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)缺陷，均為合格。

2.180個(gè)焊口委托業(yè)主金屬室進(jìn)行100%射線檢驗(yàn)，總體檢驗(yàn)結(jié)果一次合格率98.33%以上。

七、結(jié) 論

（1）SA213-TP347H∕SA213-T91異種鋼焊接，選用鎳基焊材（ERNiCr-3）做填充材料，可采用焊后不做熱處理的焊接工藝。因?yàn)槠浜嚵扛?，在焊接熔合比較大時(shí)，均能保證焊縫為奧氏體組織，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性；另外線膨脹系數(shù)接近母材，可較大地降低焊縫界面熱應(yīng)力；還可以阻止碳擴(kuò)散遷移，使T91側(cè)不易形成脫碳層，有利于提高接頭的高溫性能。

（2）在現(xiàn)役600MW與1000MW機(jī)組中異種鋼接頭因?yàn)槲锢硇阅芎突瘜W(xué)性能不同而帶來的焊接問題比較常見，只要我們了解其性能，選擇適合的焊材和焊接工藝，減少熱量輸出控制焊縫融合就可以獲得合格的焊接接頭。從而在電廠檢修、維護(hù)及安裝過程中做到保質(zhì)保量的順利完成焊接工作。

（3）此次焊接接頭經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理三級(jí)驗(yàn)收和射線（RT）檢驗(yàn)的總體結(jié)果證明，焊口一次合格率在98.33%以上，焊口質(zhì)量優(yōu)良、同時(shí)也保證工作按期完成。以上SA213-TP347H∕SA213-T91異種鋼焊接存在的難度分析后制定的施工方案及現(xiàn)場的質(zhì)量控制措施是成功的，可為同類工程提供一定借鑒價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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[2]電力建設(shè)施工質(zhì)量驗(yàn)收及評(píng)價(jià)規(guī)程第7部分：焊接篇 DL/T5210.7-2010-2012

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