影響SA213—T91鋼管焊接接頭質(zhì)量的工藝措施分析

朱宏

【摘 要】針對(duì)高壓蝶粉鍋爐過(guò)熱器換管改造過(guò)程中，對(duì)影響SA213-T91鋼管焊接接頭質(zhì)量的因素進(jìn)行了討論，分析了產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的焊接工藝措施，確保了焊接質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】過(guò)熱囂；T91鋼；焊接性；焊接缺陷；焊接工藝措施

【Abstract】Change management transformation for high pressure boiler superheater Butterfly process， the factors affecting the SA213-T91 steel welded joint quality were discussed， analyzed the causes， and the corresponding welding process measures to ensure the quality of welding.

【Key words】Welding；Welding process measures；Welding defects overheated clamor；T91 steel

1. 前言

（1）某熱電廠高壓煤粉鍋爐高溫過(guò)熱器（末級(jí)過(guò)熱器），原設(shè)計(jì)材質(zhì)為12CrlMoV，規(guī)格為42mm*5mm，由于長(zhǎng)期過(guò)熱，致使過(guò)熱器蛇形管排尤其是彎頭部分材質(zhì)惡化，經(jīng)取樣分析，珠光體球化平均4～5級(jí)，嚴(yán)重處5級(jí)以上。隨著運(yùn)行時(shí)間增加，管子越來(lái)越脆弱，爆管越來(lái)越頻繁，換管改造已是刻不容緩。經(jīng)過(guò)調(diào)研，決定全部更換為新型耐熱鋼SA213-T91鋼，規(guī)格為42 mmx5 mm。T91鋼由于抗高溫性能好，目前被廣泛采用，其高溫強(qiáng)度、抗氧化性較12CrlMoV鋼有較大的提高，推薦使用溫度為650℃以下。為了便于現(xiàn)場(chǎng)安裝，蛇形管排由廠家制作，并制作一端材質(zhì)為SA213-T91，一端材質(zhì)為12CrlMoV的直管段；現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，直管段12CrlMoV一端與原管排拆除后聯(lián)箱上管接頭對(duì)接，SA213-T91一端與新?lián)Q的SA213-T91蛇形管排對(duì)接，如圖1所示。共有66組，SA213-T91焊口264個(gè)。12CrlMoV焊口264個(gè)。

（2）在實(shí)際工程應(yīng)用中出現(xiàn)一些焊接問(wèn)題，如焊接工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，焊接工藝措施不到位等，導(dǎo)致焊縫根部氧化，出現(xiàn)未焊透、氣孔等缺陷，探傷一次合格率偏低，返修量大，造成成本增加和產(chǎn)品質(zhì)量下降。

（3）本文從SA213-T91鋼化學(xué)成分著手，討論SA213-T91鋼管焊接過(guò)程中氬氣保護(hù)機(jī)理以及提出出現(xiàn)問(wèn)題的解決方法。

2. SA213-T91 鋼管性能及焊接性

2.1 SA213-T91 鋼管性能。

2.1.1 SA213-T91鋼的化學(xué)成分。

（1）SA213-T91鋼是一種改良型的9Cr-1Mo鋼，在原9Cr-1Mo馬氏體鋼通過(guò)降低C含量，增加V，Nb等合金元素。具有良好的抗高溫氧化和抗蠕變性能，Acl為830～850℃。Ac3為900-940℃，可在650℃溫度下連續(xù)工作。其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

（2）從表1中可以看出，SA213-T91合金元素總含量接近13%，T91鋼中各合金元素分別起到固溶強(qiáng)化彌散強(qiáng)化和提高鋼的抗氧化性、抗腐蝕性能，為防止合金素在焊接過(guò)程中燒損，特別是防止根部氧化，必須采用管內(nèi)壁充氬保護(hù)的措施。

2.1.2 T91鋼室溫力學(xué)性能。

（1）表2為筆者對(duì)T91鋼和12CrlMoV鋼所進(jìn)行的室溫力學(xué)性能比較。

（2）通過(guò)比較可以看出，T91鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯高于12CrlMoV，T91鋼的室溫抗拉強(qiáng)度最大值可大于770 MPa，而且塑性也較好。

2.1.3 T91鋼的高溫性能。

（1）T91鋼限制了C含量，加入了V，Nb，使它比12CrlMoV具有較高的的持久強(qiáng)度和許用應(yīng)力，表3列出了T91與12CrlMoV高溫性能比較。

（2）從表3可以看出：在540～610℃范圍內(nèi)T91鋼的許用應(yīng)力明顯高于12CrlMoV，當(dāng)溫度達(dá)600℃以上時(shí).T91鋼的許用應(yīng)力下降較快，這表明末級(jí)過(guò)熱器材質(zhì)改為T(mén)91鋼后，在運(yùn)行過(guò)程中壁溫應(yīng)盡可能控制在600℃以下。

2.2 T91鋼的焊接性。

SA213-T91鋼焊接性差，淬硬傾向大，快速冷卻容易產(chǎn)生冷裂紋。而冷卻速度過(guò)慢又會(huì)使綜合力學(xué)性能下降。

2.2.1 冷裂敏感性。

從表1可知，T91鋼合金元素總含量超過(guò)13%，根據(jù)鋼材化學(xué)成分及IIW推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式，可計(jì)算出其加w（C）eq=1.94%～2.38%，遠(yuǎn)大于0.6%，這說(shuō)明該鋼的淬硬傾向很大.冷裂紋敏感性很大。

2.2.2 再熱裂紋敏感性。

與9Cr-1Mo鋼相比，T9l鋼中加入了V，Nb，N等元素，精細(xì)的V.Nb碳氮化合物沉淀析出以及V的存在，阻止了Cr元素的移動(dòng)，故T91鋼的再熱裂紋敏感性低于9Cr-1Mo鋼的再熱裂紋敏感性。

2.2.3 熱裂紋敏感性。

T91鋼中由于含有促進(jìn)熱裂的合金元素C，Nb等，故該鋼有一定的熱裂傾向。

3. 存在的問(wèn)題及原因

在鍋爐高溫過(guò)熱器改造焊接施工中易產(chǎn)生的缺陷有：焊縫表面氧化、氣孔、未焊透、裂紋等。本文結(jié)合改造過(guò)程中的情況，主要介紹了產(chǎn)生幾種缺陷的原因及焊接工藝措施。

3.1 焊縫表面氧化。

焊縫歷經(jīng)高溫時(shí)間長(zhǎng)、氬氣保護(hù)效果不好，使焊縫表面的化學(xué)元素被嚴(yán)重?zé)龘p是焊縫表面氧化的主要原因。在現(xiàn)場(chǎng)施焊時(shí)由于管道是整屏的，背面熔池高度氧化使焊縫很難成形.容易產(chǎn)生咬邊、夾渣和部分未熔合等缺陷，使一次探傷合格率很低。尤其在返修時(shí)，管道上端已經(jīng)與聯(lián)箱接口，從管口無(wú)法充氣保護(hù)。經(jīng)多次分析及試驗(yàn)，找出了主要原因是由于焊接條件的影響，即內(nèi)部充氣保護(hù)不好，這是由于焊口上端的管子長(zhǎng)度在4m左右，致使充氣時(shí)氬氣保護(hù)效果不好。

3.2 氣孔。

焊材和工件受潮、電弧過(guò)長(zhǎng)、保護(hù)氣體流量不合適等均是產(chǎn)生氣孔的主要原因。如在現(xiàn)場(chǎng)施工中。由于高溫過(guò)熱器為垂直整屏排列，管子之間的間隙僅10mm左右，其屬于障礙焊，施焊時(shí)限制了焊槍角度的位置，使焊槍傾角過(guò)大，電弧過(guò)長(zhǎng)，造成了電弧不穩(wěn)定，導(dǎo)致氬氣保護(hù)不好，從而易產(chǎn)生氣孔。此外，在檢修時(shí)，由于氬弧焊槍的連接線長(zhǎng)60～70 m，而連接線回路內(nèi)焊接時(shí)是低電壓、大電流運(yùn)行.勢(shì)必造成了較大的電壓降和電流損耗，特別是穩(wěn)弧脈沖電流的損耗造成電弧不穩(wěn)定。致使空氣侵入氬氣保護(hù)區(qū)而產(chǎn)生氣孔。

3.3 未焊透。

根部間隙過(guò)小、鈍邊過(guò)大、坡口角度偏小、焊接電流過(guò)小、焊接速度過(guò)快等是產(chǎn)生未焊透的主要原因。由于SA213-T91材料在焊接過(guò)程中，熔池鐵液的流動(dòng)性不好，也使焊口焊透有一定的困難。

3.4 裂紋及熱影響區(qū)淬硬組織的產(chǎn)生。

圖2為T(mén)9l鋼的連續(xù)冷卻曲線，從圖2可以看出，T91的臨界冷卻速度低，奧氏體穩(wěn)定性很大，冷卻時(shí)不易發(fā)生正常的珠光體轉(zhuǎn)變，從而冷卻到較低溫度時(shí)會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。正由于此，T91的淬硬和冷裂傾向很大。由于熱影響區(qū)的各種組織具有不同的密度、膨脹系數(shù)和不同的晶格形式，在加熱和冷卻過(guò)程中必然會(huì)伴有不同的體積膨脹和收縮：另外又由于焊接具有不均勻加熱和溫度高的特點(diǎn)，故而T91焊接接頭內(nèi)部應(yīng)力很大。對(duì)于T91，奧氏體十分穩(wěn)定，只有冷卻到較低溫度（約400℃）才轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。由于粗大的馬氏體組織脆而硬，接頭又處在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，同時(shí)，焊縫冷卻過(guò)程中氫由焊縫向近縫區(qū)擴(kuò)散.故氫的存在促使了馬氏體脆化，其綜合作用的結(jié)果.就很容易在淬硬區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。

4. 焊接工藝措施

4.1 焊前準(zhǔn)備。

焊接前，需將坡口兩側(cè)母材各25 mm寬的范圍內(nèi)的油污、鐵銹、油漆及毛刺清理干凈，同時(shí)需對(duì)坡口尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。將鈍邊由2 mm改為l mm。在焊接過(guò)程中將電弧壓絲焊接改為熔孔焊接（就是在焊接過(guò)程中，先在焊口上熔一個(gè)大于坡口間隙的熔孔，焊絲不放入熔池.放在焊口的上邊緣，距熔池1～2 mm處，利用電弧力及熔池的張力把鐵液帶人熔池，期間需要?dú)鍤庖恢北Ｗo(hù)熔孔，直至焊接完成），以保證焊透。

4.2 焊前預(yù)熱和道間溫度控制。

T91鋼的Ma點(diǎn)約為400℃，為防止焊縫冷卻過(guò)快形成淬硬組織以及高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)形成粗大晶粒，焊前需預(yù)熱，預(yù)熱溫度一般為100～150℃。預(yù)熱溫度不能太高，否則接頭冷卻速度降低，可能在焊接接頭中引起晶界處碳化物析出和形成鐵素體組織，從而大大降低該鋼材焊接接頭在室溫時(shí)的沖擊韌性。道間溫度不得低于預(yù)熱溫度下限，但也不能過(guò)高，其不得大于300 ℃。

4.3 加強(qiáng)充氬保護(hù)。

充氣時(shí)，盡量把充氣的管子插入距焊縫處越近越好。如圖3所示，且需將氬氣流量由原來(lái)的6～7 L/min改為14～16 L/min；在充氣端用可溶紙堵好，另一端不堵，以使管道內(nèi)壓力不是很高，同時(shí)又能很好地保護(hù)好焊縫不被氧化。從而得到優(yōu)質(zhì)的焊縫，這一點(diǎn)往往容易被人忽視。該因素消除后，可使檢修焊逢的一次探傷合格率上升到98%以上。

4.4 采用大口徑噴嘴。

（1）將原來(lái)使用的長(zhǎng)為40 mm、直徑為5 mm的噴嘴改為長(zhǎng)為60 mm、直徑為8 mm的噴嘴，將氬氣流量由原來(lái)的7 L/min增大到8～9 L/min。以使從噴嘴噴出的氬氣流均勻鎮(zhèn)靜，從而減少渦流，容易保持層流，使保護(hù)區(qū)增大，改善氨氣保護(hù)效果。從操作方面，需改變引弧位置。由于引弧時(shí)電弧是最不穩(wěn)定的，如果在始焊位置直接引弧。焊槍傾角將很大（與焊接位置的切線夾角在30°以下），使空氣侵入熔池的可能性大大增加。從而容易產(chǎn)生密集性氣孔。因此需在能保證焊槍角度垂直的位置處引弧，再以較快的速度（保證電弧穩(wěn)定燃燒的條件下）進(jìn)行正常焊接，如圖4所示，這樣可使得電弧燃燒穩(wěn)定，并可改善氬氣保護(hù)效果，從而減少氣孔的產(chǎn)生。

（2）焊槍連接線和地線選用橫截面積在75 mm2以上的銅質(zhì)電纜，同時(shí)，改公用地線為專用地線，即每臺(tái)氬弧焊機(jī)各配1條地線，且需將地線直接接在焊口附近，而不要用其他構(gòu)件代替。目的是把焊接回路的電能損失控制在最小，使電弧穩(wěn)定，從而減少氣孔產(chǎn)生的可能性。

4.5 選擇合理的焊接工藝參數(shù)。

打底層的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。為了保證淬火區(qū)性能要用小的熱輸入。但過(guò)小的焊接熱輸入會(huì)降低生產(chǎn)效率，故要選擇合理的熱輸入。可采用窄焊道技術(shù)以及高的焊接速度和多層焊。盡量減少焊縫在高溫區(qū)的停留時(shí)間，以獲得良好的焊縫組織。

4.6 其他措施。

層道問(wèn)必須仔細(xì)清理，即下一道焊縫焊接前應(yīng)對(duì)前一道焊縫表面的氧化層進(jìn)行徹底清理，可利用鋼鋸條或角向磨光機(jī)清理，但不可使用榔頭、鏨子過(guò)重敲擊，以免產(chǎn)生裂紋。TIG焊是一種低氫焊接方法，不強(qiáng)力對(duì)口，按規(guī)范預(yù)熱溫度一般不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。對(duì)熱裂紋、再熱裂紋也不敏感，但是往往在熄弧時(shí)產(chǎn)生熄弧裂紋，這種裂紋的防止措施是在坡口側(cè)面引弧熄弧，合理控制焊接電流的衰減，在熄弧前加1滴鐵液。并在收尾時(shí)應(yīng)填滿弧坑。

4.7 確保焊接接頭后熱處理的溫度和時(shí)間。

T91鋼的冷裂傾向較大，在一定條件下，容易產(chǎn)生延遲裂紋.故焊接接頭必須在焊后24 h內(nèi)進(jìn)行回火處理。在100～150 ℃區(qū)間，T91鋼焊接接頭中馬氏體量較多，且不出現(xiàn)冷裂，故在焊縫整體焊接完畢，需冷卻到120℃以下恒溫1 h，待馬氏體轉(zhuǎn)變完成后進(jìn)行熱處理，如不能立即熱處理時(shí)則應(yīng)進(jìn)行350 ℃恒溫l h熱處理，否則容易引起冷裂紋。T91焊后狀態(tài)的組織為板條狀馬氏體，經(jīng)過(guò)回火可變?yōu)榛鼗瘃R氏體，其性能較板條狀馬氏體的好?；鼗饻囟绕蜁r(shí).回火效果不明顯，焊縫金屬容易時(shí)效而脆化：回火溫度過(guò)高（超過(guò)Ac1線），接頭又可能再次奧氏體化.并在隨后的冷卻過(guò)程中重新淬硬。因此.T91回火溫度為750～760 ℃，熱處理時(shí)采用電加熱的方法，升、降溫度速度需控制在150 ℃/h，恒溫30 min。

5. 結(jié)論

（1）SA213-T91鋼管由于合金元素含量高.總含量接近13%，在焊接過(guò)程中為了防止合金元素?zé)龘p，并防止根部氧化，必須加強(qiáng)管內(nèi)充氬保護(hù)。

（2）鍋爐高溫過(guò)熱器氬弧焊接主要的難題是焊縫背面保護(hù)不好，容易產(chǎn)生氣孔和背面成形不好。為了防止氣孔的產(chǎn)生和改善背面成形，必須考慮到檢修條件的影響因素，使檢修條件盡量與試件施焊的條件相近，才能取得良好的效果。

（3）T91鋼有較大冷裂傾向，選取預(yù)熱溫度為100～150℃。嚴(yán)格控制道間溫度200～300℃。以及焊后及時(shí)進(jìn)行熱處理可有效防止冷裂紋產(chǎn)生，使焊縫獲得良好的顯微組織和力學(xué)性能。

（4）適當(dāng)?shù)卦黾託鍤獗Ｗo(hù)范圍，調(diào)整操作方法，做好細(xì)致的防護(hù)措施是減少氣孔和改善背面成形的根本保證。充氬保護(hù)等焊接工藝措施有效地解決了過(guò)熱器換管焊接質(zhì)量問(wèn)題，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，焊接接頭一次合格率近99%以上，獲得了綜合性能良好的焊接接頭，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益及安全效益。該焊接工藝方法在鍋爐過(guò)熱器制造與改造檢修中具有普遍的借鑒意義。

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[文章編號(hào)]1619-2737（2015）06-20-631