火電廠焊接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

申彥軍

（神華億利能源有限責(zé)任公司電廠，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014300）

1 火電廠用新型熱強(qiáng)鋼的焊接性能

1.1 焊縫金屬韌性的劣化

我國(guó)的焊接工作者近年來(lái)對(duì)T91/P91 鋼的實(shí)踐證實(shí)，焊縫的韌性對(duì)線能量和層間溫度極其敏感。采用大線能量、高層間溫度（60kJ/cm，250～350℃） 時(shí)，焊縫韌性?xún)H為3.9～15.9J/cm2，降低線能量和層間溫度（25kJ/cm，220～250℃）時(shí)，焊縫韌性達(dá)到73.2～113.6J/cm2，波蘭的研究者也得到了同樣的結(jié)論。采用小線能量TIG 熱絲全位置焊接P91 厚壁管，可得到良好的焊縫韌性。

1.2 HAZ 蠕變斷裂強(qiáng)度的下降

研究表明P91 鋼HAZ 存在一個(gè)蠕變斷裂強(qiáng)度劣化的區(qū)域，劣化從焊接HAZ 的850℃，即AC1 開(kāi)始，925℃是劣化的最低值，然后逐步恢復(fù)，在HAZ 溫度超過(guò)1100℃后，才恢復(fù)到接近母材。還示出了蠕變斷裂強(qiáng)度劣化程度，可以推論，這一劣化區(qū)的寬度越大，對(duì)接頭高溫強(qiáng)度的影響就越明顯，因此控制850～1100℃HAZ 的寬度是控制這一劣化影響的重要手段。顯然這也需要通過(guò)控制焊接線能量和層間溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 電廠異種鋼焊接

電廠異種鋼焊接的主要對(duì)象為奧氏體不銹鋼（簡(jiǎn)稱(chēng)A）與鐵素體型（簡(jiǎn)稱(chēng)F） 耐熱鋼異種金屬的焊接。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多次異種鋼焊接接頭斷裂失效事故。目前盡管關(guān)于異種鋼接頭的早期失效原因、影響因素及剩余壽命預(yù)測(cè)已有了部分研究成果，但對(duì)異種鋼接頭早期失效的機(jī)理尚缺乏系統(tǒng)的研究。

對(duì)A/F 異種鋼接頭研究的新進(jìn)展

1） 異種鋼接頭的失效模式，目前，對(duì)異種鋼接頭失效的模式有基本統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，其中比較有代表性的失效模式有以下3 種：①低合金鋼側(cè)距熔合線1～2 個(gè)晶粒的原始奧氏體晶界上形成裂紋并擴(kuò)展產(chǎn)生失效。這種模式在不銹鋼填充金屬的異種鋼接頭中較普遍，也偶見(jiàn)于鎳基填充金屬；②運(yùn)行中沿熔合線寬帶狀碳化物形成裂紋和擴(kuò)展并導(dǎo)致失效，這種模式在鎳基填充材料的異種鋼接頭中較普遍；③焊縫中低合金鋼界面外壁形成氧化缺口并擴(kuò)展導(dǎo)致失效。氧化缺口在所有運(yùn)行后的異種鋼接頭中都能發(fā)現(xiàn)，多數(shù)情況下，這種缺口并不擴(kuò)展，但在薄壁管承受較大的彎曲應(yīng)力等情況下，這種缺口容易擴(kuò)展而失效。這種失效模式獨(dú)立于上述2 種模式，在不銹鋼填充金屬和鎳基填充金屬的異種鋼接頭中都能發(fā)生。

2） 異種鋼接頭延壽措施，雖然對(duì)異種鋼接頭的失效機(jī)理還沒(méi)有形成完全統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，但近年來(lái)在實(shí)踐中各國(guó)的焊接工作者還是找到了一些延長(zhǎng)異種鋼接頭的有效措施。比較有代表性的方法有2 種：①采用鎳基填充金屬。統(tǒng)計(jì)表明，在設(shè)備正常運(yùn)行的條件下，鎳基填充金屬的異種鋼接頭的壽命是其它填充金屬的3～5 倍；②在接頭中間加入過(guò)渡段，以便減輕異種鋼接頭A/F 金屬間的蠕變強(qiáng)度和線膨脹系數(shù)的不匹配程度。

3） 異種鋼接頭失效機(jī)理研究的發(fā)展方向，對(duì)異種鋼接頭失效機(jī)理的研究雖然從20 世紀(jì)50年代就已經(jīng)開(kāi)始，但大量的研究者往往把注意力集中在冶金因素或僅在力學(xué)范圍內(nèi)考慮各種載荷對(duì)接頭的損傷，較少考慮力學(xué)因素對(duì)冶金動(dòng)力學(xué)的影響。近年來(lái)，美國(guó)EPRI 的專(zhuān)家提出異種鋼接頭承載時(shí)由于接頭各區(qū)蠕變抗力和彈性模量不同導(dǎo)致彈性應(yīng)力重新分布而影響接頭失效行為的觀點(diǎn)。國(guó)內(nèi)史元春、田錫唐等專(zhuān)家利用有限元計(jì)算、高溫密柵云紋及蠕變斷裂試驗(yàn)分析了Mo-Cr-V 系異種鋼接頭的蠕變應(yīng)變分布特性，提出鄰近界面低強(qiáng)母材側(cè)的應(yīng)力三軸度是控制早期接頭脆性斷裂的主要力學(xué)控制參量的觀點(diǎn)。

3 高效焊接方法的新進(jìn)展

3.1 表面張力過(guò)渡CO2 焊接技術(shù)

表面張力過(guò)渡(STT) 技術(shù)本質(zhì)上是一種計(jì)算機(jī)控制的脈沖CO2短路過(guò)渡焊接技術(shù)，它與傳統(tǒng)的CO2焊接技術(shù)的區(qū)別在于：使用計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確控制熔滴過(guò)渡行為，使熔滴過(guò)渡主要依靠液體金屬的表面張力而不是電磁收縮力完成。

3.2 開(kāi)放環(huán)境下瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊接技術(shù)

1） 瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊接機(jī)理，將一成分接近于母材、熔化溫度低于母材的TLP 中間層合金（厚度約30～50mm） 作為焊接材料，將工件裝配好后，在惰性氣體的保護(hù)下，加熱到焊接溫度，并施加一定的壓力。在焊接溫度下，中間層首先熔化，潤(rùn)濕母材，工件配合面間形成一薄層液體。保溫時(shí)，中間層與母材間的元素迅速擴(kuò)散，使界面成分發(fā)生變化，這種變化導(dǎo)致連接溫度下發(fā)生等溫凝固，形成可靠的焊接接頭。等溫凝固發(fā)生后，接頭組織與母材基本相似，但在成分上仍有差別，需保溫以達(dá)到接頭成分均勻。整個(gè)過(guò)程為：中間層熔化—擴(kuò)散—等溫凝固—均勻化。

2） 開(kāi)放環(huán)境下的TLP 在電廠的應(yīng)用，目前，日本已將其研制的開(kāi)放環(huán)境下的TLP 用于電廠水冷壁管的更換，使工程進(jìn)度較傳統(tǒng)的修復(fù)工藝明顯加快，并且不需要爐內(nèi)外2 個(gè)焊工同時(shí)施焊。開(kāi)放環(huán)境下TLP 技術(shù)盡管已有成功應(yīng)用的實(shí)例，但作為一種新型的焊接方法，遠(yuǎn)未達(dá)到完全成熟。目前，專(zhuān)用中間層材料的種類(lèi)、數(shù)量還很少，需要進(jìn)一步研發(fā)；關(guān)于壓力、焊接溫度、保溫時(shí)間等焊接參數(shù)對(duì)接頭性能的影響并不完全清楚；用于焊后檢測(cè)的無(wú)損探傷方法亦需要進(jìn)一步探討。