SA213—T92鋼小徑管的焊接

陸瑞勇

摘 要：文章介紹汕頭華能海門電廠2×1000MW超超臨界火力發(fā)電機組鍋爐高溫再熱器SA213-T92鋼小徑管的焊接，對該類新型耐熱鋼小徑管的焊接工藝、施工中的實操關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)采取的工藝控制措施等進行一定的探討，希望為同行在焊接此類鋼種的提升有良好的益處，從而優(yōu)化SA213-T92小徑管的焊接工藝控制，為火電機組工程建設(shè)中焊接該類鋼小徑管方面積累經(jīng)驗與數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：SA213-T92鋼材；小徑管；焊接性；焊接工藝；單面焊雙面成型；焊接過程；焊后熱處理

中圖分類號：TM611 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0068-04

1 設(shè)備及焊接位置簡介

汕頭華能海門電廠2×1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機組工程，鍋爐為超超臨界參數(shù)變壓直流爐，由東方鍋爐廠設(shè)計制造，鍋爐采用東方鍋爐廠生產(chǎn)的超超臨界參數(shù)一次中間再熱單爐膛，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，露天布置，全鋼架結(jié)構(gòu)。

高溫再熱進出口II段與集箱連接的小徑管規(guī)格為Φ50.8×4.5，采用了SA213-T92新型馬氏體耐熱鋼，高溫再熱器的出口蒸汽壓力為4.9MPa，高溫再熱器的出口蒸汽溫度是603℃。管子與管子之間的間隙為15mm，管排與管排之間的距離為400mm，在受限空間操作施焊，具有較大的焊接難度。管排焊口位置如下圖1所示：

2 出現(xiàn)的問題和采取的措施

剛開始是地面組合焊口焊接，經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)組織工程師對班組長、焊工進行了明確的技術(shù)交底，針對SA213-T92材質(zhì)容易出現(xiàn)的焊接缺陷，主要是過燒、泛渣、活口裂紋、接頭未熔合等進行了分析，從材質(zhì)、清理坡口、對口、預(yù)熱、層間溫度、焊接工藝等各方面嚴格按照工藝規(guī)范要求執(zhí)行，采取相應(yīng)措施，保證了焊接質(zhì)量。

3 材料性能的分析

SA213-T92是一種新型馬氏體耐熱鋼，屬于9Cr-2W-Mo系列鋼材，T/P92鋼是在在T/P91合金成份的基礎(chǔ)上，添加（1.5～2）%鎢代替了部分的Mo和降低鉬（0.5%），得到一種改進型鋼，它的合金成份見表1。由于W為高熔點金屬，隨著其含量的加大鋼材的焊接性變差，金屬液的稠度變大，不容易散開，這給焊接操作帶來了較大的困難。ASTM規(guī)定了T/P92鋼材的化學(xué)成份、力學(xué)性能及物理性能分別見表1、表2：

SA-213T92小徑厚壁管作為高溫部件，持久強度是其最為重要的性能，特別是作為一種鐵素體/馬氏體類耐熱鋼，長期運行中的IV型裂紋會導(dǎo)致接頭強度顯著低于母材；另一方面，焊態(tài)下馬氏體鋼的焊縫金屬硬度高、韌性低，需要合理的熱處理來降低硬度，獲得足夠的韌性，避免運行過程中焊接接頭的開裂。

4 焊接性分析

T92鋼在合金成份上進一步降低了C、S、P的含量，由于含碳量低、潔凈度高，其焊接性不算太差。但是由于焊接熔池小冶金的特點，使得焊縫成份存在有不均勻問題；同時，由于合金強化的機理及鋼材在制造過程中的影響，這使得該鋼材的焊接性問題較為復(fù)雜，需要通過控制焊接材料、焊接方法、焊接熱輸入、焊后熱處理來實現(xiàn)焊縫的強韌化。目前T92鋼焊接接頭還存在以下的問題。

4.1 淬硬傾向

T92鋼導(dǎo)熱性較碳鋼差，焊接殘余應(yīng)力較大，焊接過程的熱循環(huán)作用下會出現(xiàn)硬脆的馬氏體組織，如果焊接接頭剛度過大或焊接過程中含氫量又較高，有可能產(chǎn)生冷裂紋。因此，必須采取措施減小構(gòu)件剛性并嚴格限制氫的來源。

4.2 焊接熱影響區(qū)的軟化

T92鋼焊接時其熱影響區(qū)中承受的溫度在AC1～AC3之間的不完全正火區(qū)的金屬會發(fā)生部分奧氏體化。處于這些溫度區(qū)間的金屬的沉淀強化相不能完全溶解，在隨后的熱處理過程中未溶解的沉淀相發(fā)生粗化，從而造成這一區(qū)域材料的強度降低，形成軟化區(qū)。情況惡劣時會在軟化區(qū)會出現(xiàn)裂紋，降低蠕變強度。

焊接熱影響區(qū)的軟化程度與所用的焊接工藝參數(shù)有關(guān)，還包括預(yù)熱、焊后熱處理等。焊接熱輸入大，軟化區(qū)寬。因此焊接時應(yīng)嚴格限制焊接熱輸入。

4.3 焊接接頭的脆化

焊縫溫度過低或焊縫熔池金屬流動性較差時，焊縫金屬將出現(xiàn)成份不均勻問題，即引起的偏析；以及焊縫熔池溫度過高造成焊接接頭過熱區(qū)晶粒粗大，都會引起脆化。焊接接頭在經(jīng)受焊接熱循環(huán)的高溫時，尤其是過熱區(qū)溫度超過1100℃，晶粒長大較快。焊接熱輸入量大，這類細晶粒鋼焊接接頭脆化傾向的更為嚴重，因此焊接時應(yīng)嚴格控制焊接熱輸入，同時還必須保證焊縫熔池的合金盡可能均勻。

5 焊接工藝

5.1 焊接材料的選擇

選擇一種焊接工藝性能良好、焊縫金屬性能優(yōu)異的焊接材料是保證焊接接頭質(zhì)量的前提，我公司已經(jīng)對T92鋼焊接做了一系列的工藝評定，其中焊材方面主要選用了蒂森焊材（Thermanit MTS 616）和曼徹特焊材（Chromet 92），這兩種焊材經(jīng)過熔敷金屬試驗，并對獲得的熔敷金屬進行化學(xué)成分、力學(xué)性能測試以及工藝性能對比等，均能滿足焊接工藝的要求。但這兩種焊條也存在不同的特點，應(yīng)在焊接實操中加予注意。

在華能海門電廠高溫再熱器焊接過程中，我們采用了蒂森焊材，焊絲名稱為MTS 616，焊絲直徑為2.4mm。

5.2 坡口清理及形式型式

清理要求：對口前必須把坡口內(nèi)外兩側(cè)10～15mm范圍內(nèi)的油、漆、銹、垢等異物清理干凈，直到發(fā)出金屬光澤。

坡口的型式為單“V”型，如下圖2所示：

5.3 焊接電流及速度

焊接電流是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，尤其是對于該類存在合金元素?zé)龘p及影響焊接接頭沖擊韌性的高合金鋼的焊接。焊接電流降得過低，由于熔池的鐵水黏度大，流動性差，易造成未焊透、未熔合、夾渣等缺陷。焊接電流過大易造成合金元素的燒損，且熱輸入量過大，致使焊縫韌性降低。

降低焊接線能量，要綜合考慮調(diào)節(jié)焊接電流和焊接速度兩個參數(shù)，不能單純的降低焊接電流。在保證焊透、熔合良好的前提下提高焊接速度，減少焊層厚度，達到降低焊接線能量的目的，因此焊層厚度是焊接線能量的直觀反應(yīng)。如經(jīng)過實踐證明，對φ50.8×4.5的管口，打底電流80～100A，而填充、蓋面時則應(yīng)適當(dāng)調(diào)小到80～100A，這樣有利于焊接線能量和層間溫度的控制，并且減少根部合金元素?zé)龘p和出現(xiàn)未熔合未焊透缺陷的可能性。

5.4 焊機

焊機采用美國林肯公司生產(chǎn)的林肯逆變INVERTIC-Ⅰ-300直流焊機。焊接電流采用直流正接方式，電流為80～100A，電壓為9～12V。

5.5 氣體選擇及充氣保護

焊接用氣體選用氬氣，純度為99.99%。由于SA213-T92高合金材料存在根部層燒焦的現(xiàn)象，所以在焊接過程中我們要進行焊口背面強制性充氬氣保護，以確保焊接質(zhì)量。充氬氣的方法圖3所示。背面保護氬氣氣流量為8～12L/min。

5.6 其他配件選用

焊槍瓷嘴選用直徑為0.8mm的型號。焊槍鎢棒電極選用鈰鎢極，規(guī)格為2.5mm。鎢極棒在瓷嘴伸出的長度為3～4mm左右。

5.7 焊接方法

焊接方法選用鎢極氬弧焊（GTAW），單面焊雙面成型。鎢極手工氬弧焊與焊條手工電弧焊之間的區(qū)別見下表3：

焊接工藝參數(shù)見表4。

本焊接工藝參數(shù)選自廣東火電焊接公司公司卡LS237，工藝卡編號為WBB33002。

5.8 預(yù)熱溫度

焊前預(yù)熱溫度太低了達不到預(yù)熱的目的，即防止冷裂紋；而預(yù)熱溫度太高了不僅惡化了勞動條件，增加了工作量，而且在局部預(yù)熱的條件下，由于產(chǎn)生了附加應(yīng)力，反而會加劇冷裂的傾向；預(yù)熱溫度太高也不利于層間溫度的控制，易加劇根部合金元素的燒焦。一般預(yù)熱溫度定在150℃～200℃范圍內(nèi)即可達到預(yù)熱的目的。預(yù)熱方法可采用火焰加熱；預(yù)熱溫度用專用測溫筆等進行監(jiān)控。

5.9 層間溫度

為了防止合金元素的燒損，層間溫度不宜太高，控制在200℃～250℃之間最好。層間溫度過高將嚴重影響焊縫的沖擊韌性，為了控制層間溫度，焊接接頭位置應(yīng)盡可能的錯開，而且焊接速度不能太慢。層間溫度亦可采用測溫筆/測溫槍來監(jiān)測。

5.10 焊后熱處理

焊后熱處理對焊縫韌性影響很大，為了保證焊縫金屬的韌度，回火溫度應(yīng)選用較高的溫度760℃±10℃，但不能超過熔敷金屬和母材的AC1。為了獲得完全的馬氏體，焊件焊后必須冷卻到馬氏體終止轉(zhuǎn)變溫度以下并在80～100℃保溫1～2h，使最終通過焊后熱處理焊接接頭全部得到回火馬氏體。

為了保證焊接接頭壁厚方向上溫度的均勻提升和降低，升溫速度和冷卻速度均為不大于300℃/h，冷卻至300℃以下不控制。

根據(jù)廣東火電焊接工藝卡，一般推薦的熱處理工藝曲線如下圖4：

6 焊接操作過程

6.1 焊前準(zhǔn)備

地面組合焊口在管排焊口周圍用防雨布遮擋成一個作業(yè)區(qū)，可以用來擋風(fēng)、擋雨和擋太陽，空間能方面施焊操作即可。避免由于外界環(huán)境影響焊接質(zhì)量。

6.2 坡口清理的要求

小徑管氬弧焊對坡口上的油漆銹垢水分等特別敏感，在焊接工藝中明確要求焊件組對時，要對每側(cè)10～15mm范圍內(nèi)的坡口表面及附近母材（內(nèi)外壁或正反面）進行清理，直到發(fā)出金屬光澤。再填塞做管內(nèi)充氬氣氣室封堵用的水溶紙，填塞距離為從管徑坡口往內(nèi)150～200mm范圍。

6.3 點焊

把管排與聯(lián)箱之間的坡口組對整齊，預(yù)留3～5mm的間隙（點焊固定管排時會有1～2mm的收縮間隙，固定后達到合適的工藝要求，2～4mm的間隙）。每組管排至少固定3個焊口，中間1個，兩邊各1個。防止后面的焊口不斷收縮，間隙變小影響打底質(zhì)量，為了打底層最后封口方便操作，固定點焊在12點鐘位置，如下圖5所示：

6.4 打底焊接

打底層焊接控制最關(guān)鍵。首先，采取火焰預(yù)熱，把兩邊坡口預(yù)熱到150～200度，并用測溫筆監(jiān)控。預(yù)熱溫度達到后，然后把球針往坡口內(nèi)充氬氣，用四段耐高溫封口膠布貼在坡口邊外側(cè)，形成一個封閉氣室。充氣2～3分鐘待焊口內(nèi)氬氣充滿后，膠布處撕開一個小孔用手去觸摸，感到有很大的氣體流出時為充滿。開始打底，撕開一段膠布從6點往3點位置的方向焊接，焊槍瓷嘴與內(nèi)坡口邊保持65～75°的焊接角度，打底過程中必須把兩邊的鈍邊熔透，然后在熔透的坡口處添加焊絲，焊絲與內(nèi)坡口邊要平衡送絲（角度不平衡容易產(chǎn)生焊絲頭），持續(xù)送絲速度保持均勻，這樣就盡量避免產(chǎn)生未熔合、未焊透等缺陷。坡口中間是熔池溫度最高處，操作過程中不宜停留過長，否則根部焊縫容易產(chǎn)生過燒現(xiàn)象，因為T92焊絲中鎢的成份較高，熔池鐵水比較粘稠，流動性差。加絲時，焊絲在熔池處可帶動過渡，減少熔池鐵水在焊縫中間停留的時間，起到了控制溫度的效果。收弧時最為關(guān)鍵，T92焊材與其他焊材用同樣的收弧方法收弧是不妥當(dāng)?shù)模驗門92含鎢化學(xué)成分很高，熔點高達3410℃，收弧活口處溫度快速冷卻，形成脆硬馬氏體組織，容易出現(xiàn)活口裂紋（冷裂紋）和縮孔，嚴重影響焊口質(zhì)量，因此在每次焊接時必須控制好收弧熔池，使用焊絲把熔池引到坡口邊，逐漸延伸減弱收弧。而盡量不要在焊縫中間收弧，打底過程中，用手電筒照看焊縫內(nèi)部是否成型良好，如有缺陷要及時處理。

6.5 填充焊接

為了保障根部質(zhì)量，避免在第二層道焊接時造成打底燒焦、泛渣等，第一層需保留充氣孔一直在充氬（充氣孔為15～20mm）。第二層焊接到第一層收口處時停下來，接頭需要錯開。這時也要特別注意收口焊接質(zhì)量，在施焊收口前，取掉球針掛鉤，務(wù)必待收口兩邊打磨薄0.5～1.5mm，保持平滑過渡，內(nèi)部再充2～3分鐘的氬氣，然后迅速焊接，可避免焊接接頭在收口位置出現(xiàn)缺陷，填充層時用測溫筆再測一次焊縫是否達到填充溫度，溫度不夠需要重新進行火焰加熱。按照工藝要求，每層道焊接厚度不要超過焊絲直徑，在實際操作中，主要是通過觀察焊接熔池深度來判斷焊道厚度。一般情況下，熔池擺動的寬度不能超過焊絲直徑的三倍比較合適，不宜過大，由于T92鋼金屬熔池鐵水稠，存在冷卻快、比較難熔等操作特點，在焊接實操中必須保持薄層、多層道焊接，避免熔深不足造成層間夾渣、未熔等焊接缺陷。

6.6 蓋面焊接

填充最后一層應(yīng)注意，層間不要出現(xiàn)中間高兩邊低。盡量把鐵水?dāng)[平滑過渡，外坡口兩邊必須保留0.5～1mm深的線槽用來蓋面，兩邊停留的時間要看鐵水是否完全蓋住母材，以鐵水蓋住母材表面高出1～2mm為比較合適。最后收弧時要注意不能往外坡口兩邊收弧，因為容易造成劃傷母材。要在焊縫中間快速往前減少熔池鐵水，完全把鐵水減掉收弧才完成。

6.7 熱處理要求

焊完后由焊工認真自檢，并且經(jīng)過項目部質(zhì)檢員按照焊接規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求進行檢查合格后，再及時做熱處理，熱處理工藝嚴格按照工藝參數(shù)執(zhí)行。

6.8 無損檢測要求

焊接熱處理完成后，由質(zhì)檢部門委托金屬檢驗室，對焊口進行100%的RT射線探傷檢驗和100%的外觀著色PT檢驗。在本次工程高溫再熱器焊接中，本人共完成了高再焊口120個，經(jīng)過全部檢驗完成后，焊口一次合格率為99%。滿足業(yè)主對工程受監(jiān)焊口一次合格率≥96%的合同要求。

7 結(jié)束語

超超臨界百萬千瓦級別的機組中高溫高壓部件T92鋼的焊接，是焊接實操技術(shù)難度要求最高的合金之一，本工程高溫再熱器系統(tǒng)能出色完成SA213-T92鋼管焊接工作，源自工區(qū)領(lǐng)導(dǎo)組織工程技術(shù)人員、班長、焊工、質(zhì)檢人員等對T92焊接技術(shù)進行探討，并采取了合理的預(yù)防措施，嚴格按照規(guī)范要求，認真仔細的工作作風(fēng)，力爭把各種焊接缺陷消除在操作過程中，正確運用焊接工藝和方法，采用有效的焊接措施，從中獲得良好的SA213-T92鋼管焊接接頭，希望在今后能不斷提高對T92鋼的焊接水平。

參考文獻：

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中國電力企業(yè)聯(lián)合會.

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