鍋爐高溫再熱器異種鋼焊接工藝研究

蔣林弟

（上海電力建設(shè)有限責(zé)任公司，上海 200031）

0 引言

某電廠2 臺600 MW 燃煤機組鍋爐運行年數(shù)較長，高溫再熱器系統(tǒng)由于設(shè)計等原因，長期處于區(qū)域超溫運行狀態(tài)，局部管壁因超溫嚴重，材質(zhì)劣化，曾發(fā)生超溫爆管，嚴重影響鍋爐的安全運行。為此，機組大修期間，對再熱器系統(tǒng)進行改造，通過更換超溫嚴重區(qū)域的管材來達到提高其高溫性能的目的。再熱器系統(tǒng)改造過程中，高溫再熱器部分有一道X20CrMoV121 馬氏體耐熱鋼與X8CrNiNb1613 奧氏體不銹鋼的異種鋼焊口（Φ63.5×4.5）。在現(xiàn)場焊接施工前，我們針對這2 種成分與性能差異很大的異種鋼焊接，開展相關(guān)的焊接工藝研究，通過一系列嚴格的焊接工藝評定和接頭性能試驗，制定出一套切實可行的現(xiàn)場焊接及熱處理施工工藝，在改造工程中應(yīng)用，焊接質(zhì)量很好，設(shè)備改造后運行至今情況良好。

1 故障現(xiàn)象

X20CrMoV121（F12）鋼屬于馬氏體耐熱鋼，具有良好的耐熱性能，在空氣和蒸汽中抗氧化能力可達700℃，適用于制造火力發(fā)電廠的蒸汽管道、蒸汽聯(lián)箱等[1]。但是由于F12鋼屬高合金鋼，合金元素含量高，含碳量也偏高，所以焊接性較差，具有強烈的淬硬傾向。焊接時，在熱影響區(qū)容易產(chǎn)生粗大的馬氏體組織。同時F12 鋼的導(dǎo)熱性能差，焊接時殘余應(yīng)力大，也很容易導(dǎo)致冷裂紋的產(chǎn)生。另外，F(xiàn)12 有較大的過熱傾向，焊接時溫度超過1 150℃以上的熱影響區(qū)內(nèi)，晶粒顯著長大，過快或過慢的冷卻速度都可能引起接頭脆化。

X8CrNiNb1613 鋼是奧氏體耐熱不銹鋼，具有很高的熱強性和優(yōu)良的抗氧化性、抗介質(zhì)腐蝕能力。因Cr 含量大于12%，且含有Ni、Nb 等對提高抗氧化性、穩(wěn)定性有利的元素，因此在800℃仍具有良好的抗氧化能力，主要用于制造大容量鍋爐的過熱器、再熱器高溫段等部件，以提高鍋爐的蒸汽參數(shù)。X8CrNiNb1613 鋼焊接性良好，但是如果焊條選用不當或焊接工藝不正確時，會產(chǎn)生晶間腐蝕、焊接熱裂紋以及接頭脆化等一系列缺陷。

由此可見，X20CrMoV121 與X8CrNiNb1613 在化學(xué)成分、金相組織和機械性能方面都存在很大差異，而且這兩類鋼物理性能特別是線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱性能也相差很大，這就使得這2 種鋼的異種鋼焊接工藝制定難度較大，焊接接頭容易存在成分、組織、性能的不均勻性。同時，焊接接頭無論是在焊接過程中，還是在以后的使用過程中，都會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，從而影響其運行可靠性。所以這2 種異種鋼焊接時，采用的焊接材料以及焊前預(yù)熱、焊接熱規(guī)范和焊后熱處理規(guī)范的正確合理至關(guān)重要。

2 焊接工藝

2.1 焊接方法、接頭型式及焊接位置

焊接方法采用手工鎢極氬弧焊打底/焊條電弧焊蓋面，接頭采用V 型坡口對接，坡口角度55°±5°，間隙3 mm左右。焊接位置水平固定（5G）和垂直固定（2G）。水平固定位置焊接層道數(shù)為3 層3 道；垂直固定位置焊接層道數(shù)為3 層4 道。

2.2 焊接材料

對X20CrMoV121 馬氏體耐熱鋼與X8CrNiNb1613 奧氏體不銹鋼異種鋼焊接，我們采用德國UTP068HH 鎳基焊絲和焊條。為了防止根部過燒及氧化，保證根部質(zhì)量，并考慮鎳基焊絲打底操作時焊絲流動性較差，現(xiàn)場實際操作有一定難度，因此打底第一層采用德國CM2-IG 焊絲。

2.3 預(yù)熱和層間溫度控制

因X20CrMoV121（F12）鋼的冷裂傾向較大，焊接性差，焊接時，必須進行預(yù)熱。但X8CrNiNb1613 鋼焊接時原不需要預(yù)熱，所以預(yù)熱時，主要加熱F12 一側(cè)。預(yù)熱溫度為250℃左右。層間溫度保持在250℃～300℃。

2.4 焊接工藝參數(shù)

水平和垂直固定位置焊接工藝參數(shù)分別見表1 和表2。

表1 水平固定位置焊接工藝參數(shù)

表2 垂直固定位置焊接工藝參數(shù)

2.5 施焊技術(shù)

在施焊前，坡口內(nèi)外兩側(cè)20 mm 范圍內(nèi)要清除鐵銹、油污。為了防止焊縫根部過燒及氧化，要在管內(nèi)充氬保護，在距焊縫中心兩側(cè)200 mm 處塞可溶紙，從對口間隙向管內(nèi)充氬，直至整個打底過程結(jié)束。而且要氬弧焊打底，采用內(nèi)填絲法或嵌絲法進行焊接，第一層打底焊縫應(yīng)盡量薄。第二層氬弧焊時為避免將打底層燒穿，焊接電流不宜過大，且焊槍擺動幅度應(yīng)小。電弧焊蓋面采用短弧連續(xù)焊法。在過程中要注意焊縫平整，運條時要保證坡口邊緣充分熔合，防止出現(xiàn)死角，以避免產(chǎn)生未焊透和夾渣。電弧焊收尾時，必須注意填滿弧坑，防止產(chǎn)生弧坑裂紋。在焊接過程中，要始終保持規(guī)定的層間溫度。焊后，用石棉布將焊口包扎好緩冷，在24 h 內(nèi)做焊后熱處理。

2.6 焊后熱處理

因X20CrMoV121 與X8CrNiNb1613 兩種材料性能的差異，焊后一定存在很大的殘余應(yīng)力，焊后必須進行高溫回火熱處理[2]。焊后熱處理溫度（750±20）℃，恒溫時間45 min。升降溫速率：加熱時300℃以上≤200℃/h，冷卻時，750℃～500℃時≤100℃/h、500℃～300℃時≤200℃/h，300℃以下不控制。

3 工藝評定試驗

3.1 評定項目和試樣數(shù)量

工藝評定試驗按水平固定和垂直固定焊接位置分別焊制5 個試件。然后進行外觀檢查（100%）、射線檢測（100%）和斷口檢驗（各3 件），以及拉伸（各2 件）、彎曲（面彎各2 件、背彎各2 件）、硬度、金相（母材、焊縫、熱影響區(qū)）等試驗。同時為考察焊接接頭的高溫性能，我們根據(jù)高溫再熱器的具體工作狀況，增做幾個重要溫度（540℃、570℃、610℃、650℃各2 件）的高溫短時拉伸試驗。

3.2 試驗結(jié)果

3.2.1 經(jīng)外觀檢查、X射線檢測結(jié)果

所有試件焊縫未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。經(jīng)過斷口檢查以及金相宏觀檢驗結(jié)果看，也未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔和其他超標缺陷。

3.2.2 室溫拉伸試驗結(jié)果

試件全部斷在母材，說明焊縫抗拉強度高于母材。彎曲試驗結(jié)果全部合格，說明接頭韌性也較好。

3.2.3 金相微觀檢驗結(jié)果

X20CrMoV121 母材和 X8CrNiNb1613 母材金相組織分別為均勻的回火索氏體和奧氏體組織；焊接接頭熱影響區(qū)X20CrMoV121 一側(cè)和 X8CrNiNb1613 一側(cè)的金相組織分別為回火索氏體和奧氏體組織；焊縫根層（CM2-IG）金相組織為回火索氏體，焊縫蓋面層（UTP068HH）金相組織為奧氏體枝晶組織。結(jié)果表明，焊縫、母材、熱影響區(qū)金相組織正常。

3.2.4 硬度試驗結(jié)果

硬度試驗結(jié)果見表3。

表3 水平與垂直固定焊接位置下的硬度試驗

高溫短時力學(xué)性能試驗結(jié)果見表4。

表4 高溫短時力學(xué)性能試驗

高溫短時拉伸試驗結(jié)果與母材性能標準規(guī)定值比較后表明，高溫短時力學(xué)性能在不同的溫度區(qū)間內(nèi)分別滿足了F12和X8 的性能要求：相對低溫段，由于X8 性能值較低，所以試樣斷裂在X8 母材；在高溫段，由于F12 性能值較低，試樣斷裂在F12 母材；試驗結(jié)果完全符合要求。所有試驗水平固定位置和垂直固定位置結(jié)果基本相同。

4 結(jié)語

X20CrMoV121 馬氏體耐熱鋼與X8CrNiNb1613 奧氏體不銹鋼異種鋼焊接，采用氬弧焊打底、手工電弧焊蓋面的焊接方法，打底時嚴格進行管內(nèi)充氬保護、防止氧化和過燒；焊接材料選用鎳基焊絲和焊條（UTP068HH），打底第一層采用CM2-IG 焊絲；焊前預(yù)熱250℃左右，主要加熱F12 一側(cè)，保持一定的層間溫度250℃～300℃，焊后進行（750±20）℃，恒溫45 min 的高溫回火熱處理，該焊接和熱處理工藝是合理可行的。高溫再熱器改造工程中采用我們制定的焊接及熱處理工藝進行現(xiàn)場施工，焊口質(zhì)量很好，機組運行至今情況良好。