電站鍋爐低壓高溫再熱器異種鋼吊掛管焊接工藝

寧亮亮

（哈爾濱華德學院，黑龍江 哈爾濱 150025）

0 引言

600 MW超臨界機組鍋爐受熱面低壓高溫再熱器多為水平布置，其受熱面在爐膛內(nèi)從上到下都需要采用吊掛管進行串聯(lián)吊掛。根據(jù)管子內(nèi)蒸汽溫度和爐膛的煙氣溫度，吊掛管的管子材質(zhì)為馬氏體耐熱鋼SA-213T91，管子連接的夾塊為06Cr25Ni20鋼板焊接而成[1]。但由于吊掛管在焊接過程中容易產(chǎn)生氣孔、未熔合和裂紋等焊接缺陷，會影響焊接產(chǎn)品的使用壽命，從而對電站鍋爐的運行造成安全隱患[2]。近來有些火電廠由于此類異種鋼接頭失效而造成非計劃停機。為此，在焊接生產(chǎn)前，針對馬氏體耐熱鋼與奧氏體不銹鋼焊接的異種鋼焊接性[3]，根據(jù)NB／T 47014—2011標準中對承壓設備焊接工藝的評定，制定了合理的焊接工藝，選取了合理的參數(shù)，從而確保低壓高溫再熱器接頭的焊接質(zhì)量。

1 SA-213T91鋼和06Cr25Ni20鋼成分及焊接性介紹

1.1 SA-213T91鋼成分及焊接性

SA-213T91抗拉強度大于等于585 MPa，布氏硬度小于等于250 HB。其對應GB 5310—2017規(guī)定的10Cr9Mo1VNb鋼號，它是在9Cr1Mo鋼基礎上添加了0.06%～0.10%Nb和0.18%～0.25%V等合金元素，具有高的抗氧化性能和抗高溫蒸汽腐蝕性能，廣泛應用于電站鍋爐高溫再熱器小口徑鋼管。工作壓力一般在9.8 MPa以上，工作溫度在450～650℃之間。SA-213T91鋼成分如表1所示。

SA-213T91鋼中各合金元素分別起到固溶強化、彌散強化，提高鋼的抗氧化、抗腐蝕性能的作用。SA-213T91鋼中含微量N，還含有少量Al，N能與其形成AlN。AlN在1 100℃以上溶入基體，在較低溫度下又重新析出，能起到較好的彌散強化效果。加入Cr主要是提高耐熱鋼的抗氧化和抗腐蝕性能，含Cr量小于5%時，600℃開始劇烈氧化。SA-213T91鋼含Cr量提高到9%左右，使用溫度能達到650℃，其目的主要是使基體中溶有更多的Cr。V與Nb都是強碳化物形成元素，加入后能與碳形成細小而穩(wěn)定的合金碳化物，有很強的彌散強化效果。加入Mo主要是為了提高鋼的熱強性，起到固溶強化的作用。

表1 SA-213T91鋼化學成分 （%）

1）SA-213T91鋼的淬硬和冷裂傾向大。粗大的馬氏體組織脆而硬，接頭又處在復雜應力狀態(tài)下。同時，焊縫冷卻過程中氫由焊縫向近縫區(qū)擴散，氫的存在促使了馬氏體脆化，其綜合作用的結果，很容易在淬硬區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。

2）應力腐蝕裂紋。SA-213T91鋼在焊后熱處理之前，冷卻溫度一般不低于100℃，如果在室溫下冷卻，而環(huán)境又比較潮濕時，容易出現(xiàn)應力腐蝕裂紋。

1.2 06Cr25Ni20鋼成分及焊接性

06Cr25Ni20抗拉強度大于等于520 MPa，布氏硬度小于等于187 HB。其數(shù)據(jù)來源于標準 GB/T 3280—2007，其化學成分如表2所示。

表2 06Cr25Ni20鋼化學成分 （%）

06Cr25Ni20鋼合金元素含量較高，屬于高合金耐熱不銹鋼系列，是奧氏體CrNi不銹鋼，具有好的抗氧化性和耐腐蝕性。因為Cr和Ni含量較高，使其擁有良好的蠕變強度，在高溫下能持續(xù)作業(yè)，具有良好的耐高溫性。焊接過程中出現(xiàn)的問題主要是焊接熱裂紋、脆化、晶間腐蝕、應力腐蝕和表面氧化等現(xiàn)象。

1.3 異種鋼焊接性分析

異種鋼SA-213T91與06Cr25Ni20焊接時，由于兩者成分、金相組織存在差異，不論選擇與哪一側(cè)成分相近的焊接材料，均會在非奧氏體鋼熔合線附近形成較寬的脆化過渡層 （多為馬氏體組織 ），也就是在SA-213T91側(cè)熔合區(qū)附近容易產(chǎn)生脆化過渡層，而焊接接頭06Cr25Ni20側(cè)熔合區(qū)為單一的奧氏體組織。脆化過渡層嚴重影響焊接接頭的抗裂性能。為此，選用鎳基合金焊材大大提高了奧氏體形成元素鎳的含量，可顯著減小脆化過渡層的寬度，改善焊接接頭的抗裂性能。

2 SA-213T91鋼和06Cr25Ni20鋼焊接工藝

2.1 焊接設備及材料

2.1.1 焊接設備

采用ZX7-400手工直流弧焊機、氧乙炔氣焊熱處理設備、縫隙爐、吊掛管焊接胎具等。

2.1.2 焊接材料

按吊掛管取樣做成焊接試板，經(jīng)NB／T 47014—2011焊接工藝評定后，選擇型號為ENiCrFe－2的鎳基焊條進行焊接。ENiCrFe－2對應的牌號為Ni307－2，該焊條是低氫鈉型藥皮的Ni70Cr15型耐熱合金電焊條。由于焊縫中有一定的Mo、Nb等合金元素，所以焊縫具有良好的抗裂性能，焊縫抗拉強度大于等于550 MPa，特別適用于異種金屬的焊接。焊條使用前烘干溫度為300～350℃，烘干時間為1 h。放入保溫桶內(nèi)隨取隨用。ENiCrFe－2焊條焊后熔敷金屬成分如表3所示。

表3 ENiCrFe-2熔敷金屬的化學成分 （%）

2.2 焊接工藝

2.2.1 與ASME標準不符的原因和實施效果

在低壓高溫再熱器部件吊掛管的焊接生產(chǎn)中，國內(nèi)電站鍋爐企業(yè)普遍采用手工鎢極氬弧焊進行打底層焊接，焊絲選用ASME標準焊接工藝規(guī)程中規(guī)定的AWS ER90S-B9焊絲，蓋面層的焊接采用焊條電弧焊，焊條選用直徑D為3.2 mm的AWS E9015-B9焊條。焊前預熱溫度為200～250℃，嚴格控制層間溫度200～300℃，焊后進行后熱和熱處理。

本文采用的焊接工藝與ASME標準不符的地方在于采用焊條電弧焊進行施焊，工藝方法不同、焊材不同。選擇的原因如下：

1）車間生產(chǎn)線上手工氬弧焊班組和焊條電弧焊班組跨距遠，在吊掛管進行焊接時，中途需要吊車工吊運，因此難以控制工件的焊接接頭發(fā)生變形。加上東北冬季特別寒冷，吊運時難以保證層間溫度，甚至需要二次加熱和吊掛管的熱矯正。

2）ASME焊接工藝規(guī)程中規(guī)定的AWS ER90SB9焊絲和AWS E9015-B9焊條，主要是從日本神鋼焊條廠空運，焊材價格昂貴，同時高純氬氣的成本很高。國有企業(yè)在保證焊接質(zhì)量的前提下完全可以采用國產(chǎn)焊材，節(jié)約成本。

3）采用ENiCrFe-2鎳基焊條進行焊接，能顯著減小脆化過渡層的寬度，焊縫抗裂性能提高，而且韌性好，焊縫硬度低于290 HB。采用AWS E9015-B9焊接，由于焊接熱輸入過大、進口焊材成分的不確定性等因素經(jīng)常使焊縫硬度高于300 HB，出現(xiàn)脆硬組織而引起爆管。

實施效果：按照NB/T 47014—2011國家焊接工藝評定標準規(guī)定，制訂了吊掛管采用ENiCrFe-2鎳基焊條進行焊接的焊接工藝規(guī)程，焊后經(jīng)過無損檢驗、力學性能試驗和水壓試驗等均達到了ASME標準規(guī)定，同時滿足產(chǎn)品的使用要求。焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 焊接工藝參數(shù)

2.2.2 焊接操作

1）焊前準備。對SA-213T91管進行清理，除去油污等雜質(zhì)，使材料露出金屬表面光澤。該鍋爐采購的夾塊06Cr25Ni20鋼板帶有30°的單邊V型坡口。將兩根SA-213T91管和若干個白色的夾塊06Cr25Ni20鋼板在吊掛管專用胎具上進行放置。由于SA-213T91鋼有較大的脆硬和冷裂傾向，因此采用氧乙炔火焰對焊接部位進行預熱。在200～250℃溫度下預熱，層間溫度控制在200～300℃，以有效防止冷裂紋產(chǎn)生。吊掛管焊前胎具裝配如圖1所示。

圖1 吊掛管焊前胎具裝配

2）進行定位焊接。將白色的夾塊06Cr25Ni20鋼板點固，定位焊縫采用對稱焊接，保證夾塊不會翹曲變形，焊后徹底清理焊渣和焊接飛濺物，采用VT目視檢查定位焊縫質(zhì)量，防止出現(xiàn)咬邊、裂紋等缺陷。

3）定位焊接結束后，采用氧乙炔火焰對焊接位置進行預熱，紅外測溫儀顯示溫度為200～250℃后進行焊接。按照焊接工藝規(guī)程要求焊腳尺寸為5 mm，因此采用的焊接層數(shù)為兩層。焊接參數(shù)與定位焊一致，焊接接頭為角接，焊接位置為平焊，焊接方法為連弧焊接。第一層打底焊接時焊條不做橫向擺動，焊條與管板垂直，與焊接方向成75°，焊接完畢之后檢查第一層是否有咬邊、裂紋等缺陷。采用紅外測溫儀檢測第一層焊縫表面的溫度下降到300℃時，進行第二層的蓋面焊接，焊接中要求焊縫與SA-213T91管之間圓弧過渡，避免咬邊、焊瘤造成焊接接頭應力集中，焊后徹底清理焊接飛濺物并檢查焊縫質(zhì)量。

4）冷卻與保溫。SA-213T91合金管焊后熱處理前，必須冷卻至100～150℃，保溫1 h。因此吊掛管焊后應立即采取石棉保溫措施，使焊縫緩慢冷卻。

5）焊后外觀檢驗。采用100%的滲透探傷方法進行無損檢驗。首先，將焊縫表面施加清洗劑進行清洗，并用干燥的抹布擦干，利用熔劑去除型的著色滲透劑進行滲透，時間為10 min。其次，用清洗劑將焊接接頭表面多余的滲透劑清除干凈，并用干燥的抹布擦干，直到肉眼看不到紅色的滲透劑為止。最后，將白色的顯像劑施加在焊縫接頭的表面，一定要覆蓋兩側(cè)熔合區(qū)。10 min之后，通過觀察白色背景下的焊縫和熔合區(qū)表面是否有紅色的滲透劑形成的圖像來判斷焊縫表面是否有裂紋、氣孔等缺陷。經(jīng)檢查焊縫表面質(zhì)量符合NB／T 47013.6—2015國家承壓設備無損檢測標準要求。

6）焊后熱處理。將焊接好的低壓高溫再熱器吊掛管按照編號分層放置，按要求進行熱處理，熱處理工藝為回火。回火溫度為730～780℃，保溫時間不少于1 h。SA-213T91側(cè)熔合區(qū)組織為板條狀回火馬氏體，晶粒尺寸細小而均勻。熱處理之后未發(fā)現(xiàn)焊接裂紋等缺陷。

7）力學性能試驗和水壓試驗。依據(jù)NB／T 47014—2011標準對焊接接頭進行常溫拉伸試驗，抗拉強度為630 MPa，遠高于母材要求的515 MPa。試樣的斷裂位置均為06Cr25Ni20側(cè)的母材焊縫，具有較高的強度，符合標準要求。經(jīng)水壓試驗，焊縫處未發(fā)現(xiàn)有水珠、水霧等現(xiàn)象，產(chǎn)品未出現(xiàn)變形及異常的響聲，管子內(nèi)部通球合格，滿足技術要求。

3 結語

本文介紹了某600 MW超臨界機組鍋爐受熱面低壓高溫再熱器部件吊掛管SA-213T91管和06Cr25Ni20板的焊接生產(chǎn)工藝。異種鋼焊接時，由于兩者成分、金相組織差異，通常在SA-213T91側(cè)熔合區(qū)附近容易產(chǎn)生脆化過渡層。焊接時采用合理的焊接工藝，減小熱輸入，焊條不做橫向擺動，控制焊縫的熔合比，嚴格按照電站鍋爐工藝規(guī)程進行焊前預熱和控制溫度，焊后進行后熱和焊后熱處理，檢測證明采用鎳基合金焊條ENiCrFe-2進行焊接是正確的。依據(jù)NB/T 47014—2011標準進行常溫力學性能檢測試驗和水壓試驗，結果表明焊接接頭的性能良好，該工藝方法已經(jīng)在低壓高溫再熱器部件吊掛管上使用，費用低，質(zhì)量好。