改進(jìn)HR3C鋼在高溫環(huán)境下焊接工藝方法

費(fèi)江河

摘要：我公司四期#7、#8機(jī)組為2臺(tái)660MW超超臨界機(jī)組，受熱面末級(jí)過(guò)熱器、末級(jí)再熱器出口過(guò)渡段管屏材質(zhì)為HR3C鋼。HR3C鋼采用鎳基焊絲YT-HR3C焊接，由于母材和焊接材料的合金成分很高，受熱面環(huán)境溫度較高造成管材溫度過(guò)高、焊接操作等都存在很大的難度，焊接過(guò)程中極易出現(xiàn)焊縫根部接頭的氧化缺陷質(zhì)量問(wèn)題。通過(guò)對(duì)出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行匯總分析，找出影響焊接質(zhì)量的主要原因，并針對(duì)出現(xiàn)的主要問(wèn)題，制定專門的改進(jìn)工藝方法，為能在今后現(xiàn)場(chǎng)檢修焊接作業(yè)按照改進(jìn)的焊接工藝進(jìn)行施焊，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，取得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：HR3C鋼;焊接工藝;改進(jìn);高溫環(huán)境

中圖分類號(hào)：TG457.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）22-0086-03

0? 引言

焊接質(zhì)量是火力發(fā)電廠受熱面檢修焊接作業(yè)質(zhì)量關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，HR3C鋼分布于鍋爐受熱面的末級(jí)過(guò)熱器（末級(jí)再熱器）出口過(guò)渡段管屏中，焊接質(zhì)量的好壞直接影響到機(jī)組的安全運(yùn)行，同時(shí)也體現(xiàn)檢修焊接任務(wù)作業(yè)的焊接技能水平。受熱面內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜、管排排列密集，管排間距排列小且使用的材料其含Cr量較高，焊縫金屬熔敷粘度比較大，鐵水流動(dòng)性差，焊接性比較差，焊接時(shí)要是氬氣保護(hù)不好極易出現(xiàn)焊縫根部接頭的氧化、發(fā)渣等缺陷。因此比以往在鍋爐受熱面檢修焊接作業(yè)中焊接質(zhì)量相對(duì)偏低。此外HR3C鋼含合金元素多，如果焊接環(huán)境溫度過(guò)高、管材溫度過(guò)高、氬氣保護(hù)效果不到位、焊接接頭層間溫度控制不好，全氬施焊防風(fēng)措施效果不好，施焊過(guò)程中金屬極易發(fā)生氧化、發(fā)渣。為提高我公司四期#7、#8機(jī)組末級(jí)過(guò)熱器、末級(jí)再熱器HR3C鋼焊接工藝方法，焊工班專門成立受熱面末級(jí)過(guò)熱器（末級(jí)再熱器）焊接質(zhì)量攻關(guān)技術(shù)QC質(zhì)量小組。目的是確保四期末級(jí)過(guò)熱器（末級(jí)再熱器）HR3C鋼焊接接頭一次無(wú)損檢驗(yàn)合格率達(dá)到95%以上，為整個(gè)受熱面焊接接頭質(zhì)量提供有利保障。

1? HR3C鋼的性能及焊接材料選擇

1.1 HR3C鋼的性能

HR3C鋼管是日本住友金屬鋼管株式會(huì)社的商品名稱是上個(gè)世紀(jì)90年代研發(fā)的新型奧氏體耐熱鋼。它是在25Cr-20Ni（TP310）的基礎(chǔ)上添加了一定量的鈮和氮，使鋼的高溫持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度得到了很大的提高，是抗煙氣腐蝕和內(nèi)壁抗氧化性能更優(yōu)異的奧氏體耐熱鋼。

1.2 焊接材料選擇

由于HR3C鋼中的合金含量在40%以上。所以HR3C鋼的電阻大、熱傳導(dǎo)性差，焊接的鐵水粘稠，給焊接帶來(lái)了一定的難度，容易產(chǎn)生焊接缺陷。

為了保證焊接接頭的質(zhì)量，選用與之匹配的焊接材料和通過(guò)焊接工藝評(píng)定確定合適的焊接工藝是至關(guān)重要的，日本住友金屬熔接株式會(huì)社YT-HR3C焊絲是與HR3C相匹配的產(chǎn)品。焊絲YT-HR3C的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

2? HR3C鋼的焊接工藝

由于機(jī)組停運(yùn)檢修時(shí)間較短，鍋爐受熱面內(nèi)部環(huán)境溫度很難降至焊接允許范圍內(nèi)，更換缺陷管難度很大。HR3C鋼小管在焊接過(guò)程中由于焊接環(huán)境溫度較高、管材溫度過(guò)高造成鋼管內(nèi)部充氬保護(hù)效果差，極易形成氧化、發(fā)渣缺陷。因而應(yīng)注意控制環(huán)境溫度對(duì)HR3C鋼小管的影響，控制施焊過(guò)程中的焊接熱輸入量及焊層之間溫度。為了防止施焊過(guò)程中焊接接頭發(fā)生高溫氧化等缺陷，只能加強(qiáng)氬氣流量對(duì)焊接時(shí)液態(tài)金屬的保護(hù)效果，來(lái)降低焊接熱輸入量、層間溫度、施焊作業(yè)環(huán)境溫度、焊接管材溫度的工藝方法和工藝措施。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢修焊接任務(wù)作業(yè)實(shí)際工作情況，采用了金屬熔池體積小、焊接線能量較小的手工鎢極氬弧焊焊接工藝方法以及確保焊接接頭層間溫度低的短焊道和間斷焊方法。在施焊過(guò)程中，一般應(yīng)控制層間溫度不大于150℃。如果焊接的焊接接頭層間溫度越高，施焊操作就越困難，焊接接頭的填充金屬厚度越來(lái)越厚，其結(jié)果就是焊接接頭達(dá)不到合格的機(jī)械性能，所以施焊時(shí)必須嚴(yán)格控制焊接接頭的層間溫度，一旦出現(xiàn)上述焊接質(zhì)量癥狀，必須立即停止施焊，待焊接接頭層間溫度降下來(lái)之后再繼續(xù)施焊。另外為了防止焊接時(shí)高溫區(qū)合金元素的氧化現(xiàn)象發(fā)生，在整個(gè)施焊過(guò)程中要進(jìn)行對(duì)管材內(nèi)部必須充氬氣進(jìn)行保護(hù)，才能使打底的焊接接頭根部得到良好和有效的氬氣保護(hù)，防止焊接接頭根部金屬和母材金屬的氧化，獲得良好的焊接接頭根部焊縫的形成和符合要求的機(jī)械性能。

HR3C鋼小管在環(huán)境溫度較高施焊操作過(guò)程中容易出現(xiàn)焊接接頭金屬根部的氧化、發(fā)渣和接頭的內(nèi)凹等缺陷。HR3C鋼在施焊時(shí)，因Cr的含量高，熔化的液體金屬發(fā)粘、發(fā)稠、流動(dòng)性比較差，張力也大，較為突出。小徑管內(nèi)部充氬采用在坡口邊緣充氬，關(guān)鍵在于降低施焊時(shí)環(huán)境溫度對(duì)HR3C鋼小管的影響、充氬裝置制作、氣室密封的氣密性保證、充氬過(guò)程中氬氣流量大小的控制、氣室內(nèi)部氬氣量紊流的控制。

采用可溶性較高、柔軟性較好的水溶紙（或衛(wèi)生紙）對(duì)管材兩端管口進(jìn)行三層封堵，而且封堵層距離各端管口的距離約為200～300mm。這樣會(huì)形成嚴(yán)實(shí)的密封的小氣室，有效防止氬氣流失，保證管內(nèi)氬氣的存儲(chǔ)量;采用篩網(wǎng)型手工氬弧焊把制作專用充氬裝置，這樣既能確保焊接接頭根部充氬保護(hù)效果，防止焊接接頭根部金屬發(fā)生氧化，又能保證焊接接頭根部的接頭成型良好，消除焊接接頭根部接頭的內(nèi)凹缺陷。由于受熱面停爐時(shí)間較短，管子、環(huán)境溫度過(guò)高、影響管子內(nèi)壁充氬保護(hù)效果，為確保管子內(nèi)部充氬保護(hù)效果，先用純凈水沾濕抹布，抹布濕度為不滴水為宜，纏繞在兩側(cè)管子距離坡口150～200mm處，強(qiáng)制將管材溫度降至室溫可焊范圍內(nèi)方可充氬施焊。使HR3C鋼管焊接作業(yè)工作優(yōu)質(zhì)、高效地完成。

3? 焊接工藝流程

焊接設(shè)備和工器具→焊接材料→焊前準(zhǔn)備→焊接過(guò)程及注意事項(xiàng)→焊后檢查。

4? 焊接設(shè)備和工器具

①焊接設(shè)備采用具有高頻引弧功能的焊機(jī)YC-400TX，其焊機(jī)容量應(yīng)滿足焊接規(guī)范參數(shù)的要求。

②氬弧焊槍選用篩網(wǎng)型手工氬弧焊把SQQ/85°-160A。

③氬氣減壓器應(yīng)選擇氣壓流速穩(wěn)定、調(diào)節(jié)靈活、指示準(zhǔn)確的表，其產(chǎn)品質(zhì)量和特性應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)YX-251A。

④氬氣輸送應(yīng)選用材質(zhì)柔軟、耐磨和無(wú)裂紋的橡膠軟管，并在使用前檢查有無(wú)漏氣現(xiàn)象。

⑤焊接電纜應(yīng)選用焊接專用焊接電纜。接頭應(yīng)接觸良好，電纜應(yīng)絕緣良好、無(wú)破損。

⑥坡口和焊縫尺寸的測(cè)量應(yīng)采用專用的焊口檢測(cè)工具。

5? 焊接材料

①由于奧氏體耐熱鋼高溫液態(tài)金屬粘度大、流動(dòng)性差，給焊接操作帶來(lái)一定的難度，為改善焊接操作性能和外觀成型，選用了日本住友金屬熔接株式會(huì)社生產(chǎn)的鎳基焊絲YT-HR3C，直徑為2.4mm。焊絲YT-HR3C的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

②氬氣使用前應(yīng)確認(rèn)出廠合格證明，其純度必須保證在99.99%。

③所用鎢極選用鈰鎢極，直徑Φ2.5mm。

④氬弧焊絲、氬氣和鎢極等焊接材料質(zhì)量，應(yīng)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

6? 焊前準(zhǔn)備

6.1 坡口制備

①單面坡口的制備角度推薦為：30～35°;焊口組對(duì)時(shí)間隙推薦為：2.5～4mm;坡口的鈍邊推薦為：0～0.5mm（注意清除毛刺時(shí)不要破壞坡口的尖角，根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)可不做鈍邊預(yù)留）。

②坡口制備及修整時(shí)應(yīng)使用專用工具。

6.2 坡口清理

組對(duì)前將制備好的坡口表面以及內(nèi)外壁兩側(cè)各15～20mm范圍內(nèi)的水、油、垢、漆、銹和氧化層等雜物徹底打磨清理干凈直至露出金屬光澤，并采取有效措施防止奧氏體和鐵素體接觸。

6.3 焊口組對(duì)

①對(duì)口前應(yīng)先檢查被施焊部位及其邊緣各20mm范圍內(nèi)有無(wú)不允許缺陷（如：裂紋、重皮等缺陷），確認(rèn)無(wú)缺陷遺留后方可進(jìn)行焊口組對(duì)。②焊口組對(duì)時(shí)，管子應(yīng)用對(duì)口鉗固定牢固，以防產(chǎn)生焊接角變形和附加應(yīng)力。③為防止焊接過(guò)程和焊后產(chǎn)生裂紋，在焊口組對(duì)過(guò)程中嚴(yán)禁強(qiáng)制對(duì)口。④對(duì)口時(shí)一般應(yīng)做到管材內(nèi)壁平整對(duì)齊。如有錯(cuò)口現(xiàn)象，其局部錯(cuò)口值不得超過(guò)管材壁厚的10%，且不大于1mm。⑤對(duì)接管口端面應(yīng)與管子中心線垂直，其偏斜度不得超過(guò)0.5mm。⑥在焊接前應(yīng)檢查焊口組對(duì)質(zhì)量，不符合要求時(shí)不得進(jìn)行下道工序。

6.4 焊口點(diǎn)固

①焊口定位點(diǎn)固焊時(shí)，焊接材料的選用、焊接工藝方法和焊工技能水平條件必須與正式施焊時(shí)一致相同。②點(diǎn)固焊和正式施焊過(guò)程中，禁止在管材表面隨意引弧或?qū)嶒?yàn)電流。③為了避免施焊過(guò)程中因焊接接頭產(chǎn)生根部缺陷，應(yīng)盡量減少焊接接頭的數(shù)量。對(duì)口鉗調(diào)節(jié)到適當(dāng)位置后，焊工盡可能采用較長(zhǎng)的焊接點(diǎn)固點(diǎn)，在管子上對(duì)稱點(diǎn)固焊兩點(diǎn)，焊縫長(zhǎng)度可達(dá)到10～15mm，不影響正常焊接工作即可。④點(diǎn)固焊時(shí)，坡口內(nèi)側(cè)焊道的金屬填充厚度應(yīng)盡量要薄，但要保證焊接接頭根部盡可能凸出，以有利于下一個(gè)接頭。⑤點(diǎn)固焊后，應(yīng)對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)焊接缺陷應(yīng)及時(shí)將焊點(diǎn)用專用工具清除，并重新進(jìn)行點(diǎn)固，經(jīng)檢查確認(rèn)無(wú)缺陷后方可焊接。

6.5 充氬保護(hù)

為防止根部氧化，應(yīng)在焊接過(guò)程中對(duì)管材內(nèi)部進(jìn)行充氬保護(hù)，充氬保護(hù)可參照以下要求進(jìn)行：

①充氬保護(hù)范圍要以管材坡口中心為準(zhǔn)，每側(cè)各200～300mm處，用可溶性較高、柔軟性較好的水溶紙（衛(wèi)生紙）做成密封氣室，采用篩網(wǎng)型手工氬弧焊把制作的專用充氬裝置，從坡口間隙中進(jìn)行充氬。

氣室制作要求：

1）采用水溶紙封堵于焊口內(nèi)側(cè)的兩端，充當(dāng)氬氣室的水溶紙的邊緣距離管段坡口邊緣處不小于150mm，同時(shí)，水溶紙的直徑應(yīng)大于管道內(nèi)徑約60mm。2）水溶紙?jiān)诿總?cè)管子內(nèi)封堵三層，這樣能更好的阻隔管子內(nèi)的穿堂風(fēng)，減少管子內(nèi)部穿堂風(fēng)對(duì)氬氣室的侵入，增加氬氣室的氣密性。

充氬裝置制作要求（見(jiàn)圖1）：

1）采用篩網(wǎng)型手工氬弧焊把制作的專用充氬裝置，從坡口間隙中進(jìn)行充氬。2）自制充氬裝置能方便的調(diào)節(jié)角度，以便適用現(xiàn)場(chǎng)焊口位置，方便焊工操作施焊。3）自制充氬裝置能提高焊工操作工作效率，減少人員浪費(fèi)。4）自制充氬裝置比傳統(tǒng)氣針式充氬裝置輸出的氣流穩(wěn)定均勻，氬氣充滿度較好，氣流大小調(diào)節(jié)方便。

②由于受熱面停爐時(shí)間短，管子、環(huán)境溫度過(guò)高、影響管子內(nèi)壁充氬保護(hù)效果，為確保管子內(nèi)部充氬保護(hù)效果，先用純凈水沾濕抹布，抹布濕度為不滴水為宜，纏繞在兩側(cè)管子距離坡口150～200mm處，強(qiáng)制將溫度降至室溫可焊范圍內(nèi)方可充氬施焊（見(jiàn)圖2）。

7? 焊接過(guò)程及操作注意事項(xiàng)

在施焊過(guò)程中應(yīng)采用紅外測(cè)溫儀或其它測(cè)量器具測(cè)量層間溫度，其層間溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在150℃以下。在熔化良好的狀態(tài)下，采用小的線能量和較快的焊接速度，焊層厚度不應(yīng)超過(guò)焊絲直徑。焊接中應(yīng)將每層焊道接頭錯(cuò)開(kāi)，并確保焊道平滑過(guò)渡，避免出現(xiàn)死角以利于次層焊接。注意清理焊道之間和焊層之間的表面氧化膜和表面浮渣，經(jīng)自檢合格后方可進(jìn)行次層的焊接。

焊接前必須對(duì)其所選用的焊接參數(shù)進(jìn)行工藝評(píng)定驗(yàn)證，采用手工鎢極氬弧焊焊接工藝方法，HR3C鋼推薦施焊過(guò)程中的工藝控制參數(shù)見(jiàn)表2。

7.1 打底層焊接

①引弧：在管材坡口內(nèi)部邊緣采用具有高頻引弧方式的焊機(jī)進(jìn)行施焊引弧。②焊接方法：引著電弧后迅速將電弧壓低至焊接接頭金屬熔池表面1～1.5mm處，并迅速將其移到坡口的鈍邊處，略做小幅度上下擺動(dòng)，使坡口兩側(cè)金屬充分熔化并形成清晰明亮的熔池后，送絲時(shí)按鋸齒型運(yùn)條方法進(jìn)行施焊。其中，氬弧焊打底優(yōu)先選用內(nèi)填絲法，焊絲端頭始終停留指向熔池上部，略微靠近管材內(nèi)側(cè)處。這種施焊方法有利于確保焊接接頭根部焊透并可有效防止焊接接頭產(chǎn)生內(nèi)凹缺陷。③收?。菏针娀r(shí)應(yīng)先減慢施焊速度，然后將焊接接頭熔池填滿，把電弧迅速移至坡口另一側(cè)，逐漸減少焊絲對(duì)焊接接頭的填絲量，快速前移并按下控制開(kāi)關(guān)啟動(dòng)衰減裝置滅弧。

7.2 填充蓋面

①填充蓋面焊接時(shí)盡量用小電流小規(guī)范，在施焊過(guò)程中應(yīng)采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量層間溫度，其層間溫度嚴(yán)格控制在150℃以下，有利于得到合格的金相組織。②焊接中應(yīng)將每層焊道接頭錯(cuò)開(kāi)，并確保焊道平滑過(guò)渡，避免出現(xiàn)死角以利于下次層的焊接。③施焊過(guò)程中，施焊時(shí)存在對(duì)前層焊接接頭金屬的二次熔化，所以層間施焊時(shí)管材的內(nèi)部還必須保持氬氣量的充分保護(hù)狀態(tài)，以避免焊接接頭根部過(guò)燒。填充層至蓋面層時(shí)不需要對(duì)管材內(nèi)部進(jìn)行充氬保護(hù)。④因管材的壁厚不相同，采用手工鎢極氬弧焊焊接工藝方法時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施焊焊接接頭的位置多為橫焊口。因此，可根據(jù)管壁實(shí)際厚度蓋面采用多層多道焊接。每道焊縫焊接完畢，加強(qiáng)焊縫層道間的清理，經(jīng)自檢合格后方可進(jìn)行次層的焊接。

8? 焊后檢查

①必須按規(guī)范要求進(jìn)行對(duì)焊接接頭100%外觀自檢，發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)處理。②外觀符合規(guī)定的焊接接頭，方可按規(guī)定進(jìn)行RT無(wú)損檢測(cè)。

9? 焊后返修

①焊接接頭外觀檢查不符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)打磨修整。②經(jīng)無(wú)損檢驗(yàn)不合格的焊接接頭，可進(jìn)行局部挖補(bǔ)返修，根部缺陷宜割口重焊。③返修的焊口，同一挖補(bǔ)部位不得超過(guò)兩次，否則應(yīng)割除重新組對(duì)焊口進(jìn)行焊接。

10? 結(jié)語(yǔ)

本工藝解決了我公司四期#7機(jī)組660MW超超臨界機(jī)組中，應(yīng)用的新型奧氏體耐熱鋼HR3C采用鎳基焊絲YT-HR3C焊接的技術(shù)難題。從降低環(huán)境溫度、管材溫度對(duì)管材施焊的影響、制備坡口、封堵管口、內(nèi)部充氬保護(hù)等各方面形成了有效的焊接方法、工藝措施。焊接方法新穎、獨(dú)特，整個(gè)焊接工藝過(guò)程處于高效、穩(wěn)定、安全、優(yōu)質(zhì)的可控制狀態(tài)，確保了焊接接頭根部充氬保護(hù)效果，防止了焊接接頭根部發(fā)生氧化、發(fā)渣等現(xiàn)象;又保證了焊接接頭根部接頭成型良好，消除了由于環(huán)境溫度、管材溫度造成焊接接頭根部接頭的氧化缺陷。提高了檢修焊接任務(wù)作業(yè)的生產(chǎn)效率，保證了焊接任務(wù)作業(yè)的有序進(jìn)行，確保了焊接工藝質(zhì)量。

受熱面末級(jí)過(guò)熱器（末級(jí)再熱器）HR3C鋼小管的焊接自2019年5月15日按改進(jìn)的焊接工藝實(shí)施后，6月23日班組QC質(zhì)量小組對(duì)末級(jí)過(guò)熱器、末級(jí)再熱器HR3C鋼小管徑的焊接接頭質(zhì)量進(jìn)行了檢查，對(duì)按照新工藝方法焊接的焊口一次無(wú)損合格率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，共計(jì)焊接接頭為40道，不合格焊接接頭數(shù)為0個(gè)，杜絕了焊縫金屬根部接頭的氧化缺陷現(xiàn)象的發(fā)生，合格率為100%，大大超出預(yù)期效果。

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