火電廠管道異種鋼的焊接問題及解決措施探析

杜幸福

（1.中國電建集團(tuán)河北工程有限公司，河北 石家莊 050021；2.河北省大型電站機(jī)爐安裝技術(shù)創(chuàng)新中心（籌），河北 石家莊 050021）

我國電力行業(yè)在新經(jīng)濟(jì)發(fā)展時(shí)代背景下，獲得長足發(fā)展，并且為社會(huì)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。電力行業(yè)發(fā)展質(zhì)量與建設(shè)水平受到火電廠機(jī)組的影響較大，各工業(yè)機(jī)組的運(yùn)行容量日漸提升，成為行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)性保障。異種鋼在工業(yè)機(jī)組容量擴(kuò)展的背景下得以廣泛使用，在連接異種鋼時(shí)采取的焊接技術(shù)也逐漸被提上研究日程。為確保焊接作用得以維繼，全新的焊接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。但是在當(dāng)前的行業(yè)應(yīng)用中，焊接技術(shù)仍舊存在著應(yīng)用弊端，亟待操作人員提出針對(duì)性解決方案，提升操作質(zhì)量。

1 異種鋼焊接的定義

一般情況下，異種鋼焊接是指將多種材質(zhì)的鋼材，通過焊接的方式進(jìn)行連接，使其熔融在一起，比如最為常見的異種鋼焊接有馬氏體鋼與珠光體剛焊接、非奧氏體鋼與奧氏體鋼焊接和貝氏體鋼與珠光體鋼焊接等。

1.1 異種鋼焊接的接頭特點(diǎn)

就焊接的本質(zhì)而言，異種鋼焊接接頭與同種鋼焊接接頭之間存在著差異性，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，歸根結(jié)底是兩側(cè)位置的焊接熱影響區(qū)域、熔敷金屬熱影響區(qū)域以及母材不均勻。

第一，化學(xué)成分不夠均勻。在焊接鋼材期間，加熱時(shí)兩側(cè)位置的母材融化量、母材融化區(qū)和融敷金屬的各類成分受到稀釋作用的影響而出現(xiàn)不同程度的變化，導(dǎo)致化學(xué)成分存在著嚴(yán)重的不均勻現(xiàn)象。

第二，組織成分不夠均勻。接頭內(nèi)部的所有組織因?yàn)槭艿胶附訒r(shí)的熱循環(huán)影響而出現(xiàn)不均勻的問題。另外，在極個(gè)別的區(qū)域范圍內(nèi)，還將會(huì)出現(xiàn)具有復(fù)雜性的組織結(jié)構(gòu)。

第三，應(yīng)力場分布不夠均勻。異種鋼焊接接頭位置的導(dǎo)熱系數(shù)和膨脹系數(shù)受到成分和組織變化等因素影響，呈現(xiàn)出差異性。塑性區(qū)域也因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)的不同而不同。熱應(yīng)力也因受到導(dǎo)熱系數(shù)的影響而出現(xiàn)不同。當(dāng)熱應(yīng)力和組織應(yīng)力共同產(chǎn)生作用的時(shí)候，將會(huì)在異種鋼焊接的接頭位置形成應(yīng)力峰值，導(dǎo)致接頭發(fā)生斷裂。

1.2 異種鋼焊縫技術(shù)成分與組織控制

因?yàn)楹附赢惙N鋼時(shí)母材與焊材不同，需要對(duì)焊接金屬的性能、組織以及成分進(jìn)行推算。對(duì)稀釋率產(chǎn)生影響的因素有以下4種：

第一，預(yù)熱情況的影響。若是預(yù)熱的溫度增加，那么將會(huì)因?yàn)槿凵钤黾佣龃笃湎♂屄?。若是預(yù)熱的溫度下降，那么將會(huì)因?yàn)槿凵顪p少而降低稀釋率。所以在進(jìn)行處理的時(shí)候，合理控制預(yù)熱溫度，適中處理。

第二，焊接參數(shù)影響。當(dāng)電流量越大時(shí)，稀釋率也就越大，當(dāng)焊接速度降低時(shí)，稀釋率也就越低。焊接參數(shù)值受到母材熔化單位面積的大小影響。

第三，焊接接頭形式。當(dāng)坡口增大時(shí)，將會(huì)降低稀釋率。當(dāng)坡口減小時(shí)，稀釋率變化將基本保持穩(wěn)定。

第四，焊接方法。

2 火電廠管道異種鋼焊接問題分析

2.1 異種鋼焊接時(shí)的碳元素處理問題

火電廠管道異種鋼焊接期間，施工者將面臨著碳遷移問題，若是處理措施不當(dāng)，勢必會(huì)造成熔合線周圍位置有擴(kuò)散帶出現(xiàn)，同時(shí)在珠光體一側(cè)位置出現(xiàn)脫碳層。除此之外，還會(huì)導(dǎo)致在相鄰?qiáng)W氏體焊縫一側(cè)位置出現(xiàn)增碳層。倘若脫碳層從原來的珠光體轉(zhuǎn)化為鐵素體，將會(huì)降低本身硬度值，出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，由此以來，極容易產(chǎn)生大粒徑的顆粒。鉻的碳化物被析出，使得增碳層被硬化，大幅度降低高溫強(qiáng)度。火電廠管道異種鋼焊接縫隙脆性隨之強(qiáng)化。若焊接異種鋼期間，熔合線周圍發(fā)生碳遷移現(xiàn)象，則表明在焊接頭處有著很大的可能性，已經(jīng)出現(xiàn)了低應(yīng)力蠕變斷裂現(xiàn)象，接頭效用喪失。

焊接異種鋼的溫度不超過650℃時(shí)，析出碳化物需要較長的時(shí)間，且伴隨著時(shí)間拉長，析出的碳化物也持續(xù)增加。焊接異種鋼的溫度超過650℃時(shí)，析出的碳化物將會(huì)先增加，且隨著時(shí)間的增加而不斷減少。若是焊接異種鋼時(shí)對(duì)溫度控制不夠準(zhǔn)確，勢必會(huì)影響碳化物，導(dǎo)致焊接接頭效用喪失。

2.2 網(wǎng)狀組織存在的問題

眾所周知，火電廠本身所處的環(huán)境過于復(fù)雜，并且其自身組織結(jié)構(gòu)也比較繁瑣，當(dāng)火電廠管道放置于特殊環(huán)境中時(shí)，需要對(duì)管道材料作出全新選擇。在一般情況下，需要采用高合金鋼完成火電廠管道制作。就此種類型的管道而言，在實(shí)施焊接的時(shí)候，組織將會(huì)呈現(xiàn)出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。換言之，鋼材屬于網(wǎng)狀組織。就奧氏體剛而言，在焊接期間，由于受到高溫環(huán)境的影響，使得鋼材內(nèi)部的碳化物析出的速度快速增加，影響焊接接頭。當(dāng)碳化物沿著奧氏體晶界被析出的時(shí)候，便會(huì)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

3 火電廠管道異種鋼焊接處理要點(diǎn)

3.1 焊接管道的熱處理工藝

首先是管道焊接期間的冷卻和加熱方式。在進(jìn)行加熱的時(shí)候，需利用電感應(yīng)加熱方式、局部火焰加熱方式等多種加熱方法，保持金屬溫度的均衡性，合理地掌控焊接溫度。在進(jìn)行冷卻的時(shí)候，需要利用絕熱方式、局部加熱方式和爐內(nèi)冷卻方式等多種冷卻方法，保持金屬的冷卻速率。

其次是對(duì)焊接管道整體熱處理。焊接完成以后，需將應(yīng)力熱處理工作管道組建去除，在處理爐中實(shí)現(xiàn)整體熱處理，但是在實(shí)施處理時(shí)，堅(jiān)決不能使用焊接閥門等部件。

再次是對(duì)焊接管道分段熱處理。完成焊接以后，需對(duì)管道組件實(shí)施應(yīng)力熱處理，采取分段處理的方式，對(duì)加熱長度做好嚴(yán)格控制。除此之外，在實(shí)施維護(hù)的時(shí)候，可以將加熱的位置跳過，從而規(guī)避不良溫度梯度。

最后是焊接管道局部熱處理。在對(duì)異種鋼焊接縫隙進(jìn)行處理時(shí)，需對(duì)環(huán)形帶進(jìn)行加熱處理，加熱期間，基于焊縫中心點(diǎn)，每端需要將焊接的縫隙擴(kuò)展到原有的3倍，并且要保證超過25 mm。就未處于加熱區(qū)域范圍內(nèi)的管道，應(yīng)做好保溫處理。焊接主要管道和支線管道期間，要緊緊圍繞管道環(huán)帶，保證截面位置達(dá)到設(shè)定的溫度。從焊接縫隙的中間位置開始，對(duì)加熱寬度進(jìn)行計(jì)算，將寬度控制到主管壁厚的6倍之多，未處于加熱區(qū)域范圍內(nèi)的管道，應(yīng)做好保溫處理。

3.2 優(yōu)化異種鋼焊接技術(shù)

焊接異種鋼選擇的焊接技術(shù)至關(guān)重要，除了密切聯(lián)系焊接質(zhì)量以外，還要考慮對(duì)焊接之后各項(xiàng)處理工作產(chǎn)生的影響。所以，在異種鋼焊接過程中，選擇的焊接技術(shù)要從以下幾個(gè)角度展開。

第一，需保障焊接異種鋼時(shí)采取的方法達(dá)到焊接時(shí)所提出的質(zhì)量需求，最大限度地將熔合比降低，通過這種方法以有效降低裂紋出現(xiàn)的幾率。除此之外，在對(duì)焊接方法進(jìn)行優(yōu)化選擇的時(shí)候，還需要考慮其經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性。

第二，焊接異種鋼時(shí)，可利用焊條。通過焊條電弧焊焊接異種鋼，主要是由于焊條的類型相對(duì)較多，在焊接的時(shí)候，能夠表現(xiàn)出良好的適應(yīng)能力。焊接高鉻馬氏體鋼和珠光體鋼時(shí)，可選擇使用二氧化碳作為保護(hù)氣體。在焊接高合金異種鋼時(shí)，可選擇使用氬弧焊實(shí)施焊接。若是焊接的異種鋼構(gòu)件相對(duì)簡單，那么此時(shí)可選擇使用擴(kuò)散焊接或者是釬焊的方式完成。

3.3 異種鋼材料選擇

當(dāng)不能同時(shí)兼顧塑性和強(qiáng)度時(shí)，若確保沒有出現(xiàn)裂痕等缺陷選擇使用的材料一般為良好韌性和塑性的材料。當(dāng)焊縫金屬材料為2種母材料當(dāng)中的一種時(shí)，此時(shí)斷定材料已經(jīng)達(dá)到使用需求。采取鋼焊接的方式焊接不同強(qiáng)度等級(jí)的材料時(shí)，需以最低強(qiáng)度的母材為參照，完成焊接材料選擇。根據(jù)母材的強(qiáng)度情況對(duì)工藝措施作出選擇。選擇使用的焊接材料，要盡可能地保證其具有良好的抗裂性能，比如使用堿性焊條。

4 解決火電廠焊接管道異種鋼焊接的措施

4.1 優(yōu)化異種鋼焊接水平

首先要選擇合適的焊接方式完成異種鋼焊接，提高焊接方式的合理性與科學(xué)性，保障焊接質(zhì)量和焊接效率。所以，在選擇焊接方式的時(shí)候，首先要與實(shí)際工程情況相結(jié)合，適當(dāng)?shù)貙⑷酆媳冉档?，杜絕裂痕現(xiàn)象出現(xiàn)。其次要充分考慮焊接技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性與先進(jìn)性。在焊接接頭位置時(shí)，需綜合考量稀釋率，就較大厚度的異種鋼而言，焊接過程中需采用U型焊接坡口或X型焊接坡口。選擇異種鋼焊接電流、焊接速度以及焊接層數(shù)時(shí)，可適當(dāng)性地降低母材熔化。若是在進(jìn)行焊接的時(shí)候有2種母材，其中有一種母材屬于淬硬鋼，那么在實(shí)施焊接前，需展開預(yù)熱處理，以焊接材料為依據(jù)，合理選擇加熱溫度。預(yù)處理要以需要進(jìn)行焊接的鋼材型號(hào)為依據(jù)，合理地選擇加熱溫度。

4.2 優(yōu)化焊接熱處理工藝

開展焊接熱處理之前，要徹底清理干凈管材上的障礙物，之后要仔細(xì)檢查用于焊接的各類儀器設(shè)備，經(jīng)常使用的儀器設(shè)備有記錄儀、加熱器等，需要對(duì)各類材料的運(yùn)行狀態(tài)予以明確，在設(shè)備開始運(yùn)行之前，要進(jìn)行合理的檢查，保證焊接工作有序開展。在進(jìn)行焊接的時(shí)候，焊接位置處于暴露的環(huán)境下，在實(shí)施焊接之前，要根據(jù)實(shí)際情況完成防雨棚搭建，從而有效規(guī)避不良天氣變化產(chǎn)生的惡劣影響，為整個(gè)焊接工作提供良好環(huán)境。焊接工作開始前，需再次檢查，科學(xué)測溫，合理布置測溫位置，一切通過檢查后，方可開展施工。完成熱處理以后，還需要更深一步探究焊縫存在的傷痕，若是探測結(jié)果顯示沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，需要重新處理，直至合格。

4.3 優(yōu)化熱處理工藝

在當(dāng)前階段，異種鋼焊接施工經(jīng)常采取電加熱法完成。在具體操作中，首先要焊接細(xì)小的縫隙，在必要的時(shí)候，要對(duì)焊接縫隙纏繞加熱繩。纏繞加熱繩的過程中，要盡可能保證寬度為6倍焊縫。在此之后，通過使用鋼帶扎緊異種鋼內(nèi)部的保溫材料，杜絕在焊接過程中出現(xiàn)保溫材料脫落的現(xiàn)象。在裝設(shè)保溫材料過程中，要嚴(yán)格杜絕有加熱器引線從保溫層的內(nèi)部位置穿過，從而避免導(dǎo)線高溫發(fā)熱現(xiàn)象而造成絕緣層出現(xiàn)熔化。

4.4 其他注意措施

只有當(dāng)焊接工藝達(dá)到焊接需求時(shí)，才可以在焊接施工中被推廣。明確焊接工藝后，需要與施工技術(shù)要求相結(jié)合，合理地控制施工現(xiàn)場溫度。避免焊接期間在母材的非焊接位置臨時(shí)設(shè)置裝置，定位焊接時(shí)，要詳細(xì)檢查焊縫質(zhì)量，及時(shí)清理焊縫。完成焊接工作后，要打磨焊疤，合理控制焊縫厚度與寬度。

5 結(jié)束語

制作火電廠管道，異種鋼的應(yīng)用已經(jīng)變得極為普遍，為保證焊接質(zhì)量，需合理地展開管理，靈活地將多種施工技術(shù)應(yīng)用到焊接中，完成施工。在焊接期間，受多種因素影響而出現(xiàn)各類問題，只有不斷優(yōu)化，提出應(yīng)對(duì)措施，才可以實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量提升。