電站鍋爐特殊鋼材焊接工藝探究

劉 輝

（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）

新時期下，各行業(yè)對能源的需求越來越大，如何提高電站鍋爐的熱效率、減少煤耗已經(jīng)成為科學(xué)界重點(diǎn)關(guān)注的課題。從上世紀(jì)20年代開始，電站鍋爐便從以往的中壓、高壓與超高壓（14~15 MPa）發(fā)展到亞臨界（16~19 MPa）、超臨界（24~26 MPa）和超超臨界（＞27 MPa）鍋爐。主蒸汽的溫度也提高到566℃、593℃和625℃。相應(yīng)的，電站鍋爐的運(yùn)行參數(shù)也在不斷提高，鍋爐承壓部件的壁厚不斷增加，一方面提高了制造成本，另一方面也增加了焊接施工難度。以往在高壓、超高壓電站鍋爐中廣泛應(yīng)用的鋼材，因?yàn)楦邷匦阅芘c抗氧化性能較差，已經(jīng)逐漸被淘汰，取而代之的是整體性能更加優(yōu)秀的奧氏體不銹鋼與回火馬氏體鋼。

1 SA213-TP304鋼的焊接工藝

1.1 TP304鋼材的性能分析

TP304鋼的Cr含量約為19%，Ni含量約9%。常溫環(huán)境便可形成單一的奧氏體組織，在高溫環(huán)境下，具有出色的熱強(qiáng)性以及耐腐蝕性。尤其是加入Cr后，可進(jìn)一步增強(qiáng)TP304鋼的抗酸腐蝕能力。Cr-Ni奧氏體的形成，顯著提升了剛才的焊接性能，而且沒有淬硬性的傾向，所以即使在熱影響區(qū)使用，也不會出現(xiàn)淬硬組織。由于碳含量大幅度減少，晶間腐蝕概率也隨之降低，但焊接時仍會存在一些問題。

1.1.1 熱裂紋

奧氏體不銹鋼雖然導(dǎo)熱系數(shù)較小，但熱膨脹系數(shù)大。在局部加熱、冷卻的焊接過程中，接頭在冷卻期間可能會出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，而且焊縫中存在方向性較強(qiáng)的柱狀晶組織會加快有害雜質(zhì)的偏析速度，從而形成晶間液態(tài)夾層，主要以FeS、NiP、NiS和FeP等低熔點(diǎn)的物質(zhì)為主，最終形成熱裂紋。熱裂紋通常出現(xiàn)在正在焊接中的焊道與前一道焊道，焊接完并不會馬上開裂，但在第二次熱循環(huán)后就會出現(xiàn)熱裂紋。

金屬間化合物的脆性相會提高鋼材的脆性，奧氏體不銹鋼焊縫中不僅存在一些碳化物，如果在650~850℃的環(huán)境中停留太長時間，還會出現(xiàn)含有Fe、Cr、Ni-σ相的無磁性金屬間化合物，其與溫度、時間均有關(guān)聯(lián)，尤其容易出現(xiàn)在焊后再加熱的過程中，在650~850℃的高溫下加熱，這種金屬間化合物的沖擊韌性會顯著下降。所以應(yīng)該盡量避免焊接后再次加熱，否則會讓晶間失去聯(lián)系，降低焊接部位的塑性與韌性，導(dǎo)致鋼材脆化，而且還會影響抗晶間的腐蝕能力。

1.1.2 晶間腐蝕

在450~850℃范圍內(nèi)，如果焊縫的停留時間太長，或者在焊接熱循環(huán)過程中，加熱到500~850℃的熱影響區(qū)，鋼材中的碳與鉻會發(fā)生反應(yīng)，形成碳化鉻（CrC），Cr源自晶粒表面，會讓晶粒邊界的奧氏體局部缺少Cr，導(dǎo)致其抗腐蝕性能下降。晶粒受到腐蝕介質(zhì)的作用，邊界會出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。腐蝕后，晶粒的外觀并沒有完全喪失金屬光澤，但晶粒之間卻已經(jīng)失去聯(lián)系，敲擊后發(fā)現(xiàn)沒有金屬音質(zhì)，鋼質(zhì)變脆，鋼材的強(qiáng)度下降。晶間腐蝕的敏感溫度是650℃，在此溫度下，焊縫或者熱影響區(qū)只需要短短數(shù)十秒就會出現(xiàn)晶間腐蝕。

1.1.3 根部氧化

使用氣體保護(hù)焊的過程中，如果沒有對焊縫根部采取隔離空氣措施，表面就會出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象，并產(chǎn)生黑色的渣狀氧化物，導(dǎo)致焊縫的抗腐蝕性能嚴(yán)重下降。

1.2 TP304鋼材的焊接工藝

鑒于TP304鋼材的性能，在焊接鍋爐再熱器小徑管時，應(yīng)用線能量相對集中的手工鎢極氫弧焊工藝進(jìn)行打底、填充以及蓋面，該工藝能夠充分?jǐn)_亂柱狀晶體方向以及雜質(zhì)匯集，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的內(nèi)應(yīng)力以及偏析，有助于減輕晶間腐蝕，減少熱裂紋的出現(xiàn)。選擇低碳不銹鋼焊絲ER308H作為焊接材料，這種材料中的S、P含量較少。焊接工藝要求如下：

（1）材料和一般結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)該分開存儲、運(yùn)輸，以免鋼材被鐵銹污染。

（2）焊接之前，使用不銹鋼專用的砂輪片或者鋼絲刷將焊件表面打磨干凈，刷掉油漆、雜質(zhì)和污垢等。組裝焊件之前，先清理干凈焊口表面和兩側(cè)10 mm區(qū)域內(nèi)母材內(nèi)壁與外壁的污漬，使其完全呈現(xiàn)金屬光澤。禁止鋼件表面暴露于火焰焊接處，否則鋼件會被碳污染，損害耐腐蝕性能。

（3）氬弧焊的焊接場所應(yīng)充分做好防風(fēng)、防雨及防雪措施，加強(qiáng)對氫氣的保護(hù)。

（4）手工鎢極氫弧焊打底過程中，焊縫的背面應(yīng)做好充氬保護(hù)，保證背面能夠正常成形，以免合金元素出現(xiàn)氧化和燒損。充氬保護(hù)過程中，在氬氣皮管的輸出接頭上焊接d（1.0~3.0）mm的碳鋼管或細(xì)銅管，并把較細(xì)的金屬管經(jīng)過焊口的對口間隙置入管中，然后開啟氬氣開關(guān)，對焊縫的根部采取充氫保護(hù)。

（5）焊接之前不需要預(yù)熱。

（6）TP304鋼材的焊接收縮變形較大，因此要設(shè)置夾緊裝置，做好定位焊。

（7）使用較小的線能量進(jìn)行快速焊接，在條件不變的情況下，與普通碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼相比，焊接電流要小10%~20%，通常為80~100 A，所以應(yīng)盡可能采用短弧焊焊接工藝。

（8）焊接速度控制在80~120 mm/min，打底焊時，略加快速度；蓋面焊時，略減慢速度?？刂茪鍤饬髁?~10 L/min。

（9）焊接時，控制層間溫度不超過150℃，焊后立刻澆冷水進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，以控制層間溫度以及焊后溫度，在450~850℃的溫度區(qū)間內(nèi)，應(yīng)盡量縮短停留時間。

（10）焊接后不需要采用熱處理。

（11）錯開焊接的接頭處。

（12）禁止亂打弧現(xiàn)象，防止飛濺以及工件坡口出現(xiàn)電弧擦傷母材的痕跡。

（13）保持焊縫表面的光潔度，增強(qiáng)焊接接頭的抗腐蝕能力。用砂輪打磨焊縫表面的殘?jiān)?，用石英砂紙磨刷焊縫的顏色。

2 SA213T91鋼的焊接工藝

2.1 T91鋼材的性能分析

上世紀(jì)70年代，美國最先研制出T91鋼。如今，T91鋼在我國大機(jī)組鍋爐中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。T91鋼的化學(xué)成分是經(jīng)過調(diào)整的，具有優(yōu)越的高溫性能。T91鋼中加入了一些強(qiáng)碳化物元素，比如Cr、V和Mo等，焊接過程中，在高溫空冷的情況下，很容易產(chǎn)生淬硬馬氏體組織。T91鋼的焊接性比傳統(tǒng)的鐵素體鋼有了顯著改善，并且塑性和韌性良好。所以，盡管T91鋼也含有容易產(chǎn)生再熱裂紋的沉淀強(qiáng)化元素，但由于C、S、P含量較低，因此對再熱裂紋的敏感性不高。T91鋼是一種空冷馬氏體鋼，并不具備優(yōu)秀的焊接性，焊接過程中很容易出現(xiàn)冷裂紋，而且熱循環(huán)會降低焊縫的韌性。

2.2 T91鋼材的焊接工藝

2.2.1 雙層TIG打底焊

TIG如果只打底一層，很容易因焊層太薄而被擊穿，降低根層焊縫的質(zhì)量。此外，TIG焊第二層時，會一定程度地降低第一層背面焊縫的氧化，因此應(yīng)該一邊打底一邊解開充氬保護(hù)膠布，以免焊縫內(nèi)進(jìn)入空氣，降低打底質(zhì)量。

2.2.2 合理設(shè)置管內(nèi)保護(hù)氬氣的流量

T91鋼根層焊接的根部氧化問題比較嚴(yán)重，所以應(yīng)采取管內(nèi)充氬保護(hù)措施。首先調(diào)節(jié)氬氣的流量，大管徑以20~30 L/min的流量為宜，同時還要保證管內(nèi)氬氣可以流動，提高氬氣純度。其次是要充分考慮焊接根部的第二層焊縫會影響第一層焊縫的高溫氧化，所以管內(nèi)的保護(hù)氣體應(yīng)該持續(xù)到第二層焊縫焊接結(jié)束為止。

2.2.3 多層多道焊

5月2日，“江山清暉——紀(jì)念譚建丞先生誕辰120周年譚建丞山水畫冊頁特展暨譚建丞藝術(shù)座談會”在湖州市博物館舉行。

能夠有效控制焊接線的能量，后層的焊道對前層焊道的熱處理能夠細(xì)化晶粒，提高焊接接頭性能。

2.2.4 雙人焊接

如果T91鋼的管徑較大，則焊接時需要兩人相互配合。打底時，由一名工作人員負(fù)責(zé)焊接，另一名從旁監(jiān)測打底焊情況。母材與焊材中含有的合金元素較多，影響液態(tài)金屬的流動性，因此焊接時需要做好以下幾點(diǎn)：

（1）嚴(yán)格按照說明書的要求，焊條需要在300~350℃溫度下放置2 h，然后烘干。保證焊條充分干燥。如果烘干不徹底，則會更容易出現(xiàn)焊接缺陷。

（2）液態(tài)金屬的流動性不佳，安裝對口時，應(yīng)該增加3~4 mm的對口間隙。

（3）焊條的引弧電流太小，容易粘上焊條，反之，則可能導(dǎo)致熔池不清，很容易在坡口邊緣出現(xiàn)夾渣缺陷。所以，應(yīng)該合理調(diào)節(jié)焊接電流，提高焊接質(zhì)量。

（4）針對冷裂紋問題，焊接時要填滿弧坑，可通過逐漸減小電流的方式，或應(yīng)用斷弧疊加法來收弧。

（5）焊條焊渣的清理難度較大，應(yīng)該層間清理，尤其是接頭的位置需要用砂輪機(jī)打磨，以提高接頭質(zhì)量。

（6）每層焊條的厚度應(yīng)該與焊條的直徑一致，焊道的寬度最好比焊條直徑大2倍，最寬不能超過4倍。

3 SA335P91鋼的焊接工藝

以某電廠施工為例，導(dǎo)汽管材料為P91鋼材，焊接與熱處理結(jié)束后，在超聲波檢測中發(fā)現(xiàn)，部分焊口存在超標(biāo)缺陷，焊口的回波能量與長度不足，確認(rèn)為是點(diǎn)狀缺陷。返修打磨時，某些部位的缺陷沒有及時發(fā)現(xiàn)，某些部位挖出小氣孔與夾渣，繼續(xù)打磨發(fā)現(xiàn)，氣孔與夾渣中貫穿了5~10 mm長的細(xì)小裂紋。一部分靠近根部的缺陷所引起的裂紋已經(jīng)穿透了焊縫的根部，經(jīng)過打磨后，無法在第一時間用肉眼發(fā)現(xiàn)，而是放置一段時間，在著色檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)缺陷。形成弧坑裂紋的原因有（1）內(nèi)因：P91鋼材的淬硬傾向較大。（2）主因：焊條的工藝性能較差。（3）外因：焊接過程中線能量較大，弧坑較深，成形不理想，更換焊條的間隔時間太長，收弧區(qū)的冷卻速度太快。

經(jīng)過綜合考量，決定重新優(yōu)化焊接材料以及焊接工藝：

（1）P91鋼材包含了各種牌號的焊接材料，不同焊材有不同的工藝性能。經(jīng)焊接工藝評定實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)自德國蒂森公司的CHROMO9V焊條以及MTS-3焊絲，無論是焊接的操作工藝性能，還是焊接接頭的沖擊韌性都非常出色。因此，應(yīng)選擇S、P熱裂紋敏感元素較低、操作性能好、ω（Mn）/ω（S）比值較大的焊材來焊接P91鋼。

（2）將坡口溫度作為預(yù)熱溫度標(biāo)準(zhǔn)，電阻加熱過程中，如果在加熱片正中設(shè)置熱電偶，那么測量的溫度和坡口位置的實(shí)際溫度會相差50~80℃，因此應(yīng)該在靠近坡口邊緣的一側(cè)設(shè)置熱電偶，將溫度控制在250℃左右。如果溫度太高，焊接過程中，中間層可能會超溫；反之，坡口的實(shí)際溫度可能會在200℃以下，更容易形成裂紋。

（3）不可單純地通過減小焊接電流的方式來降低焊接線能量，P91鋼材中的焊材合金含量較大，熔池鐵水的粘度大，如果電流太小很容易形成夾渣和未熔合現(xiàn)象。所以需要在較大電流的基礎(chǔ)上配合快速移動，以提高焊接質(zhì)量，保證焊接線能量。運(yùn)條收弧時，需要引到坡口一側(cè)，可防止出現(xiàn)大弧坑，也能避免焊縫熔池金屬因收縮而形成弧坑裂紋。

4 結(jié)束語

綜上所述，發(fā)電機(jī)組的容量越大，對耐熱鋼的要求就越高。因此，應(yīng)選擇具有良好耐熱性能的鋼材，并采用科學(xué)的焊接工藝，以保證電站運(yùn)行的安全性與可靠性。