主蒸汽Y 型三通焊口缺陷處理工藝探討

史海濤

（神華國(guó)能哈密電廠，新疆 哈密 839000）

1 項(xiàng)目概況

某電廠機(jī)組超臨界燃煤機(jī)組鍋爐采用上海鍋爐廠股份有限公司產(chǎn)品，主蒸汽管路中有一鍛造斜Y型三通，三通材質(zhì)為SA335-P91，規(guī)格為ID432*72/ID305*53/ID305*53。Y 型三通為不規(guī)則六方體，管道焊縫與六方體端面距離40mm。焊接前需預(yù)熱，焊接過(guò)程中需要嚴(yán)格控制焊縫層間溫度，焊后需進(jìn)行高溫回火熱處理。

2 材料分析

SA335-P91 鋼屬于馬氏體耐熱鋼，具有較高的抗氧化性能和抗高溫蒸汽腐蝕性能，而且具有良好的沖擊韌性和高而穩(wěn)定的持久塑性及熱強(qiáng)性能。在使用溫度低于620℃時(shí)，該鋼的許用應(yīng)力高于奧氏體不銹鋼。在427℃～704℃溫度范圍內(nèi)，其持久強(qiáng)度超過(guò)T9 和2-1/4Cr1Mo 鋼。在550℃以上該鋼推薦的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力約為T(mén)9 和2-1/4Cr1Mo 鋼的2 倍。此外，該鋼還具有優(yōu)良的導(dǎo)熱系數(shù)和較小的線膨脹系數(shù)。適用于作為鍋爐壁溫≤625℃的高溫過(guò)熱器、壁溫≤650℃的高溫再熱器以及壁溫≤600℃的鍋爐集箱和蒸汽管道等。

3 材料的焊接性能分析

SA335-P91 鋼已廣泛使用于國(guó)內(nèi)高參數(shù)、大容量機(jī)組的鍋爐受熱面、集箱、連接管道、四大管道等，因此其焊接性能的優(yōu)劣尤為重要，直接影響到機(jī)組的安全運(yùn)行。通常通過(guò)對(duì)材料碳當(dāng)量的計(jì)算來(lái)判斷材料的焊接性能：

根據(jù)碳當(dāng)量計(jì)算公式Ceq=[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]*100%

計(jì)算可得Ceq ≈2.19 ＞0.6%，碳當(dāng)量越高，鋼材的淬硬傾向越嚴(yán)重，熱影響區(qū)冷裂傾向越大，其焊接性能也就越差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，當(dāng)碳當(dāng)量小于0.4%時(shí)，鋼材的焊接性能良好，焊接前不需要對(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱；當(dāng)碳當(dāng)量為0.4%～0.6%時(shí)，鋼材的焊接性能稍差，焊接前需要對(duì)母材適當(dāng)預(yù)熱；當(dāng)碳當(dāng)量大于0.6%時(shí)，鋼材的焊接性能較差，焊接前需要比較高的溫度對(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱，不但要保證母材預(yù)熱溫度均勻，并且要嚴(yán)格控制焊接工藝措施，焊后緩冷并及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理，否則焊接接頭部位可能產(chǎn)生裂紋。此鋼種焊接性能較差，焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生冷裂紋和淬硬組織，焊前需預(yù)熱，焊接過(guò)程中需嚴(yán)格控制焊縫層間溫度，焊后需在馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)Mf 點(diǎn)（80℃～120℃）下恒溫2小時(shí)，然后進(jìn)行高溫回火處理[1]。

4 焊接工藝[2]

4.1 焊接方法選擇

焊接應(yīng)采用手工鎢極氬弧焊進(jìn)行打底焊接，采用手工焊條電弧焊進(jìn)行填充焊接及蓋面焊接。

4.2 坡口型式

采用綜合型坡口，采用機(jī)械方法加工，保證鈍邊尺寸和對(duì)口坡口間隙，保證根部焊接質(zhì)量。

4.3 焊接材料選擇

手工鎢極氬弧焊選用：TG-S9CB 焊絲，焊絲直徑為φ2.4mm，氬氣純度不低于99.9%

手工焊條電弧焊選用：E9018-B9 焊條，直徑為φ 3.2mm。

4.4 焊接準(zhǔn)備

4.4.1 焊前準(zhǔn)備

1.焊接作業(yè)必須免受惡劣天氣的影響，風(fēng)、雨天施焊必須采取可靠的遮擋措施，焊接場(chǎng)所的風(fēng)力應(yīng)符合以下規(guī)定：手工電弧焊風(fēng)速不大于 8m/s；氬弧焊風(fēng)速不大于2m/s；焊接現(xiàn)場(chǎng)允許的最低環(huán)境溫度為5℃；焊接場(chǎng)所附近保持干燥；夜間施工要有充足的照明；焊接現(xiàn)場(chǎng)要采取必要的防風(fēng)和防塵措施。

2.焊前將母材坡口內(nèi)外各20mm～30mm 范圍打磨干凈，至露出金屬光澤，確保沒(méi)有漆、銹、油、垢、水等有害物質(zhì)，坡口表面質(zhì)量級(jí)別需達(dá)到 NB/T47013-2015 標(biāo)準(zhǔn)要求中的滲透Ⅰ級(jí)。

3.對(duì)坡口內(nèi)進(jìn)行硬度（母材硬度控制范圍185HB～250HB）檢查，確認(rèn)將原焊縫的熱影響區(qū)清除干凈后方可進(jìn)行下一步操作。

4.焊接材料使用前應(yīng)根據(jù)批號(hào)對(duì)焊接材料的材質(zhì)進(jìn)行抽查確認(rèn)。

5.氬弧焊用焊絲表面不得有油、銹等污物。焊條電弧焊所使用的焊條，在焊接操作前必須經(jīng)過(guò)350℃～400℃烘干，恒溫1h～2h，使用時(shí)存放在120℃保溫筒內(nèi)，隨用隨取，保證焊條不能受潮。

6.檢查汽水系統(tǒng)閥門(mén)，應(yīng)全部關(guān)閉，確保管道內(nèi)沒(méi)有氣流影響焊接質(zhì)量。

7.氬氣室應(yīng)使用可溶紙，使用前須進(jìn)行溶水試驗(yàn)，溶水試驗(yàn)后可溶紙應(yīng)成絮狀。禁止將可溶紙團(tuán)緊塞進(jìn)管道內(nèi)?？扇芗堈郫B，將其放入管內(nèi)與管內(nèi)壁嚴(yán)密貼合，為確保充氬質(zhì)量，可溶紙應(yīng)加裝不少于兩層，做成密封氣室。

8.將待焊管點(diǎn)固，對(duì)口時(shí)應(yīng)做到內(nèi)壁齊平，其錯(cuò)口值不得超過(guò)管子壁厚的10%，且不大于1mm，坡口間隙3mm～4mm，點(diǎn)固所用的焊材以及焊接參數(shù)應(yīng)與正式施焊相同。對(duì)口時(shí)禁止強(qiáng)力對(duì)口，更不允許用熱膨脹方法對(duì)口，以防止引起附加的應(yīng)力。

4.4.2 焊前預(yù)熱

焊前預(yù)熱是預(yù)防馬氏體耐熱鋼出現(xiàn)冷裂紋的重要措施。較好的預(yù)熱可以有效減慢焊縫和熱影響區(qū)的冷卻速度，有效降低焊接淬硬組織發(fā)生的概率，有益于焊縫中氫氣的逸出，可以有效防止焊接裂紋的產(chǎn)生。由于SA335-P91 鋼的碳當(dāng)量較高，所以打底焊接時(shí)選擇預(yù)熱溫度為150℃～200℃，填充及蓋面焊接時(shí)預(yù)熱溫度為200℃～250℃，以250℃為宜。鑒于Y 型三通壁厚較厚且不規(guī)則，宜對(duì)三通進(jìn)行整體輔助加熱，以確保預(yù)熱溫度達(dá)到焊接要求。

1.焊接預(yù)熱及焊接過(guò)程的恒溫采用中頻感應(yīng)加熱方法與柔性陶瓷電阻加熱相配合的方式進(jìn)行。首先，將柔性陶瓷電阻加熱片固定在母材上，以焊縫為中心每側(cè)預(yù)熱加熱寬度不小于6 倍管道壁厚。其次，按照預(yù)熱寬度以焊縫為中心包裹保溫材料，保溫寬度每側(cè)比加熱寬度增加至少2 倍壁厚。最后，保溫后以焊縫為中心，在保溫層外側(cè)布置中頻感應(yīng)線圈，以焊縫為中心每側(cè)預(yù)熱加熱寬度不小于5 倍管道壁厚。采用中頻感應(yīng)加熱能夠使金屬工件在較短時(shí)間內(nèi)獲得溫度均勻的預(yù)熱效果，將中頻感應(yīng)加熱裝置啟動(dòng)進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱時(shí)，應(yīng)采用測(cè)溫槍測(cè)量坡口的溫度，并與熱處理數(shù)字顯示儀顯示的溫度比較，用來(lái)確定熱處理設(shè)備記錄數(shù)據(jù)與實(shí)際溫度的誤差值。預(yù)熱過(guò)程中應(yīng)考慮到此誤差值，并采取措施作相應(yīng)補(bǔ)償。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到設(shè)定的焊接預(yù)熱溫度后，將中頻感應(yīng)線圈斷電拆除，同時(shí)將柔性陶瓷電阻加熱器送電，用以維持焊接過(guò)程中的恒定溫度。

2.坡口邊緣至少應(yīng)布置2 支熱電偶，水平管道上下布置。熱電偶的布置應(yīng)盡量靠近坡口邊緣20mm～25mm。

3.預(yù)熱溫度：開(kāi)始GTAW 前預(yù)熱200℃，充分恒溫以確保焊接坡口處溫度達(dá)到工藝要求。

4.4.3 焊口消磁

將焊線按一定方向纏繞在母材上，利用直流電焊機(jī)對(duì)纏繞線圈通直流電，在管道外部施加一個(gè)反向磁場(chǎng)，通過(guò)調(diào)整線圈數(shù)量及電流大小來(lái)控制所形成的磁場(chǎng)大小，以達(dá)到消除母材磁性的目的。

使用回形針在坡口邊緣處檢查消磁的效果，必要時(shí)通過(guò)調(diào)整電流的大小或改變線圈的纏繞方向、纏繞圈數(shù)等，達(dá)到消磁的效果，待磁性消除后進(jìn)行打底層焊接。

4.5 焊接

4.5.1 焊接參數(shù)選擇

SA335-P91 鋼焊接時(shí)，應(yīng)采用較小的焊接線能量，采用多層多道焊，以減小焊接殘余應(yīng)力，減少焊接過(guò)熱區(qū)寬度，細(xì)化晶粒，提高焊縫金屬的抗裂性能。

4.5.2 焊接操作

SA335-P91 鋼的焊接，不但要嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)和層間溫度，而且焊工操作手法對(duì)焊接接頭質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。

1.氬弧焊打底焊。焊接時(shí)應(yīng)采用短弧焊接，使焊槍與焊縫垂直，保證氬氣對(duì)熔池的保護(hù)。焊槍和焊絲作橫向擺動(dòng)且兩邊稍作停留，保證坡口根部熔透。同時(shí)，必須控制好熔池溫度防止熔池溫度過(guò)高產(chǎn)生焊穿、焊瘤等缺陷。在接頭焊接時(shí)，要將弧坑打磨干凈，將弧坑處的收弧裂紋和氣孔等焊接缺陷清除，然后在母材坡口處引弧繼續(xù)焊接，打底焊層厚度應(yīng)不小于3mm。

2.焊條電弧焊填充焊。焊接時(shí)，要盡可能采取對(duì)稱施焊的方法；焊條垂直于焊縫并采用短弧施焊，采用較小的焊接線能量。如果焊接電弧過(guò)長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)電弧燃燒不穩(wěn)、熔深不足、熔化金屬飛濺大及合金元素?zé)龘p加劇等問(wèn)題，并且容易產(chǎn)生咬邊、未熔合等焊接缺陷，同時(shí)空氣中的N2、O2等有害氣體容易進(jìn)入熔池，在焊縫金屬中形成氣孔缺陷。焊接時(shí)焊條可作橫向擺動(dòng)，在坡口兩側(cè)稍作停留，收弧時(shí)，特別要注意把焊接電流衰減下來(lái)，填滿弧坑后移向坡口邊沿收弧，防止產(chǎn)生弧坑裂紋。每焊完一道應(yīng)徹底清理焊渣，若發(fā)現(xiàn)有氣孔等焊接缺陷時(shí)，用便攜式砂輪機(jī)將缺陷消除掉。每層焊道接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)10mm～15mm，同時(shí)注意盡量使焊道平滑過(guò)渡，運(yùn)條時(shí)應(yīng)注意焊條角度，便于清渣和避免出現(xiàn)“死角”，每層焊接完成后使用鋼鋸條或扁口鑿子對(duì)層間進(jìn)行清理。單層焊道寬度應(yīng)小于焊條焊芯的4 倍，單層焊道厚度應(yīng)小于焊條焊芯直徑。

3.焊條電弧焊蓋面焊。焊接電流較填充焊接電流適當(dāng)減小，保證合適的焊條角度，采用窄道焊接、運(yùn)條均勻，避免坡口邊緣產(chǎn)生咬邊缺陷。焊腳尺寸以控制在10mm～12mm 為宜，焊腳尺寸差小于2mm，避免在角焊縫中產(chǎn)生應(yīng)力集中。

4.焊接過(guò)程中，焊工要時(shí)刻注意母材預(yù)熱溫度、焊接層間溫度應(yīng)符合要求，焊道表露缺陷要及時(shí)消除。

5.焊接完成后檢查焊縫尺寸要滿足技術(shù)要求，并與母材圓滑過(guò)渡，不得有未熔合、咬邊等缺陷。

5 焊后熱處理[3]

SA335-P91 馬氏體耐熱鋼的焊接接頭，焊后需進(jìn)行高溫回火處理，從而消除或減少焊接接頭區(qū)域出現(xiàn)的淬硬組織，增加焊接接頭的塑性和韌性，減少焊接殘余應(yīng)力，同時(shí)有利于擴(kuò)散氫的逸出，減少冷裂紋產(chǎn)生。所以，焊接結(jié)束后經(jīng)低溫轉(zhuǎn)變后應(yīng)立即進(jìn)行高溫回火處理。如因特殊原因不能及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理工作，則應(yīng)進(jìn)行后熱處理。后熱處理工藝為：加熱溫度300℃～400℃，保溫2h～4h。后熱的加熱寬度應(yīng)不小于預(yù)熱時(shí)的加熱寬度。

5.1 熱電偶安裝

采用接觸法測(cè)溫，選用k 型熱電偶。熱處理時(shí)每個(gè)截面應(yīng)進(jìn)行分區(qū)控溫，垂直位置的管道焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，應(yīng)使用不少于2～3 支熱電偶，沿圓周均勻布置。其中1 支控溫?zé)犭娕疾贾糜诤缚p中心，其他監(jiān)測(cè)熱電偶布置于距焊縫邊緣1 倍壁厚處，且不小于50mm。

5.2 焊后熱處理

5.2.1 保溫寬度及材料的包扎

恒溫時(shí)焊縫測(cè)量截面在加熱范圍內(nèi)任意兩側(cè)點(diǎn)間的溫度差應(yīng)低于20℃；焊接完成經(jīng)低溫轉(zhuǎn)變完成后，采用中頻感應(yīng)加熱器的方法進(jìn)行加熱，將用于預(yù)熱用的加熱片拆除，然后包扎保溫。加熱寬度焊縫每側(cè)不小于160mm，保溫寬度每側(cè)為加熱寬度的2 倍。

5.2.2 焊后熱處理參數(shù)

焊后熱處理采用中頻感應(yīng)加熱器的方法，熱處理恒溫溫度為740℃～760℃。

1.升降溫速度。升溫速度=8000÷壁厚（℃/h）=8000÷53 ≈151℃/h（對(duì)于P91/T91 鋼，升降溫速度應(yīng)不大于150℃/h）。

降溫速度=6250÷壁厚（℃/h）=6250÷53≈118℃/h。

根據(jù)計(jì)算升溫速度確定為不大于150℃/h（升溫時(shí)，溫度在300℃以下可不控制升溫速度）；降溫速度不大于117℃/h，溫度降至300℃以下可斷電讓其在靜止空氣中自然冷卻。

2.恒溫時(shí)間。對(duì)高合金鋼，宜恒溫時(shí)間按3～5min/mm 計(jì)算,最少60min，采用感應(yīng)加熱時(shí)取值宜偏于以上計(jì)算的下限：恒溫時(shí)間=3×壁厚min=3×53min=159min。

6 焊接檢驗(yàn)

焊接質(zhì)量的檢查和檢驗(yàn)實(shí)行三級(jí)檢查驗(yàn)收制度，采用焊工自檢與專(zhuān)業(yè)檢驗(yàn)項(xiàng)結(jié)合的方法。焊接完成后，焊工應(yīng)根據(jù)圖紙要求對(duì)焊接部件進(jìn)行宏觀的尺寸檢查和焊縫表面成型檢查。待熱處理工作完成24 小時(shí)后，進(jìn)行最終尺寸檢查。由專(zhuān)人對(duì)焊縫材質(zhì)進(jìn)行光譜分析，并對(duì)焊接接頭范圍進(jìn)行硬度、超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、金相檢驗(yàn)。

對(duì)于存在超標(biāo)缺陷的焊接接頭，應(yīng)查明焊接接頭不合格的產(chǎn)生原因，進(jìn)行原因分析的同時(shí)提出返修措施，表露的缺陷可以采用機(jī)械打磨的方法消除。需要補(bǔ)焊消除的缺陷，可以采用挖補(bǔ)的方法，用機(jī)械法挖除缺陷，然后補(bǔ)焊，并重新進(jìn)行熱處理。挖補(bǔ)處理不應(yīng)超過(guò)兩次，返修后的焊接接頭還應(yīng)按照原檢驗(yàn)方法重新進(jìn)行檢驗(yàn)。

對(duì)于經(jīng)硬度檢驗(yàn)或金相檢驗(yàn)不合格的焊接接頭，經(jīng)分析為熱處理工藝控制不當(dāng)造成應(yīng)重新熱處理。因加熱溫度過(guò)高導(dǎo)致焊接接頭過(guò)熱或因焊接工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致焊接接頭硬度過(guò)高，應(yīng)割掉重新進(jìn)行焊接。

對(duì)于經(jīng)光譜分析不合格的焊縫，應(yīng)重新確認(rèn)焊接材料，并割除重新焊接。

7 結(jié)論

通過(guò)嚴(yán)格控制SA335-P91鋼的焊接及熱處理工藝，順利完成了缺陷部位的返修工作，并獲得了較好的焊接接頭質(zhì)量。同時(shí)建議在設(shè)計(jì)此類(lèi)三通時(shí)，應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)施工的難易程度，將焊接接頭與三通本身保留一定距離，滿足現(xiàn)焊接熱處理要求。