陶勇剑
广东拓奇电力技术发展有限公司 510663
摘要：600MW或1000MW火力发电厂中，由于锅炉内不同部件位置温度压力区别较大，为保证安全、经济实用设计时不同温度压力段经常选用不同种钢，其中在高温再热器或过热器等部件中往往存在TP347H/T91异种钢接头焊接。这样就遇到了奥氏体热强钢和马氏体耐热钢异种钢焊接的问题。本文结合福建宁德电厂600 MW机组检修的工程实例，采用ERNiCr-3焊丝焊接，对#1炉屏式过热器局部（SA213-TP347H∕SA213-T91）进行焊接，焊接完成后不进行焊后热处理，焊后经100％射线检验一次合格率98.33％。实践证明SA213-TP347H∕SA213-T91异种钢焊接，采用镍基焊材（ERNiCr-3）作填充材料全氩弧焊的工艺是可行的，可为同类工程提供一定借鉴价值。
关键词：异种钢焊接；可焊性；焊材选用；焊接工艺质量过程控制
前言
福建宁德电厂#1炉为上海锅炉制造厂生产，其部件中屏式过热器设计温度为568℃，设计工作压力为26.8MPa。屏式过热器共计45屏，每屏26根管其中中间存在SA213-TP347H∕SA213-T91异种钢焊口对接，管径规格Φ38×6.5mm。2013年宁德电厂#1炉大修期间对屏过U型弯上直管段测厚时发现吹损减薄后管子厚度低于规定厚度，根据现场的情况对每屏内圈与外圈第一根管换管处理直管段进行跟换处理，焊口数为180个；管屏与管屏之间距离为400mm，每根管之间也是在10mm左右。基于用电比较紧张状态下，业主对这次改造检修时间控制得很紧，焊接接头和焊接位置都比较特殊，为保证按期完成大修工作量。开工前我们对这次换管的两种材质，焊材选择和焊接位置进行了分析并制定一套焊接工艺方案，完工后证实是行之有效的。
一、SA213-TP347H∕SA213-T91焊接性能、化学成分
1.SA213-TP347H钢是日本生产管材，属超低氢型用铌稳定的铬镍奥氏体热强钢。其铬、镍含量较高，具有较高的热强性和抗晶间腐蚀性能、组织稳定、抗氧化性能好，化学成分见表1。
2.SA213-T91是美国国家橡树岭实验室和美国燃料工程公司冶金材料实验室合作研制，是在9Cr-1Mo钢基础上加入微量钒、铌、钛等合金元素同时有意识的降低碳元素上形成行成的，钢材中各合金元素的加入提高了其固溶强化、弥散强化、抗氧化性、抗腐蚀性的性能，化学成分见表1。
二、奥氏体∕马氏体异种钢焊接存在的主要问题及分析
奥氏体＋马体异种钢焊接，由于两种不同成分、不同晶体结构的金属互相掺合，在其熔合线附近出现了化学成分、金相组织、机械性能和物理性能的不
均匀性，由于这些不均匀性的存在，给接头的使用安全性带来了很大不利。奥氏体＋马氏体钢焊接时，存在的主要问题有以下几点：
1.焊缝熔合区存在一个脆性交界层
焊接过程中，由于焊缝金属与马氏体母材金属成分相差很大，马氏体母材金属对焊缝金属的“稀释”作用，在焊缝熔合区存在明显的浓度梯度，与焊缝中心区相比，Cr，Ni含量越靠近熔合线越少。当Ni含量降低至一定值时，会使焊缝熔合区的奥氏体形成元素不足，而形成熔合区脆性交界层，它的存在严重降低了接头的冲击韧性，使接头的脆性增加，塑性下降。
2.焊缝交界面的碳迁移
碳迁移主要发生在马氏体母材与奥氏体焊缝金属的交界面上。之所以发生碳迁移现象，是因为焊缝金属含有较多的碳化物形成元素，由于合金元素含量高，给碳扩散提供了有利条件。而且在任何温度下，碳在α－Fe中的扩散能力比在γ－Fe中大得多，因此，碳趋向于由马氏体钢向奥氏体钢中扩散迁移，因而在焊缝交界面附近会形成一个薄薄的增碳层和脱碳层，这在金相显微镜下难以看出。但随着焊后加热温度的提高和加热时间的延长，增碳层和脱碳层增宽，这是产生热疲劳裂纹的诱导因素，为抑制碳扩散，应选用镍含量高的焊条（焊丝）作填充材料。
3.焊缝交界面上的热应力
由于奥氏体钢和马氏体焊缝金属线膨胀系数差别很大，在奥氏体钢与马氏体焊缝界面附近会出现明显的热应力，而且焊后回火也不能消除，只能引起应力的重新分配。这种高温应力也是造成界面破坏的主要原因。
为减少因膨胀差引起的热应力，应选用合适的焊接材料，使焊缝金属的线膨胀系数与奥氏体母材相近，使热应力集中在塑性变形能力强的奥氏体钢母材上，应使焊接接头尽量避免温度停留过长时间。
4.焊缝金属的热裂纹
用镍基合金焊丝作填充材料时，焊缝金属易形成方向性很强的柱状组织—奥氏体，柱状奥氏体有利于杂质元素的偏析。同时，合金元素在奥氏体中的溶解度有限，会与Ni，Fe生成低熔点共晶体分布于晶界，形成液态间膜。在焊接应力作用下易产生热裂纹。为防止焊缝产生热裂纹，选择正确焊接材料，焊接时应采用较小的线能量，不预热、不摆动、快速焊，以加快焊缝的冷却速度，同时避免强制对口。
三、焊前准备
1.屏式过热器进出口联箱共45排，每排2根；坡口采用机械加工。钨极氩弧焊对油漆、油污、铁锈和脏物产生气孔等缺陷很敏感，焊前清理要用角向磨光机打磨坡口表面内、外各15～20mm范围内直至露出金属光泽。
2.对口间隙要求稍微偏大，控制在2～3mm，钝边尽量控制在1mm或不留钝边，内壁错口不得超过1mm。
3.焊前先把上下管子内径每侧各250mm处用水溶性纸或木浆性纸堵成密封气室。用对口钳夹着上下管子直至内壁整齐和间隙合适进行充氩气，以防氩气从坡口流失，点焊跟正式施焊一样，严格按工艺卡执行。
四、焊接工艺
1.焊接方法：钨极氩弧焊（GTAW），焊接位置垂直固定（2G），焊接工艺参数见表2。
2.焊接材料：焊丝选用ERNiCr-3镍基焊丝，直径Φ2.4mm。保护气体：氩气纯度≧99.99﹪。焊机：同诚逆变焊机，氩弧焊抢气冷式、角度75°。
五、焊接操作过程
1.本焊接接头按工艺卡执行不需预热，打底层焊接时，管子内部必须形成冲氩保护后方可进行，冲气流量控制在10～15L/min。
2.由于管屏之间距离比较小，焊工只能站在管屏侧面操作焊接，打底焊采用内加丝法，收弧时温度控制低点（170℃以下），往坡口边收弧和多加点焊丝。焊工要注意焊接收弧时视线受阻碍产生熔池未填满从而产生缩孔和弧坑裂纹、根部缩孔。
3.第一层氩弧焊打底完，充气小孔先不要封上；焊第二层第一道焊缝继续充气保护，为保证焊缝根部不烧焦（氧化）有必要再充气保护。
4.这次换管焊接位置困难、管壁薄、直径小，不锈钢焊接时表面产生一层薄薄的氧化膜和铁水的流动性差；如果焊接工艺的操作方法稍微不当，温度过高都很容易造成根部烧焦（氧化），缩孔、未焊透等缺陷。在焊接过程中尽量利用短弧焊、不摆动、快速焊、小的线能量，送丝角度尽可能顺着工件角度，避免每个接头布置在一起。
5.注意首个焊口打底起弧根部充氩气保护和收弧，氩气是隋性气体，密度比空气大是往下沉的，尽量充一分钟左右尽量排出空气后起弧开始焊接，否则起弧后前面的几个熔池很容易造成氧化甚至烧焦。收弧温度也极易过高、造成收弧未填满，且不锈钢热胀冷缩快易产生收弧缩孔和裂纹。
六、质量情况
1.严格履行三级验收制度，检验标准按DL/T869-2004《火力发电厂焊接技术规程》的要求。外观检验经单位专业质量二级验收，业主专业过程监督检查和质量三级验收没发现有超标缺陷，均为合格。
2.180个焊口委托业主金属室进行100％射线检验，总体检验结果一次合格率98.33％以上。
七、结 论
（1）SA213-TP347H∕SA213-T91异种钢焊接，选用镍基焊材（ERNiCr-3）做填充材料，可采用焊后不做热处理的焊接工艺。因为其含镍量高，在焊接熔合比较大时，均能保证焊缝为奥氏体组织，具有很强的适应性；另外线膨胀系数接近母材，可较大地降低焊缝界面热应力；还可以阻止碳扩散迁移，使T91侧不易形成脱碳层，有利于提高接头的高温性能。
（2）在现役600MW与1000MW机组中异种钢接头因为物理性能和化学性能不同而带来的焊接问题比较常见，只要我们了解其性能，选择适合的焊材和焊接工艺，减少热量输出控制焊缝融合就可以获得合格的焊接接头。从而在电厂检修、维护及安装过程中做到保质保量的顺利完成焊接工作。
（3）此次焊接接头经业主、监理三级验收和射线（RT）检验的总体结果证明，焊口一次合格率在98.33％以上，焊口质量优良、同时也保证工作按期完成。以上SA213-TP347H∕SA213-T91异种钢焊接存在的难度分析后制定的施工方案及现场的质量控制措施是成功的，可为同类工程提供一定借鉴价值。
参考文献：
[1]火力发电厂焊接技术规程.DL/T869-2012
[2]电力建设施工质量验收及评价规程第7部分：焊接篇 DL/T5210.7-2010-2012
[3]火力发电厂金属技术监督规程.DL/T438-2009
论文作者:陶勇剑
论文发表刊物:《基层建设》2015年3期供稿
论文发表时间:2015/9/9
标签：奥氏体论文; 金属论文; 异种论文; 焊丝论文; 裂纹论文; 缩孔论文; 合金论文; 《基层建设》2015年3期供稿论文;