蒸汽發(fā)生器入口錐殼與筒體異種鋼焊接工藝的確定

王傳志 劉玉華

1.概述

我公司為某化工有限公司制造的設(shè)備中有一臺(tái)蒸汽發(fā)生器，主體殼程、管程筒體材料為Q345R，管箱入口錐殼材料為S32168。由于管箱入口介質(zhì)溫度為610℃，管箱入口端內(nèi)壁和管板表面采用隔熱襯里加S31008襯里護(hù)板的形式。此設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.焊接工藝的確定

一般情況下，S32168與Q345R 焊接大多采用A302焊條，因?yàn)椴捎肁302焊條施焊后，在焊縫金屬中有一定量的鐵素體組織，提高抗裂性。采用A402焊條，焊縫組織為單相奧氏體，其熱裂傾向較大。

眾所周知，珠光體鋼與奧氏體不銹鋼焊接時(shí)，在緊靠珠光體鋼一側(cè)熔合線的焊縫金屬中，會(huì)形成和焊縫金屬內(nèi)部成分不同的過渡層。離熔合線越近，珠光體的稀釋作用越強(qiáng)烈，過渡層中含鉻、鎳量也越少，因此，其鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量也相應(yīng)減少。過渡層由馬氏體和奧氏體+馬氏體組成，過渡層的寬度取決于所用焊條的類型。A402（25-20）由于鉻、鎳含量比A302（18-8）焊條高，所以過渡層要小得多。當(dāng)馬氏體過渡層較寬時(shí)，一方面會(huì)顯著降低焊接接頭的韌性，使用過程中容易出現(xiàn)局部脆性破壞；另一方面，由奧氏體不銹鋼和珠光體鋼組成的焊接接頭中，珠光體鋼的含碳量較高，但合金元素含量較少（主要指碳化物形成元素），而奧氏體不銹鋼則相反，這樣在熔合區(qū)珠光體鋼一側(cè)形成碳和碳化物形成元素濃度差。當(dāng)接頭在300～400℃溫度下長期工作時(shí)，熔合區(qū)便出現(xiàn)明顯的碳擴(kuò)散，即碳從珠光體鋼通過熔合區(qū)向奧氏體焊縫擴(kuò)散。其結(jié)果：在靠近熔合區(qū)的珠光體母材金屬上因形成了脫碳層而軟化，在奧氏體焊縫一側(cè)因產(chǎn)生了與脫碳層相對(duì)應(yīng)的增碳層而硬化。由于兩側(cè)性能相差懸殊，接頭受力時(shí)可能引起應(yīng)變集中，降低了接頭的高溫持久強(qiáng)度和塑性。為解決碳擴(kuò)散和遷移問題，除了盡量降低加熱溫度并縮短高溫停留時(shí)間，在珠光體鋼中增加碳化物形成元素，最有效的方法就是提高奧氏體焊縫的含鎳量，利用鎳的石墨化作用阻礙形成碳化物，縮小擴(kuò)散層。

表1 蒸汽發(fā)生器技術(shù)參數(shù)

圖1 設(shè)備簡圖

綜上所述，本設(shè)備管箱入口溫度較高，為保證設(shè)備長時(shí)間在較高溫度下正常使用，應(yīng)選擇含鎳量較高的焊接材料。鎳基焊材是最好的選擇，但是由于本設(shè)備直徑3m，板厚30mm，如果選擇鎳基焊材會(huì)大大提高成本，所以我們選擇鎳含量較高的A402焊條。

由于A402 焊條的焊縫組織為單相奧氏體，增加了熱裂傾向，所以為保證焊接質(zhì)量和設(shè)備使用壽命，我們采用先在Q345R側(cè)使用A402焊條堆焊6mm的堆焊層，然后再進(jìn)行管箱錐殼S32168與管箱筒體Q345R環(huán)焊縫的焊接工藝。在施焊過程中應(yīng)盡量減少熱量的輸入，采用小的熱輸入，快速直道的多層多道焊，并嚴(yán)格控制較低的層間溫度。A402焊條化學(xué)成分如表2所示。

3.焊接工藝過程

在制定上述焊接工藝方案后，我們進(jìn)行了設(shè)備管箱錐殼S32168與管箱筒體Q345R環(huán)焊縫的焊接。首先在Q345R側(cè)筒體坡口面上堆焊A402，堆焊厚度6mm。焊縫坡口形式如圖2所示，焊接參數(shù)如表3所示。

圖2 焊縫坡口形式

堆焊后進(jìn)行100%著色檢測，合格。然后進(jìn)行環(huán)焊縫的對(duì)接焊。由于設(shè)備直徑較大，我們把管箱筒體與錐體豎立，管箱筒體與錐體環(huán)焊縫位于橫焊位置。焊接中發(fā)現(xiàn)幾乎每個(gè)弧坑都有裂紋，而在Q345R側(cè)堆焊時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。分析其原因：在坡口面上堆焊是自由狀態(tài)，沒有拘束力，而環(huán)焊縫對(duì)接焊縫焊時(shí)兩筒體會(huì)有較大的拘束力，為此我們采取每根焊條收弧時(shí)引到坡口面上再收弧，并且對(duì)每個(gè)收弧處打磨后再進(jìn)行焊接的方法，焊縫表面看不到裂紋。由于板厚較厚，焊接10mm后進(jìn)行了一次射線檢測，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的片子中都有裂紋。于是，我們對(duì)照檢測片子采用小直徑焊條、小電流進(jìn)行返修，但幾乎每個(gè)收弧處都出現(xiàn)裂紋。我們對(duì)所有收弧處進(jìn)行打磨，無裂紋后再進(jìn)行焊接。但通過射線檢測發(fā)現(xiàn)，收弧的地方雖然已經(jīng)打磨干凈，表面已經(jīng)沒有裂紋，但射線檢測還是有裂紋，說明不僅僅收弧處存在裂紋。分析其原因：由于A402焊條焊縫組織是單相奧氏體，熱裂傾向嚴(yán)重，再加上本設(shè)備直徑大，板厚較厚，又是錐體和筒體異種鋼的焊接，拘束應(yīng)力較大，所以焊接熱裂紋是不可避免的。為了保證焊接質(zhì)量，我們查閱有關(guān)資料：在鉻和鎳含量＞20%的高鉻鎳耐熱鋼中，為獲得良好的抗裂性高的純奧氏體組織，可選用含錳量5%～8%的焊接填充材料。因?yàn)殄i在熔池中具有脫硫作用，可以大大減少硫的有害作用，最終確定專供A402焊條的化學(xué)成分如表4所示。

表2 A402焊條的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 焊接參數(shù)

表4 專供A402焊條的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

在清除裂紋后，我們使用專供A402焊條進(jìn)行了焊接，確實(shí)大大減少了焊接熱裂紋的產(chǎn)生。焊接完成后進(jìn)行射線檢測，幾乎沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，但是卻發(fā)現(xiàn)有許多夾渣，尤其是筒體與錐體焊接最上面的一道焊縫。我們使用焊條在平板上進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)專供A402焊條與原A402焊條相比，在相同焊接參數(shù)下，焊條的鋪展性或者稱與母材的浸潤性有所下降，形成凸焊道而提高了抗裂性。但由于焊道鋪不開，在下一道焊接時(shí)，有可能在上一道焊道的邊緣出現(xiàn)夾渣，尤其在橫焊位置的焊道上邊緣。查找到原因后，我們把筒體平放到轉(zhuǎn)臺(tái)上，每焊完一道，用砂輪把邊緣打磨后再焊接下一道焊縫，焊接完成后進(jìn)行射線檢測，檢測結(jié)果合格。

4.結(jié)語

（1）采用A402焊條焊接中厚板異種鋼，焊接熱裂傾向非常嚴(yán)重，尤其具有較大拘束應(yīng)力情況下，為提高焊縫金屬的抗裂性能可以采用ωMn=5%～8%的A402焊條。

（2）采用含錳量較高的A402焊條要注意盡量采用平焊位置。對(duì)搭接焊道，焊接前應(yīng)打磨焊道邊緣后再焊接下一道焊縫。