F91閥體材料的焊接工藝研究

楊石東

（上海希希埃動力控制設(shè)備有限公司，上海 200090）

0 概 述

隨著發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，600MW以上的超臨界、超超臨界機(jī)組已經(jīng)成為主力機(jī)組。發(fā)電機(jī)組啟停時，旁路閥門在控制蒸汽壓力、保護(hù)再熱器安全等方面發(fā)揮著重要作用。國內(nèi)首個660MW超臨界汽輪機(jī)旁路閥門已研制成功，該旁路閥門采用了F91鍛件作為閥體材料。

1 材料性能

對9Cr1Mo鋼進(jìn)行改良后所得的新穎材料即為F91材料，在常溫或610℃以下工況時，F(xiàn)91具有優(yōu)良的力學(xué)性能，該材料還有良好的加工工藝性能。在高溫工況下，F(xiàn)91的晶體組織相對穩(wěn)定，具有較高的持久強(qiáng)度和高溫蠕變強(qiáng)度。F91鋼屬于馬氏體合金耐熱鋼，正火狀態(tài)下為馬氏體，回火狀態(tài)下為貝氏體＋鐵素體，材料中含有少量的Nb、V等合金元素，可使材料的晶體組織細(xì)化，提高了材料的強(qiáng)度及韌性。F91的化學(xué)成分，如表1所示。材料的力學(xué)性能指標(biāo)，如表2所示。

表1 材料的化學(xué)成分 （%）

表2 材料的力學(xué)性能指標(biāo)

碳當(dāng)量計(jì)算法是一種根據(jù)合金元素的含量評定材料冷裂紋敏感性的方法。根據(jù)國際焊接學(xué)會（IIW）推薦的公式，F(xiàn)91的碳當(dāng)量為：

計(jì)算得Ceq值為2.13%，遠(yuǎn)大于0.6%，可見F91材料具有較大的淬硬傾向，因此該材料的可焊性差。F91材料在正火及焊接狀態(tài)下極易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，焊后易出現(xiàn)裂紋、晶粒不均勻、塑性下降等問題。焊接F91材料時，應(yīng)采用較高的預(yù)熱溫度，及時進(jìn)行焊后熱處理，并需采取嚴(yán)格的工藝措施，才能避開形成馬氏體及轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域，獲得鐵素體＋貝氏體組織，防止材料冷裂紋的產(chǎn)生。

2 閥體焊接接頭

旁路閥門應(yīng)用于超臨界汽輪機(jī)機(jī)組，承受高溫高壓，所以對閥體焊縫的焊接質(zhì)量要求高。在閥體與組件焊接結(jié)構(gòu)中，閥體與進(jìn)口管的連接焊縫是較重要的焊縫。設(shè)計(jì)時，采用了全焊透對接焊縫形式，焊后要求進(jìn)行100%射線探傷檢查。閥體焊接接頭形式，如圖1所示。閥體焊接的難點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，不易實(shí)現(xiàn)自動化施焊，只能采用手工電弧焊施焊，不易控制焊縫的背面成形，焊縫的質(zhì)量難以保證。

圖1 閥體焊接結(jié)構(gòu)簡圖

3 焊接工藝評定

閥體是承載高溫高壓特種設(shè)備的受壓元件，其焊接接頭所用的焊接工藝，必須需按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行焊接工藝評定，評定合格后方可使用。工藝評定后確定的焊接參數(shù)，可作為編寫焊接工藝規(guī)程的依據(jù)。

3.1 焊接接頭

為獲得性能合格的焊接接頭，同時也為了適應(yīng)閥體的焊接結(jié)構(gòu)，焊接評定采用了對接焊縫形式，并選用厚38mm的F91鍛件作為焊接工藝評定所用的母材，保證可覆蓋閥體需要的焊接厚度和焊縫形式。焊接工藝評定選用的焊接接頭形式，如圖2所示。

圖2 焊接接頭形式

3.2 焊接材料

根據(jù)化學(xué)成份相近、等強(qiáng)度匹配原則，TIG焊選用ER90S－B9焊絲，焊條電弧焊采用E9015－B9焊條。焊材的化學(xué)成分，如表3所示。焊材的力學(xué)性能參數(shù)，如表4所示。

表3 焊材化學(xué)成分 （%）

表4 焊材力學(xué)性能

3.3 預(yù)熱及焊后熱處理

為防止焊后產(chǎn)生冷裂紋，對F91材料的焊接，需采用較高的預(yù)熱溫度，焊后進(jìn)行去應(yīng)力退火處理。在焊接工藝評定時，選用的最低預(yù)熱溫度不小于200℃，最大層間溫度不大于300℃。焊后熱處理的加熱速度和降溫速度，按標(biāo)準(zhǔn)要求不得超過150℃／h。焊后熱處理時的保溫溫度為760±15℃，保溫時間不少于4h。通過熱處理消除焊縫的焊接應(yīng)力，使材料的晶粒均勻化。焊接工藝評定時所選的焊后熱處理工藝，如圖3所示。

圖3 焊后熱處理工藝圖

焊接F91閥體時，應(yīng)利用遠(yuǎn)紅外溫控儀進(jìn)行溫度測定，嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度、層間溫度。F91鍛件的焊后熱處理是閥體加工工藝中的重要環(huán)節(jié)，拼接焊縫的韌性與焊后熱處理狀態(tài)密切相關(guān)。焊后熱處理對降低焊接接頭的殘余應(yīng)力，改善焊縫金屬的組織與性能，對焊縫金屬的最終質(zhì)量起決定性作用。

3.4 焊接工藝參數(shù)

焊接工藝評定時，采用了氬弧焊打底焊，為保證背面焊縫不被氧化，在焊縫背面充氬氣進(jìn)行保護(hù)，氬氣流量15～20L／min。氬弧焊后，采用手工電弧焊填充和蓋面的焊接方式，焊接工藝參數(shù)，如表5所示。

3.5 理化試驗(yàn)及評定結(jié)果

根據(jù)ASME IX和NB／T47014標(biāo)準(zhǔn)中的要求，對工藝評定試件進(jìn)行理化試驗(yàn)，取2個拉伸試樣，4個側(cè)彎試樣。經(jīng)試驗(yàn)測定，焊接工藝評定合格。拉伸試驗(yàn)的結(jié)果，如表6所示。側(cè)彎試驗(yàn)的結(jié)果，如表7所示。

4 焊接工藝實(shí)施

閥體與進(jìn)口管的焊縫不易實(shí)現(xiàn)自動焊接，主要采用手工焊條電弧焊進(jìn)行焊接。為確保焊接質(zhì)量，常使用背面鏜焊根的方式清理焊根。

表5 F91鍛件焊接評定工藝參數(shù)

表6 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表7 側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果

4.1 焊前準(zhǔn)備

（1）為保證焊條處于低氫狀態(tài)，防止冷裂紋的產(chǎn)生，焊條必須在350～400℃下經(jīng)過1h的烘干處理。施焊前，需放在80～120℃的保溫筒內(nèi)，隨取隨用。

（2）焊前，必須嚴(yán)格清理坡口及兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等雜質(zhì)，直至露出金屬光澤，防止焊接時產(chǎn)生氣孔和裂紋。

（3）檢查氣路是否暢通，焊機(jī)設(shè)備及附件應(yīng)處于良好狀態(tài)。

4.2 焊接工藝過程

4.2.1 焊接工序

閥體與進(jìn)口管的裝焊工序：擺搭裝配→預(yù)熱→施焊（SMAW）→焊后消氫處理→外觀檢查→去應(yīng)力退火→鏜焊根→射線探傷。

4.2.2 工藝過程要求

（1）預(yù)熱后，用手工電弧焊進(jìn)行施焊，采用小規(guī)范參數(shù)進(jìn)行焊接，用?4.0mm焊條焊接第一層，隨后可用?5.0mm焊條施焊。

（2）焊接過程中，注意起弧和收弧的位置，收弧時電弧衰減，盡量減小弧坑。焊接下一道焊層時，將接頭處打磨成坡口狀。再次起弧時，應(yīng)進(jìn)行充分熔合，防止裂紋的產(chǎn)生。

（3）采用多層多道焊，層間溫度控制在200～300℃，必要時，可用遠(yuǎn)紅外測溫儀進(jìn)行測溫。

（4）連續(xù)施焊直至焊妥，盡量不要中斷焊接。中斷焊接或焊接結(jié)束后，應(yīng)立即進(jìn)行350℃保溫2h的消氫處理。消氫處理前，焊縫區(qū)域溫度不得低于120℃。

（5）若在熱處理升溫過程中斷電，則應(yīng)重新啟動，按設(shè)定的升溫速度進(jìn)行熱處理。恒溫時斷電，在重新啟動時，若溫度在380℃以上，可按設(shè)定溫度繼續(xù)升溫?zé)崽幚恚魷囟纫呀抵?80℃以下，則應(yīng)重新進(jìn)行熱處理。在熱處理過程中出現(xiàn)異常情況后，必須進(jìn)行硬度檢測。升溫和降溫速度應(yīng)≤150℃／h。

（6）焊接過程中，需嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度及層間溫度，不能超過Ms點(diǎn)。焊接采用小的熱輸入，多層多道焊，避免應(yīng)力集中。

（7）焊后熱處理時，嚴(yán)格控制升溫和降溫速度，并確保電源不間斷。

4.3 施焊難點(diǎn)及措施

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的閥體焊接接頭形式，要獲得合格的焊縫，只能采用單面焊雙面成形的焊接方式，施焊的難度較大，也不易控制焊接質(zhì)量。為降低施焊難度，進(jìn)行工藝加工時，對焊接接頭進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，改進(jìn)后的焊接接頭形式，如圖4所示。在機(jī)加工時，預(yù)先在余量中加工了焊接襯墊，待焊妥后，采用機(jī)加工去除背面焊根和襯墊，實(shí)現(xiàn)焊縫的背面清根，改善了焊縫背面成形，大大提高了產(chǎn)品焊縫質(zhì)量，保證了焊縫射線探傷合格率。

圖4 改進(jìn)后焊接接頭（帶襯墊）

4.4 檢驗(yàn)要求

（1）外觀檢查

在每道或者每層焊縫焊完后，要求進(jìn)行100%的目視檢查，如發(fā)現(xiàn)有缺陷，應(yīng)及時清除，絕不允許不合格的焊縫進(jìn)入下道工序。

（2）射線探傷

熱處理完成后，再進(jìn)行鏜焊根加工，然后對焊縫進(jìn)行100%射線探傷，不合格焊縫的返修次數(shù)及熱處理次數(shù)，不得超過2次。在全過程的質(zhì)量控制中，最好不要產(chǎn)生超標(biāo)的缺陷。

5 結(jié) 語

（1）通過分析可知，F(xiàn)91鍛件焊接時，需考慮的問題是防止在焊接及熱處理過程中馬氏體化及晶粒粗大，防止產(chǎn)生冷裂紋及材料的韌性下降。

（2）通過焊接試驗(yàn)，采用小參數(shù)多層多道焊接方式，保證了材料晶粒的細(xì)化。同時，需控制升溫和降溫速度，控制層間溫度并延長熱處理保溫時間，可確保焊縫具有較好的沖擊韌性。

（3）按照標(biāo)準(zhǔn)中的要求進(jìn)行了焊接工藝評定，嚴(yán)格控制施焊過程。同時，還在閥體與進(jìn)口管的連接形式中，設(shè)計(jì)了焊接襯墊，利用機(jī)加工進(jìn)行背面清根，降低了施焊難度，提高了焊縫的背面質(zhì)量。國內(nèi)首個660MW超臨界汽輪機(jī)旁路閥門已制造完成，產(chǎn)品質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，開啟了國內(nèi)汽輪機(jī)旁路閥門制造的新篇章。