超臨界鍋爐TP347HFG的焊接性能及焊接工藝初探

殷 智,殷守斌（.山東電力工程咨詢院有限公司,濟南 5000； .山東省菏澤市供電公司,山東 菏澤 74000）

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超臨界鍋爐TP347HFG的焊接性能及焊接工藝初探

殷 智1,殷守斌2
（1.山東電力工程咨詢院有限公司,濟南 250100； 2.山東省菏澤市供電公司,山東 菏澤 274000）

摘 要：文中對TP347HFG鋼的焊接性能進行了分析，明確了其常見的焊接缺陷，選擇鎳基焊材ERNiCr-3和匹配焊材ER347進行焊接，并探索出了相應的焊接工藝，主要包括：坡口打磨、對口間隙控制、根部充氬保護、層間溫度控制等措施，有效防止了焊接缺陷的產生，取得了良好效果，為從事發電廠類似焊接項目的工程技術人員提供了參考。

關鍵詞：TP347HFG鋼；焊絲ERNiCr-3；焊絲ER347；沖氬保護

0 引言

TP347HFG是日本住友公司針對TP347H存在的煙汽側管子在熱循環作用下會產生氧化層剝落、進而在彎管處產生阻塞導致過熱的問題及失效和剝落的氧化物會被帶入汽輪機，使汽輪機產生嚴重的侵蝕的問題進行了改進，采用與TP347H不同的加工制造、熱處理工藝，利用微細的鈮碳化物（NbC）的溶解和沉淀機理，采用新的、較高的固溶處理溫度使得TP347H的晶粒大大的細化。從而使該鋼室溫、高溫力學性能與TP347H基本相同，而持久強度比ASME規范的規定值高約20%，比常規的TP347H鋼管有更優良的可焊性及焊接接頭的抗疲勞性，且抗晶間腐蝕性能明顯提高、組織穩定性和抗氧化及剝離性能也得到顯著的改善，總之其綜合性能明顯優于TP347H。

山西河曲發電廠2×350MW超臨界鍋爐高溫過熱器和高溫再熱器管屏廣泛選用TP347HFG鋼。

1 TP347HFG的焊接性分析

TP347HFG屬于典型的奧氏體不銹鋼，其有優良的熔化焊接特性，焊接形成的接頭在不進行任何熱處理的情況下具有良好的塑性和韌性，因此TP347HFG無冷裂傾向，焊前不需要預熱。但奧氏體鋼的熔點低、熱導系數小、受熱時膨漲系數大，焊接時在高溫熔池的影響下，容易在焊縫中形成粗大的鑄態組織，并產生較大的應力和變形等，因而應注意控制焊接熱輸入和層間溫度。如果焊材選擇或焊接工藝不合理，極易形成根部氧化、熱裂紋、高溫脆性裂紋等缺陷。

1.1 根部氧化

TP347HFG鋼Cr的質量分數大于17%及合金總質量分數高達30%以上，現場焊接施工時如果不對根部焊縫進行較好的充氬保護，高溫的液態金屬與空氣中的氧氣接觸很容易使其中的合金元素燒損氧化，使焊縫根部產生過燒組織。

1.2 熱裂紋

熱裂紋根據形成的時機不同分為液化裂紋和結晶裂紋。焊接時的近縫區或多層間部位在焊接熱循環的作用下金屬重新熔化，在焊接熱應力的拉伸作用下沿奧氏體晶界開裂時形成的裂紋，稱為液化裂紋。結晶裂紋是焊接時高溫熔池附近的熔融金屬在凝固結晶時，在收縮拉應力的作用下，殘留在凝固晶粒間的液態薄膜發生開裂，而附近又沒有足夠的液態金屬對裂紋間隙進行填充而形成的裂紋。

1.3 高溫脆性裂紋

高溫脆性裂紋是焊接時在高溫熔池的影響和熱應力的作用下，在焊接熱影響區的過熱區，由于附近母材塑性不足，拉應力超過了其彈性極限，而形成的裂紋。實踐證明嚴格控制焊材中的P含量，可避免高溫脆性裂紋產生。

2 TP347HFG鋼焊接焊材的選用

TP347HFG鋼焊接接頭易出現的熱裂紋、根部氧化等問題，除了焊接工藝的影響，另一因素是焊接材料的選擇。TP347HFG在供貨狀態下具有良好的塑性，但其中含有的用于提高高溫蠕變強度的沉淀強化元素，高溫運行過程中會以（硬脆的碳、氮化物）σ相的形式彌散析出，在強化材料的同時，會明顯降低材料的塑性和韌性。因此應正確選擇焊接材料防止焊縫金屬發生σ相脆化［1］。鎳基焊接材料ERNiCr-3化學成分中Ni質量分數遠遠超過了TP347HFG中的質量分數，焊縫金屬中Ni質量分數的提高可有效控制σ相析出沉淀。因此，選擇ERNiCr-3焊絲焊接TP347HFG鋼從理論上說是可行的。

3 TP347HFG采用鎳基焊絲ERNiCr-3和匹配焊絲ER347焊接時的焊接工藝

根據TP347HFG鋼的焊接特性，專門制定了TP347HFG的焊接工藝，焊接方法選擇手工氬弧焊GTAW,背面充氬保護，并采用搖擺焊，焊縫紋理美觀，氬氣擺動對于冷卻焊縫，控制層間溫度比較有利。下面為TP347HFG鋼采用焊絲ERNiCr-3和ER347焊接的工藝要點。

（1）管材：TP347HFG；規格：φ63.5×11.5（高過）/ φ76×6mm（高再）。

（2）焊材：ERNiCr-3/ER347；規格：D2.4mm。

（3）坡口打磨：采用ERNiCr-3焊接時，因為ERNiCr-3中Ni的質量分數較高，因此與母材的化學成分差別較大，采用ERNiCr-3進行根部第一層焊接時極易因為熔敷金屬間的熔合問題而產生未熔合等焊接缺陷。因此焊前需使用拋光片打磨清除坡口處的氧化膜，清除完畢立即進行焊接，在焊接中發現未熔合和根部氧化等缺陷要及時停止焊接并進行清除。

（4）對口間隙控制：高過、高再管子組對焊接時，對口間隙應控制在2.7～3.1mm。作用如下：首先TP347HFG鋼焊縫熔池中熔融的鐵水粘度較大，如采用從外側填絲的單面焊雙面成型法，不能保證根部焊縫的成型，焊接時容易出現根部焊縫及坡口未熔合等缺陷，因此焊接第一層時應采用內加焊絲法（如圖1）；其次，如果管子對口間隙超過3.1mm，易造成焊縫局部熱輸入過高產生“燒枯”現象，易出現仰焊位置根部內凹、平焊位置焊瘤等缺陷。

圖1 對口間隙及內加絲示意圖

（5）管子內部充氬保護：TP347HFG鋼焊接時焊縫金屬中的Cr及其他合金元素極易與空氣接觸發生氧化，因此需采用自管子進口側向出口側持續充氬的方式（如圖2），現場采取的具體措施為：組合場地面組合管排在其管子出口處用端蓋封住，高空的安裝焊口采取出口處內部塞水溶紙，然后由管子進口側沖入氬氣，充入的氬氣首先排空管子內的空氣，并在坡口處用打火機驗證管子內部的空氣是否排完，然后再進行打底焊接，整個焊接過程要持續充氬直至該焊口焊接結束，以防止第一次焊縫根部氧化和過燒。

圖2 從管子一側沖氬方式示意圖

（6）焊接工藝參數：a.采用鎳基焊絲ERNiCr-3焊接時。焊接電流：（打底：75～90A；填充、蓋面75～86A）；焊接電壓：9～12V；焊接速度：66～77mm/min；氬氣流量：8～13L/min。b.采用焊絲ER347焊接時。焊接電流：（打底：70～85A；填充、蓋面70～80A）；焊接電壓：9～11V；焊速：65～75mm/min；氬氣流量：8～12L/min。

（7）層間溫度控制：焊接過程應采用小電流、薄焊層、間斷焊、盡量減少熱輸入，用遠紅外線測溫儀控制層間溫度在150℃以下，以提高熔池鐵水流動性和焊接的易操作性，防止熱裂紋等缺陷的發生。

焊接時為防止層間溫度超溫，每一只焊口焊完后不允許連續焊接第二層，應焊接另外相鄰焊口，待該焊口測定層間溫度小于150℃后，方可重新進行焊接。必要時可采取輔助降溫措施冷卻焊縫，增加熔敷金屬轉變速度，防止合金元素高溫區氧化。

（8）由于不銹鋼的熱導系數較低極易產生局部過熱變形，需要氬弧焊打底前的點固間隙設置和焊接過程動態調整控制以避免管子產生變形或彎折。

4 結語

對TP347HFG鋼分別選用ERNiCr-3/ER347兩種焊材形成的焊接試件委托電力研究院進行了力學性能試驗，結果表明，采用鎳基焊接材料ERNiCr-3得到的焊接接頭的抗拉強度與采用匹配焊接材料ER347得到的焊接接頭的強度值相差無幾，屈服強度比匹配焊材還要稍高，拉伸試樣的斷裂處均在焊縫一側的母材上，并且沖擊試驗得出的沖擊功值也符合技術要求。因此認為采用ERNiCr-3和ER347焊材焊制的TP347HFG管道對接接頭室溫下的綜合力學性能均符合技術要求。

從工程現場高溫過熱器和再熱器焊口焊接完成到鍋爐機組點火啟動前，焊接接頭經過了長達將近4000h的常溫時效，并且自2015年9月該機組完成168試運及商業投產發電以來，經過了約5000h的高溫時效，該批焊接接頭的各項性能已經達到了穩定狀態，經受住了超臨界鍋爐高溫、高壓工況的考驗，在機組的例行檢修時TP347HFG焊接接頭未發現任何質量問題。目前機組在正常穩定運行中。

參考文獻：

［1］楊富,章應霖,任永寧等.新型耐熱鋼焊接［M］.北京：中國電力出版社,2006.

［2］李亞江.特殊及難焊材料的焊接［M］.北京.化學工業出版社,2002.

［3］DL/T869-2012,火力發電廠焊接技術規程［S］,北京：中國電力出版社,2012.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.031

作者簡介：殷智（1982-），男，山東鄆城人，碩士研究生，工程師，主要從事發電廠現場安裝焊接施工及管理工作。