屏式過熱器SA213T91管屏膜流焊接技術

錢 丹，沈海峰，俞 苗，劉富家，朱力鋼

（杭州鍋爐集團股份有限公司，浙江杭州310016）

屏式過熱器SA213T91管屏膜流焊接技術

錢 丹，沈海峰，俞 苗，劉富家，朱力鋼

（杭州鍋爐集團股份有限公司，浙江杭州310016）

SA213T91鋼管制成的膜式壁管屏膜流焊接結束后在收弧位置出現了較多的收弧裂紋，在局部焊縫中心MT探傷發現縱向線性顯示，并在后續手工氣保焊返修后焊縫收弧位置MT探傷又發現了大量的線性顯示。針對上述問題進行分析，找到缺陷產生原因，并提出解決措施，為SA213T91鋼管制成的膜式壁管屏在大型循環流化床鍋爐中的應用奠定了基礎。

SA213T91管屏；膜流焊接；裂紋缺陷

0 前言

SA213T91鋼是在9Cr-1Mo鋼化學成分基礎上適當降低C、S、P含量并添加微量的V、Nb、N等合金元素的一種改進型馬氏體耐熱鋼[1]，具有高溫強度高、抗蠕變性能和抗氧化性能好等優點。與T22及12Cr1MoVG等傳統合金耐熱鋼相比，在相同的溫度、壓力條件下，鋼管壁厚大幅降低，材料用量可大為減少，并且還能提高設備使用的安全性[2]。近年來隨著電站機組容量的增大，設備參數不斷提高，SA213T91鋼越來越廣泛地被應用于電站鍋爐的高溫過熱器等核心部件。

杭州鍋爐集團公司設計的某型號循環流化床鍋爐，其屏式過熱器部件采用膜式壁窄節距結構，管屏管子采用SA213T91材料，扁鋼采用SA387Gr91Cl2材料。在該屏式過熱器的制造過程中有兩大問題：一是膜流埋弧自動焊結束后在收弧位置出現較多的收弧裂紋，在局部焊縫中心MT探傷發現了縱向線性顯示；二是在后續氣保焊返修后焊縫收弧位置MT探傷又發現了大量的線性顯示。針對上述兩個問題，從原材料、管屏結構、制造過程以及缺陷特征等方面展開分析，找到缺陷產生原因，提出解決措施。

1 管屏制造過程簡述

1.1 管屏材料及結構形式

管屏結構示意如圖1所示。

圖1 管屏結構示意

管子材料SA213T91；管子規格為φ38.1 mm× 6.4 mm；管子數量為31支（一片管屏）；扁鋼材料SA387Gr91Cl2；扁鋼規格為6 mm×19.9 mm（不開坡口）。

1.2 膜流焊接及退火過程

1.2.1 管屏SAW膜流焊接

管屏采用1 600 mm埋弧拼排焊機焊接，由于管屏寬度超過焊機設備極限，分成兩個單元片制作，1個單元片由16根管子、15根扁鋼組成，另一單元片由15根管子、14根扁鋼組成，兩個單元片采用手工藥芯焊絲氣保焊拼接而成。焊前采用人工火焰預熱，工藝要求200℃～250℃，實際預熱溫度160℃～200℃，但個別位置存在過低（100℃）和過高（400℃）的情況，焊接工藝及參數見表1。SAW焊接完成后立即采用火焰繼續加熱，工藝要求后熱溫度為300℃～350℃，實際后熱溫度230℃～280℃，個別位置也存在過低和過高的情況，采用硅酸鋁纖維包裹緩冷。

表1 管屏SAW拼排焊接工藝及參數

1.2.2 退火工藝及過程

單元片管屏焊接完成后當天進爐進行去應力退火熱處理，退火工藝曲線如圖2所示。

圖2 退火工藝曲線

1.3 管屏探傷

單元片管屏退火完成后，經外觀檢查和100% MT探傷發現主要存在以下問題，也就是“問題一”：

（1）90%的埋弧焊焊縫收弧位置都存在收弧裂紋缺陷，如圖3所示。

（2）埋弧焊焊縫中心局部位置出現MT縱向線性顯示，長度20～30 mm，如圖4所示，其中最邊緣外側有一條焊縫斷斷續續都出現MT縱向線性顯示，其外觀表現如圖4所示。

2 “問題一”埋弧焊焊縫缺陷分析與解決

針對上述膜流埋弧自動焊焊接缺陷，主要從原材料、管屏結構、制造過程以及焊接缺陷特征等方面進行原因分析，并提出解決方案。

圖3 埋弧焊焊縫收弧裂紋

圖4 埋弧焊焊縫中心MT縱向顯示

2.1 母材性能

SA213T91/SA387Gr91Cl2材料是中合金耐熱鋼，Cr、Mo、V等強碳化物元素含量高，具有高溫強度高、抗蠕變性能和抗氧化性能好等優點，具體化學成分見表2，常溫力學性能見表3。根據國際焊接協會推薦的碳當量公式[3]CE＝C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+ Cu）/15（單位：%）得出，SA213T91/SA387Gr91Cl2材料的碳當量約為2.27%，因此該材料的可焊性較差。具體表現為：焊接時焊縫從高溫冷卻時易產生脆而硬的馬氏體組織，并且焊縫中的組織主要為柱狀晶，相較于母材的超細晶粒，焊縫組織的韌性明顯下降，在焊縫區擴散氫和焊接殘余應力的作用下，在焊縫金屬及熱影響區極易產生冷裂紋[4]。查閱該管屏使用的所有母材和焊材原材料質保書和入廠驗收資料，化學成分和機械性能均符合ASME相應標準要求。

表2 SA213T91/SA387Gr91Cl2材料的化學成分%

表3 SA213T91/SA387Gr91Cl2材料力學性能

2.2 管屏結構

該管屏為膜式壁窄節距結構，節距58 mm，焊縫密度高。在焊接過程中由于管子和扁鋼的收縮量和方向不同，在焊接這種管屏時，管子和扁鋼的交接處也就是焊縫根部存在較大的焊接殘余應力。

2.3 制造過程

（1）采用人工火焰預熱，穩定性不夠，導致管子受熱不均勻，存在局部溫度過熱和過低的現象，焊接和冷卻過程中容易產生粗大和淬硬的馬氏體組織，并且有較大的溫度應力。

（2）埋弧焊焊接時，先焊接雙身管，再將雙身管拼成大排，管子與扁鋼在雙身管焊接后存在變形，在焊接后吊裝過程中只有一個支撐點，有彎曲變形，導致后續在拼大排過程中存在強制裝配的情況（特別是管屏與最外側雙身管焊接時，累計的焊接變形較大），產生較大的接頭拘束度，導致產生較大的焊接應力。

2.4 焊接缺陷特征

（1）收弧裂紋缺陷。膜流埋弧自動焊焊接時收弧較快，收弧處焊縫厚度較薄，冷卻速度相對較快，特別是SA213T91/SA387Gr91Cl2管屏因其母材特性和窄節距結構特性，管屏的焊接應力相對來說比較大，所以在埋弧焊焊縫收弧位置極易開裂。

（2）埋弧焊焊縫中心MT探傷縱向顯示，對此焊縫表面用角向砂輪進行打磨，發現該處MT線性顯示為裂紋，并且發現該處裂紋已裂穿焊縫，如圖5所示。對該特征裂紋取樣進行截面金相分析，焊縫截面如圖6所示，從50倍金相上來看（見圖7、圖8），根部位置的開口較大并伴有明顯的錯位，焊縫表面的開口較小，該裂紋斷口具有發亮的金屬光澤的脆性斷裂特征，是一種無分叉的純斷裂；從100倍微觀金相上看（見圖9），該裂紋斷口為明顯的穿晶特征，伴隨有少量的沿晶特征，從500倍焊縫組織上看（見圖10），局部存在馬氏體組織粗大的情況；從焊縫外觀看，開裂處的焊縫外觀成形相對于沒有開裂的焊縫成形不夠飽滿，焊縫熔深較淺，厚度較薄。從上述特征判斷，該裂紋的起裂點應該在焊縫根部，是由焊縫根部向焊縫表面擴展。

圖5 打磨后外觀顯示為裂紋

圖6 裂紋焊縫截面

圖7 裂紋焊縫截面金相①

圖8 裂紋焊縫截面金相②

圖9 裂紋焊縫截面金相

圖10 裂紋焊縫組織金相

2.5 “問題一”解決方案

通過上述分析可以發現：（1）該實驗管屏出現收弧裂紋是由于膜流埋弧焊焊接特性以及SA213T91/SA387Gr91Cl2管屏母材特性和窄節距結構特性共同作用下產生的，按目前這種情況來說只能控制收弧裂紋在后續不出現延伸和擴展，無法完全根除。根據制作91管屏的經驗，管屏SAW焊接完成后24 h之內進行進爐去應力退火，可以有效地控制收弧裂紋長度，完全做到不延伸和擴展。（2）該管屏焊縫中心的裂紋是由硬而脆的馬氏體組織和焊接應力共同作用下產生的冷裂紋。要避免這種裂紋的產生應從控制焊接應力和避免產生淬硬馬氏體組織入手，主要有以下措施：①焊接預熱盡可能均勻和到位，增加火焰加熱密度和寬度，增加測溫裝置，嚴格控制預熱溫度范圍；②焊接完成后立即進行有效的后熱緩冷處理，使馬氏體組織充分轉變，自由氫完全逸出，避免產生淬硬組織和自由氫殘留；③膜片吊裝過程中采用專用吊裝工裝保證管片平直，防止管片出現彎曲變形；④埋弧焊結束24 h內進行退火處理，能有效去除焊接應力。

通過采用上述措施，采用膜流埋弧自動焊制作的系列新SA213T91管屏成功解決了上述“問題一”，除埋弧焊收弧焊縫位置存在少量收弧裂紋外，其他焊縫MT探傷均一次合格，如圖11、圖12所示。

圖11 膜流焊縫退火后外觀形貌

圖12 膜流焊縫退火后100%MT探傷

3 管屏埋弧焊缺陷返修

針對上述管屏膜流埋弧焊缺陷，采用CO2藥芯焊絲氣保焊（FCAW）進行返修。

3.1 CO2藥芯焊絲氣保焊（FCAW）返修過程

返修過程：①根據MT顯示位置，采用砂輪打磨去除缺陷，MT探傷確認缺陷完全消除；②采用履帶式加熱器對管屏進行整體預熱到200℃～250℃；③選派持證優秀焊工，采用如表4所示的焊接工藝參數進行焊接；④焊后立即加熱到300℃～350℃保溫2 h進行后熱消氫處理。

表4 管屏FCAW返修焊接工藝及參數

3.2 FCAW返修焊縫探傷結果

FCAW返修完成24h后，對返修處進行100%MT探傷，發現主要存在以下問題，也就是“問題二”。

（1）FCAW返修焊縫收弧位置出現典型的弧坑裂紋，其焊縫外觀形貌如圖13所示，其50倍截面金相如圖14所示。

圖13 FCAW返修焊縫收弧裂紋外觀形貌

圖14 收弧裂紋截面金相形貌

（2）FCAW返修焊縫收弧位置MT探傷為線性顯示，其焊縫外觀形貌如圖15所示，經打磨后發現為氣孔，如圖16所示。

圖15 FCAW返修焊縫收弧位置MT線性顯示

圖16 MT線性顯示位置打磨為氣孔

3.3 “問題二”氣保焊返修焊縫缺陷分析

（1）FCAW返修焊縫弧坑裂紋主要原因是合金含量較高的SA213T91/SA387Gr91Cl2在焊接收弧位置容易產生成分偏析，加之焊接區域存在未清理干凈的雜質，很容易在收弧位置形成低熔點共晶[5]，使弧坑位置成為脆弱區。若應力處理不當，則很容易造成弧坑區被拉裂的情況，所以類似這種合金含量比較高的材料特別是管屏結構應力較大的情況，應盡量避免采用藥芯焊絲氣保焊。

（2）FCAW返修焊縫收弧位置MT探傷為線性顯示、其實為氣孔缺陷，而在傳統觀念中普遍認為MT探傷顯示為線性時應該為裂紋缺陷，所以這個發現值得思考，特別是鍋爐汽包焊縫MT探傷時也會存在這種誤判。針對氣孔缺陷形成的原因，認為主要是CO2藥芯焊絲氣體保護焊本身特性決定的，焊工在焊接收弧時若處理不當，則在收弧區很容易產生氣孔缺陷[6]。

3.4 “問題二”氣保焊焊縫缺陷返修

針對上述FCAW返修焊縫收弧處缺陷，重新制定采用氬弧焊進行返修的方案，返修過程為：①根據MT顯示位置，采用砂輪打磨去除缺陷，并MT探傷確認缺陷是否完全消除；②清理返修焊縫，使該區域及周圍母材露出金屬光澤；③采用火焰對返修區域及周圍200mm范圍內預熱200℃～250℃；④選派持證優秀氬弧焊焊工，采用如表5所示的工藝參數進行焊接；⑤氬弧焊時注意將收弧收到扁鋼位置，如圖17所示，焊接完成后立即打磨去除該收弧點，如圖18所示；⑥焊后立即加熱到300℃～350℃硅酸鋁纖維覆蓋緩冷。

表5 管屏GTAW返修焊接工藝及參數

表17GTAW返修焊縫收弧位置

表18GTAW返修焊縫收弧位置打磨

3.5 氬弧焊返修探傷結果

GTAW返修完成24h后，對返修處進行100%MT探傷，全部合格。

3.6 返修焊縫熱處理

管屏返修完成后再次進爐進行去應力退火熱處理，其退火工藝曲線如圖19所示。

3.7 管屏熱處理后復探

熱處理完成后對整片管屏進行100%MT探傷，全部合格。

圖19 返修后退火工藝曲線

3.8 管屏母材硬度檢測

經過上述兩次退火過程，檢測該管屏SA213T91管子母材硬度，結果顯示母材布氏硬度為HB 200～210，完全滿足標準要求。

4 結論

在制作屏式過熱器SA213T91/SA387Gr91Cl2管屏時要注意以下問題：（1）膜流焊接時預熱應均勻和到位，嚴格控制焊接預熱溫度；（2）焊后立即進行后熱消氫處理；（3）膜片在吊裝過程中采用專用吊裝工裝保證膜片平直，防止膜片出現彎曲變形；（4）膜流埋弧焊結束24 h內進行退火處理，有效去除焊接應力；（5）局部焊縫返修盡可能采用氬弧焊，并打磨收弧位置，防止出現收弧裂紋；（6）返修后及時進行去應力退火處理，退火完成后進行MT探傷檢測合格。目前，通過該方案制作的系列循環流化床SA213T91/SA387Gr91Cl2屏式過熱器已在工地現場順利運行，并運行良好。

[1]劉萬舉，王文義，王小迎.SA213-T91鋼焊接工藝理論分析及焊接過程控制[J].技術交流，2006，34（4）：55-58.

[2]楊宣進，黃新民.T91鍋爐熱強鋼焊接性能的試驗研究[J].廣東電力，2009，22（12）：45-49.

[3]ASME鍋爐及壓力容器委員會材料分委員會.ASME鍋爐及壓力容器規范第II卷A篇鐵基材料2013版[M].北京：中國石化出版社，2014.

[4]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2009：191-207.

[5]張文鉞.焊接冶金學[M].北京：機械工業出版社，2006：215-299.

[6]侯志勇.CO2氣保焊實訓中常見問題分析[J].河南機電高等專科學校學報，2011，19（3）：110-112.

The membrance wall welding technology of SA213T91 platen superheater

QIAN Dan，SHEN Haifeng，YU Miao，LIU Fujia，ZHU Ligang
（Hangzhou Boiler Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310016，China）

There were amount of cracks appeared at quenching arc area of SA213TP91 membrance wall automatic submerged arc welding.The defect displayed in longitudinal linear checked by MT.The cracks appeared in the same place when the welding procedure had replaced by manual FCAW.Analysis and research were carried out to find the root reason for defects，and corrective actions were applied in the follow product successfully.It laid the foundation for the SA213TP91 membrance wall application in large circulating fluidized bed boiler.

SA213T91platen superheater；membrance wall welding；crack defect

TG457.1

B

1001－2303（2017）02－0041-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.08

2016-09-29；

2016-10-08

錢 丹（1984—），女，浙江嵊州人，工程師，學士，主要從事鍋爐和壓力容器焊接工藝的研究工作。

獻

錢丹，沈海峰，俞苗，等.屏式過熱器SA213T91管屏膜流焊接技術[J].電焊機，2017，47（02）：41-46.