改進HR3C鋼在高溫環境下焊接工藝方法

費江河

摘要：我公司四期#7、#8機組為2臺660MW超超臨界機組，受熱面末級過熱器、末級再熱器出口過渡段管屏材質為HR3C鋼。HR3C鋼采用鎳基焊絲YT-HR3C焊接，由于母材和焊接材料的合金成分很高，受熱面環境溫度較高造成管材溫度過高、焊接操作等都存在很大的難度，焊接過程中極易出現焊縫根部接頭的氧化缺陷質量問題。通過對出現的質量問題進行匯總分析，找出影響焊接質量的主要原因，并針對出現的主要問題，制定專門的改進工藝方法，為能在今后現場檢修焊接作業按照改進的焊接工藝進行施焊，積累了一定的經驗，取得了很好的效果。

關鍵詞：HR3C鋼;焊接工藝;改進;高溫環境

中圖分類號：TG457.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0086-03

0? 引言

焊接質量是火力發電廠受熱面檢修焊接作業質量關鍵環節之一，HR3C鋼分布于鍋爐受熱面的末級過熱器（末級再熱器）出口過渡段管屏中，焊接質量的好壞直接影響到機組的安全運行，同時也體現檢修焊接任務作業的焊接技能水平。受熱面內部結構錯綜復雜、管排排列密集，管排間距排列小且使用的材料其含Cr量較高，焊縫金屬熔敷粘度比較大，鐵水流動性差，焊接性比較差，焊接時要是氬氣保護不好極易出現焊縫根部接頭的氧化、發渣等缺陷。因此比以往在鍋爐受熱面檢修焊接作業中焊接質量相對偏低。此外HR3C鋼含合金元素多，如果焊接環境溫度過高、管材溫度過高、氬氣保護效果不到位、焊接接頭層間溫度控制不好，全氬施焊防風措施效果不好，施焊過程中金屬極易發生氧化、發渣。為提高我公司四期#7、#8機組末級過熱器、末級再熱器HR3C鋼焊接工藝方法，焊工班專門成立受熱面末級過熱器（末級再熱器）焊接質量攻關技術QC質量小組。目的是確保四期末級過熱器（末級再熱器）HR3C鋼焊接接頭一次無損檢驗合格率達到95%以上，為整個受熱面焊接接頭質量提供有利保障。

1? HR3C鋼的性能及焊接材料選擇

1.1 HR3C鋼的性能

HR3C鋼管是日本住友金屬鋼管株式會社的商品名稱是上個世紀90年代研發的新型奧氏體耐熱鋼。它是在25Cr-20Ni（TP310）的基礎上添加了一定量的鈮和氮，使鋼的高溫持久強度、蠕變強度得到了很大的提高，是抗煙氣腐蝕和內壁抗氧化性能更優異的奧氏體耐熱鋼。

1.2 焊接材料選擇

由于HR3C鋼中的合金含量在40%以上。所以HR3C鋼的電阻大、熱傳導性差，焊接的鐵水粘稠，給焊接帶來了一定的難度，容易產生焊接缺陷。

為了保證焊接接頭的質量，選用與之匹配的焊接材料和通過焊接工藝評定確定合適的焊接工藝是至關重要的，日本住友金屬熔接株式會社YT-HR3C焊絲是與HR3C相匹配的產品。焊絲YT-HR3C的化學成分見表1。

2? HR3C鋼的焊接工藝

由于機組停運檢修時間較短，鍋爐受熱面內部環境溫度很難降至焊接允許范圍內，更換缺陷管難度很大。HR3C鋼小管在焊接過程中由于焊接環境溫度較高、管材溫度過高造成鋼管內部充氬保護效果差，極易形成氧化、發渣缺陷。因而應注意控制環境溫度對HR3C鋼小管的影響，控制施焊過程中的焊接熱輸入量及焊層之間溫度。為了防止施焊過程中焊接接頭發生高溫氧化等缺陷，只能加強氬氣流量對焊接時液態金屬的保護效果，來降低焊接熱輸入量、層間溫度、施焊作業環境溫度、焊接管材溫度的工藝方法和工藝措施。結合現場檢修焊接任務作業實際工作情況，采用了金屬熔池體積小、焊接線能量較小的手工鎢極氬弧焊焊接工藝方法以及確保焊接接頭層間溫度低的短焊道和間斷焊方法。在施焊過程中，一般應控制層間溫度不大于150℃。如果焊接的焊接接頭層間溫度越高，施焊操作就越困難，焊接接頭的填充金屬厚度越來越厚，其結果就是焊接接頭達不到合格的機械性能，所以施焊時必須嚴格控制焊接接頭的層間溫度，一旦出現上述焊接質量癥狀，必須立即停止施焊，待焊接接頭層間溫度降下來之后再繼續施焊。另外為了防止焊接時高溫區合金元素的氧化現象發生，在整個施焊過程中要進行對管材內部必須充氬氣進行保護，才能使打底的焊接接頭根部得到良好和有效的氬氣保護，防止焊接接頭根部金屬和母材金屬的氧化，獲得良好的焊接接頭根部焊縫的形成和符合要求的機械性能。

HR3C鋼小管在環境溫度較高施焊操作過程中容易出現焊接接頭金屬根部的氧化、發渣和接頭的內凹等缺陷。HR3C鋼在施焊時，因Cr的含量高，熔化的液體金屬發粘、發稠、流動性比較差，張力也大，較為突出。小徑管內部充氬采用在坡口邊緣充氬，關鍵在于降低施焊時環境溫度對HR3C鋼小管的影響、充氬裝置制作、氣室密封的氣密性保證、充氬過程中氬氣流量大小的控制、氣室內部氬氣量紊流的控制。

采用可溶性較高、柔軟性較好的水溶紙（或衛生紙）對管材兩端管口進行三層封堵，而且封堵層距離各端管口的距離約為200～300mm。這樣會形成嚴實的密封的小氣室，有效防止氬氣流失，保證管內氬氣的存儲量;采用篩網型手工氬弧焊把制作專用充氬裝置，這樣既能確保焊接接頭根部充氬保護效果，防止焊接接頭根部金屬發生氧化，又能保證焊接接頭根部的接頭成型良好，消除焊接接頭根部接頭的內凹缺陷。由于受熱面停爐時間較短，管子、環境溫度過高、影響管子內壁充氬保護效果，為確保管子內部充氬保護效果，先用純凈水沾濕抹布，抹布濕度為不滴水為宜，纏繞在兩側管子距離坡口150～200mm處，強制將管材溫度降至室溫可焊范圍內方可充氬施焊。使HR3C鋼管焊接作業工作優質、高效地完成。

3? 焊接工藝流程

焊接設備和工器具→焊接材料→焊前準備→焊接過程及注意事項→焊后檢查。

4? 焊接設備和工器具

①焊接設備采用具有高頻引弧功能的焊機YC-400TX，其焊機容量應滿足焊接規范參數的要求。

②氬弧焊槍選用篩網型手工氬弧焊把SQQ/85°-160A。

③氬氣減壓器應選擇氣壓流速穩定、調節靈活、指示準確的表，其產品質量和特性應符合國家標準YX-251A。

④氬氣輸送應選用材質柔軟、耐磨和無裂紋的橡膠軟管，并在使用前檢查有無漏氣現象。

⑤焊接電纜應選用焊接專用焊接電纜。接頭應接觸良好，電纜應絕緣良好、無破損。

⑥坡口和焊縫尺寸的測量應采用專用的焊口檢測工具。

5? 焊接材料

①由于奧氏體耐熱鋼高溫液態金屬粘度大、流動性差，給焊接操作帶來一定的難度，為改善焊接操作性能和外觀成型，選用了日本住友金屬熔接株式會社生產的鎳基焊絲YT-HR3C，直徑為2.4mm。焊絲YT-HR3C的化學成分見表1。

②氬氣使用前應確認出廠合格證明，其純度必須保證在99.99%。

③所用鎢極選用鈰鎢極，直徑Φ2.5mm。

④氬弧焊絲、氬氣和鎢極等焊接材料質量，應符合國家相關標準的規定。

6? 焊前準備

6.1 坡口制備

①單面坡口的制備角度推薦為：30～35°;焊口組對時間隙推薦為：2.5～4mm;坡口的鈍邊推薦為：0～0.5mm（注意清除毛刺時不要破壞坡口的尖角，根據實際工作經驗可不做鈍邊預留）。

②坡口制備及修整時應使用專用工具。

6.2 坡口清理

組對前將制備好的坡口表面以及內外壁兩側各15～20mm范圍內的水、油、垢、漆、銹和氧化層等雜物徹底打磨清理干凈直至露出金屬光澤，并采取有效措施防止奧氏體和鐵素體接觸。

6.3 焊口組對

①對口前應先檢查被施焊部位及其邊緣各20mm范圍內有無不允許缺陷（如：裂紋、重皮等缺陷），確認無缺陷遺留后方可進行焊口組對。②焊口組對時，管子應用對口鉗固定牢固，以防產生焊接角變形和附加應力。③為防止焊接過程和焊后產生裂紋，在焊口組對過程中嚴禁強制對口。④對口時一般應做到管材內壁平整對齊。如有錯口現象，其局部錯口值不得超過管材壁厚的10%，且不大于1mm。⑤對接管口端面應與管子中心線垂直，其偏斜度不得超過0.5mm。⑥在焊接前應檢查焊口組對質量，不符合要求時不得進行下道工序。

6.4 焊口點固

①焊口定位點固焊時，焊接材料的選用、焊接工藝方法和焊工技能水平條件必須與正式施焊時一致相同。②點固焊和正式施焊過程中，禁止在管材表面隨意引弧或實驗電流。③為了避免施焊過程中因焊接接頭產生根部缺陷，應盡量減少焊接接頭的數量。對口鉗調節到適當位置后，焊工盡可能采用較長的焊接點固點，在管子上對稱點固焊兩點，焊縫長度可達到10～15mm，不影響正常焊接工作即可。④點固焊時，坡口內側焊道的金屬填充厚度應盡量要薄，但要保證焊接接頭根部盡可能凸出，以有利于下一個接頭。⑤點固焊后，應對焊點進行檢查，如發現焊接缺陷應及時將焊點用專用工具清除，并重新進行點固，經檢查確認無缺陷后方可焊接。

6.5 充氬保護

為防止根部氧化，應在焊接過程中對管材內部進行充氬保護，充氬保護可參照以下要求進行：

①充氬保護范圍要以管材坡口中心為準，每側各200～300mm處，用可溶性較高、柔軟性較好的水溶紙（衛生紙）做成密封氣室，采用篩網型手工氬弧焊把制作的專用充氬裝置，從坡口間隙中進行充氬。

氣室制作要求：

1）采用水溶紙封堵于焊口內側的兩端，充當氬氣室的水溶紙的邊緣距離管段坡口邊緣處不小于150mm，同時，水溶紙的直徑應大于管道內徑約60mm。2）水溶紙在每側管子內封堵三層，這樣能更好的阻隔管子內的穿堂風，減少管子內部穿堂風對氬氣室的侵入，增加氬氣室的氣密性。

充氬裝置制作要求（見圖1）：

1）采用篩網型手工氬弧焊把制作的專用充氬裝置，從坡口間隙中進行充氬。2）自制充氬裝置能方便的調節角度，以便適用現場焊口位置，方便焊工操作施焊。3）自制充氬裝置能提高焊工操作工作效率，減少人員浪費。4）自制充氬裝置比傳統氣針式充氬裝置輸出的氣流穩定均勻，氬氣充滿度較好，氣流大小調節方便。

②由于受熱面停爐時間短，管子、環境溫度過高、影響管子內壁充氬保護效果，為確保管子內部充氬保護效果，先用純凈水沾濕抹布，抹布濕度為不滴水為宜，纏繞在兩側管子距離坡口150～200mm處，強制將溫度降至室溫可焊范圍內方可充氬施焊（見圖2）。

7? 焊接過程及操作注意事項

在施焊過程中應采用紅外測溫儀或其它測量器具測量層間溫度，其層間溫度應嚴格控制在150℃以下。在熔化良好的狀態下，采用小的線能量和較快的焊接速度，焊層厚度不應超過焊絲直徑。焊接中應將每層焊道接頭錯開，并確保焊道平滑過渡，避免出現死角以利于次層焊接。注意清理焊道之間和焊層之間的表面氧化膜和表面浮渣，經自檢合格后方可進行次層的焊接。

焊接前必須對其所選用的焊接參數進行工藝評定驗證，采用手工鎢極氬弧焊焊接工藝方法，HR3C鋼推薦施焊過程中的工藝控制參數見表2。

7.1 打底層焊接

①引弧：在管材坡口內部邊緣采用具有高頻引弧方式的焊機進行施焊引弧。②焊接方法：引著電弧后迅速將電弧壓低至焊接接頭金屬熔池表面1～1.5mm處，并迅速將其移到坡口的鈍邊處，略做小幅度上下擺動，使坡口兩側金屬充分熔化并形成清晰明亮的熔池后，送絲時按鋸齒型運條方法進行施焊。其中，氬弧焊打底優先選用內填絲法，焊絲端頭始終停留指向熔池上部，略微靠近管材內側處。這種施焊方法有利于確保焊接接頭根部焊透并可有效防止焊接接頭產生內凹缺陷。③收弧：收電弧時應先減慢施焊速度，然后將焊接接頭熔池填滿，把電弧迅速移至坡口另一側，逐漸減少焊絲對焊接接頭的填絲量，快速前移并按下控制開關啟動衰減裝置滅弧。

7.2 填充蓋面

①填充蓋面焊接時盡量用小電流小規范，在施焊過程中應采用紅外測溫儀測量層間溫度，其層間溫度嚴格控制在150℃以下，有利于得到合格的金相組織。②焊接中應將每層焊道接頭錯開，并確保焊道平滑過渡，避免出現死角以利于下次層的焊接。③施焊過程中，施焊時存在對前層焊接接頭金屬的二次熔化，所以層間施焊時管材的內部還必須保持氬氣量的充分保護狀態，以避免焊接接頭根部過燒。填充層至蓋面層時不需要對管材內部進行充氬保護。④因管材的壁厚不相同，采用手工鎢極氬弧焊焊接工藝方法時，現場施焊焊接接頭的位置多為橫焊口。因此，可根據管壁實際厚度蓋面采用多層多道焊接。每道焊縫焊接完畢，加強焊縫層道間的清理，經自檢合格后方可進行次層的焊接。

8? 焊后檢查

①必須按規范要求進行對焊接接頭100%外觀自檢，發現缺陷及時處理。②外觀符合規定的焊接接頭，方可按規定進行RT無損檢測。

9? 焊后返修

①焊接接頭外觀檢查不符合標準時，應及時打磨修整。②經無損檢驗不合格的焊接接頭，可進行局部挖補返修，根部缺陷宜割口重焊。③返修的焊口，同一挖補部位不得超過兩次，否則應割除重新組對焊口進行焊接。

10? 結語

本工藝解決了我公司四期#7機組660MW超超臨界機組中，應用的新型奧氏體耐熱鋼HR3C采用鎳基焊絲YT-HR3C焊接的技術難題。從降低環境溫度、管材溫度對管材施焊的影響、制備坡口、封堵管口、內部充氬保護等各方面形成了有效的焊接方法、工藝措施。焊接方法新穎、獨特，整個焊接工藝過程處于高效、穩定、安全、優質的可控制狀態，確保了焊接接頭根部充氬保護效果，防止了焊接接頭根部發生氧化、發渣等現象;又保證了焊接接頭根部接頭成型良好，消除了由于環境溫度、管材溫度造成焊接接頭根部接頭的氧化缺陷。提高了檢修焊接任務作業的生產效率，保證了焊接任務作業的有序進行，確保了焊接工藝質量。

受熱面末級過熱器（末級再熱器）HR3C鋼小管的焊接自2019年5月15日按改進的焊接工藝實施后，6月23日班組QC質量小組對末級過熱器、末級再熱器HR3C鋼小管徑的焊接接頭質量進行了檢查，對按照新工藝方法焊接的焊口一次無損合格率進行了統計，共計焊接接頭為40道，不合格焊接接頭數為0個，杜絕了焊縫金屬根部接頭的氧化缺陷現象的發生，合格率為100%，大大超出預期效果。

參考文獻：

[1]張佩良.火力發電廠金屬管子材料及新型電站用鋼焊接[M].三版.東北電力科學研究院培訓，2009.

[2]DL/T 869火力發電廠焊接技術規程.國家能源局，2012.

[3]火力發電廠燃煤機組金屬監督標準.中國華能集團公司，2015.