淺談超臨界機組高溫過熱器集箱手孔堵的焊接

楊海東，李世霞

（1.嘉峪關宏晟電熱責任有限公司，甘肅 嘉峪關 735100；2.甘肅鋼鐵職業技術學院，甘肅 嘉峪關 735100）

馬氏體耐熱鋼被廣泛用于火電廠發電機組主蒸汽管道、耐熱器管道等超臨界運行的發電機組。常用于發電機組主蒸汽管道的馬氏體耐熱鋼有SA-335P91/SA-213T91，SA-335P91化學成分間表1[1]，其中WCr=8%～9.5%，合金成分含量高，然而在發電機組初建以及在后續運行過程中壁厚減薄，焊口數量多，焊接性差，焊接過程過程中易產生冷裂紋、熱裂紋等焊接缺陷。

表1 SA-335P91鋼材的化學成分

1 焊接性分析

1.1 焊口位置

350MW超臨界發電機組高溫過熱器集箱手孔材質均為SA-335P91，規格為φ133×25mm，共有手孔3個（如圖1）。

圖1 高溫過熱器手孔圖

1.2 SA-335P91焊接性分析

SA-335P91是一種新型高強度馬氏體耐熱鋼，在制造過程中通過控制軋制冷卻速度來控制其組織的形態，從而細化晶粒和強化鋼材，尤其Cr的含量達到8%以上，具有良好的熱強性和高溫抗氧化性。這種高合金化也給焊接過程帶來許多焊接問題，下面就SA-335P91焊接過程中易出現的焊接問題進行分析。

1.2.1 焊接冷裂紋的傾向較大

新型馬氏體耐熱鋼一般通過控軋控冷工藝制造，在焊接過程中，焊縫金屬沒有這種控軋控冷的機會，很難通過細晶強化和位錯強化來改善焊接接頭的性能，焊接過程中產生脆硬組織的可能性大，焊接應力大，因此產生冷裂紋的傾向較大。

1.2.2 焊接接頭的脆化

在焊接過程中產生接頭脆化的主要原因是焊接過程中熱輸入過大，在大的熱輸入下，合金元素融入奧氏體晶粒內，由于加熱過程中過熱度大，引起奧氏體組織的粗化。焊縫焊后冷卻過程冷卻速度快，合金元素來不及析出，引起馬氏體組織粗化，形成針狀馬氏體，脆性很大，從而降低接頭的韌性，因此在焊接過程中盡量減小焊接熱輸入，采用較低的焊接線能量[2]。

1.2.3 熱影響區還可能出現軟化

由于馬氏體耐熱鋼的供貨狀態是淬火+高溫回火即調質處理的鋼[3]。焊接過程中焊接熱影響區受到再次加熱的過程，熱影響區溫度在AC1以下，相當于經歷了一次回火處理，熱影響區硬度會有所下降，在細晶熱影響區和臨界熱影響區將會產生軟化現象。焊接時，細晶熱影響區所經受的溫度稍高于AC3，臨界熱影響區所經受的溫度在AC1～AC3之間，處于這一溫度區間的金屬發生部分奧氏體化，沉淀強化相在這一過程中不能夠完全溶解在奧氏體中，在隨后的熱過程中未溶解的沉淀相發生粗化，造成這一區域的強度降低。軟化和強度降低對短時高溫拉伸強度影響不會太大，但會降低持久強度，管道在長期高溫運行過程中，在軟化區稱為薄弱部位，有可能會產生裂紋，其中焊接熱輸入對軟化的影響最大，因此在焊接過程中要控制焊接熱輸入，采用小的焊接熱輸入，來控制焊接熱影響區的溫度，從而控制軟化區的寬度。

1.2.4 焊接冷裂紋

SA-335P91是一種新型高強度馬氏體耐熱鋼，由于合金含量高，有效提高其淬透性，在焊接過程中極易形成馬氏體組織，如果焊接熱輸入大，形成針狀馬氏體組織。同時焊接過程是不均勻受熱的過程，這種不均勻程度越嚴重，近縫區所受的拉應力也越大，在拉應力作用下，淬硬馬氏體組織焊后極易產生冷裂紋。因此在焊接過程中要降低焊接應力，降低馬氏體組織的脆性，焊接過程中可以采取預熱，焊后采取多次高溫回火，消除淬硬組織，防止冷裂紋的產生。

2 SA-335P91焊接工藝要點

2.1 焊前準備

（1）由于SA-335P91是一種新型高強度馬氏體耐熱鋼，如果采用熱切割制備坡口，在坡口邊緣易產生硬化組織，因此采用機械冷加工方法進行。按照下圖（圖2）所標注的尺寸要求進行坡口制作和對口工作。

圖2 坡口加工尺寸示意圖

（2）偏斜度：管口對接要保證端面與中心線垂直，偏斜度△f控制在1mm之內。

（3）錯口值：管口對接避免錯口，內壁平直對齊，錯口值控制在壁厚的10%以內，且≤1mm。

（4）坡口兩側15mm～20mm范圍內的油污、氧化膜等污物用機械清理方法將其打磨干凈，漏出金屬光澤。

2.2 焊接工機具檢查

焊前要做好對焊接工裝機具的檢查工作，確保焊接過程的順利進行，保證氬弧焊槍瓷套咀的同心度、導電嘴及鎢極夾頭的完好性，焊槍的氣密性等，檢查氬氣膠管有無破損漏氣，氬氣表的氣密性；保證電焊機電流電壓的穩定性，可調節性完好性等。

2.3 焊材準備

焊絲使用前，檢查是否有生銹、油污現象，如果焊絲表面有污物采用砂紙等方法將表面的鐵銹、油污、氧化膜清理干凈，并露出金屬光澤；焊條在使用前，應嚴格進行烘干，烘干溫度350℃～400℃溫度烘培1小時，使用過程中裝載專用保溫桶內，隨用隨取。

2.4 氬氣要求

焊接用的氬氣質量應符合GB/T4872的規定，并應有出廠合格證，且氬氣純度不低于99.95%，在焊接過程中當瓶余壓為0.5MPa時應停止使用。

2.5 充氬裝置

氬氣純度要求99.99%,為了保證背面焊縫不被氧化，要求背面充氬，雙面保護，因此制作密閉空間進行背面充氬，開焊前根據管徑，制作并安裝下圖（圖3）所示的專用充氬工具。（或選用可溶性紙板封堵）。

圖3 坡口充氬示意圖

充氬保護：

SA-335P91鋼焊接過程中極易被氧化，因此要加強保護，為防止焊縫根部氧化，采用GTAW打底焊時，對焊縫背面充氬保護。充氬保護范圍以坡口軸中心為基礎，每側各大于或等于200mm處，采用充氬彎管從坡口間隙充氬，氬氣流量控制在9～15L/min。

2.6 對口點固焊

（1）SA-335P91鋼點固時，宜將“定位塊”點固在坡口內（圖4）每道焊縫點固不少于3點，均勻分布?！岸ㄎ粔K”應選用含碳量小于0.25%低碳鋼材料（如16Mn、Q235），點固定位焊采用的焊接材料及焊接工藝與正式焊接時相同。

圖4 定位塊示意圖

（2）點固焊及正常施焊過程中不得在管子表面引弧或試驗電流[4]。

2.7 焊接材料及工藝選擇

與焊接常規合金一樣，除了選用堿性低氫型、焊接工藝性能良好的焊接材料外，還要注意保證焊接接頭的沖擊韌性。因此，在控制預熱溫度和層間溫度時，須保證溫度測量的準確性。

（1）預熱溫度為150℃～200℃，層間溫度控制在200℃～250℃；焊后為了使焊縫金屬組織徹底轉變而不致產生裂紋。須將溫度控制在小于80℃～100℃范圍內。

（2）焊接材料選用AWS A5.28ER90S-B9；AWS A5.5E9015-B9的主要化學成份見下表。

表2 焊絲AWS A5.28 ER90S-B9

表3 焊條AWS A5.5 E9015-B9

2.8 SA-335P91鋼焊接工藝流程

機具準備——坡口清理——做氣室——預熱——對口——充氬裝置放入——點固——氬弧焊——電弧焊（層間溫度控制）——冷卻恒溫——熱處理——無損檢驗。

3 焊接

為了保證焊縫背面質量，采用GTAW打底焊接，并且采用打底兩層，主要是防止進行焊條電弧焊焊接時打底層被燒穿。

3.1 焊接過程中注意事項

（1）SA-335P91鋼屬于高合金鋼，由于合金含量高，導致熔池鐵水在焊接過程中流動性差，根部焊縫容易易氧化燒焦，為了保證根部焊縫質量，根部進行充氬保護。打底焊的好壞關鍵在充氬的質量，焊前采用打火機在坡口內打火進行檢驗，若“點不著火”則證明充氬合格。

（2）向內充氬后，保證充氬充分，如果能感覺到氬氣從焊縫間隙中輕微溢出，說明充氬充分。焊接過程中整個焊口用保溫綿進行堵實，焊接一段撥開一段，逐段進行焊接。

（3）打底時，鐵水流動性差，濕潤性不好，所以熔孔不可開得過大。送絲要均勻。避免出現根部焊縫出現未溶化的焊絲頭（生絲）現象。熔滴過渡采用自由過渡，收弧時把焊接電流衰減下來，填滿弧坑后移向坡口邊沿收弧，防止產生弧坑裂紋。

（4）焊接過程中，為了避免焊接過程中變形，采用定位塊，焊接至“定位塊”處時，采用角磨機將“定位塊”去除，并將焊點處用砂輪機打磨掉，不得留有疤痕和痕跡，確認無裂紋等缺陷時方可繼續施焊。

3.2 SMAW填充和蓋面焊接

（1）焊條電弧焊填充時，由于打底層焊道較薄，因此在進行第一道填充焊時，采用小電流焊接，避免擊穿打底層焊縫。

（2）每一根焊條焊接結束后，要注意填滿弧坑，防止在弧坑處沒有足夠的液態金屬補償產生弧坑裂紋。

（3）多層多道焊注意將每層清理干凈再焊下一層，清理可以采用鋸條或者砂輪打磨清理，不得用手錘重擊焊道。

（4）多層多道焊時，層間必須嚴格控制焊接工藝參數。層間溫度不得超過200℃～250℃，減少層間熱輸入，避免出現過熱組織。

（5）采用多層多道焊（焊道排列見圖5），焊層厚度應小于焊條直徑，焊道寬度應不超過焊條直徑3倍為宜。

圖5 焊道排列圖

3.3 工藝參數

在保證熔化和焊接的前提下，采用較小焊接電流，低熱輸入的焊接參數，以薄的焊層厚度、窄的焊道擺動寬度等工藝措施，焊接工藝參數如表4所示。

表4 SA-335P91焊接工藝參數

4 焊后熱處理

焊后采用柔性陶瓷電阻遠紅外加熱帶，微機自動控制儀按設定程序控溫，自動記錄。應將焊縫冷卻到80℃～100℃保持1h～2h，進行馬氏體轉變，再升溫進行熱處。熱處理溫度為（760±10）℃，升、降溫速度應小于或等于150℃/h.恒溫時間按壁厚每25mm1h計算，且不小于4h。（熱處理工藝如圖6所示），測溫裝置（熱電偶）應對稱，且不能少于兩只。進行熱處理時管內不得有穿堂風、積水或蒸汽。

圖6 熱處理工藝

5 檢驗

通過對熱處理后焊縫硬度的檢測，焊縫硬度在185HB～250HB，符合焊縫硬度要求。

6 結論

通過對超臨界機組鍋爐高溫過熱器集箱手孔堵SA-335P91φ133×25mm的焊接、熱處理、檢驗等工藝，認為此工藝是正確的、可行的，為下一階段編制SA-335P91焊接工藝任務書及評定方案有了可靠的理論依據，對今后對這類鋼的焊接工作研究具有重要的指導性意義。