SA213—T91鋼小管全氬焊接技術

周強

摘 要：新型耐熱鋼的焊接是電站安裝工程中的一個技術難關，隨著電站設備參數的不斷提高，新型耐熱鋼不斷發展，焊接技術難度更大。焊接工藝是影響工程質量的關鍵環節，直接關系到機組的安全運行。本文闡述廣東國華粵電臺山發電廠一期工程5×600MW機組工程鍋爐末級過熱器在現場安裝焊接中遇到的難點，以及解決這些難點所采取的工藝、措施和方法。實踐證明該工藝措施和方法切實可行，為以后工程安裝中遇到類似的情況能起到一定的參考作用。

關鍵詞：SA213-T91鋼 小管全氬焊接 單面焊雙面成型 焊接工藝 方法

中圖分類號：TG136+.2 文獻表識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0071-02

廣東國華粵電臺山發電廠5×600MW燃煤發電機組鍋爐是由上海鍋爐有限公司設計制造的2093T/H亞臨界壓力控制循環鍋爐。鍋爐受壓件安裝焊口數量約27000個，末級過熱器集箱管排采用SA213-T91鋼制造。設計壓力為16.6Mpa，工作溫度為540 ℃，焊口屬同種鋼焊接，焊口規格為φ57×8 mm，共576道焊口（每排管有6根管子，共96排管）。鑒于末級過熱器部件材質用T91鋼的管排為聯箱結構，管排與管排、管與管之間空間較狹窄，如果采用GTAW+SMAW

的焊接方法，手工焊條電弧焊蓋面時焊條受空間位置的阻擋，直接影響焊接質量。因此，為了保證T91鋼的焊接質量，決定此部件采用GTAW焊接工藝，并制定了相應切實可行的焊接工藝規范、措施、方案。安裝完成后，兩臺鍋爐的該部件T91鋼焊口經檢驗一次合格率達到97.83%。在此將該部件T91鋼的焊接技術和方法寫出來，與同行共勉。

1 SA213-T91鋼的化學成分及焊接要點

1.1 T91鋼的化學成分及焊接性能

T91鋼是馬氏體型耐熱鋼，是在9Cr1Mo鋼的基礎上降低含碳量，嚴格限制硫、磷的含量，添加少量的釩、鈮元素進行合金化，具有良好的熱強性和高溫抗氧化性。T91鋼的供貨狀態為1040～1090 ℃正火加765～795 ℃回火，組織為回火馬氏體。由表1可知，T91鋼的主要元素為Cr和Mo，Cr是提高鋼材淬透性元素，其在T91鋼中含量較高，大大促進了T91鋼的淬硬傾向。因此，焊接T91鋼時，如果不采取一定的工藝措施，T91鋼有冷裂紋傾向。T91鋼合金總含量為10.534%，根據相關資料顯示，對T91鋼進行冷裂紋敏感性試驗，結果表明：T91鋼具有一定的冷裂紋敏感性，焊接前必須進行預熱。同時T91具有較敏感的熱裂傾向，焊接時必須控制焊接線能量，層間溫度不能過高。

2 現場設備安裝狀況及焊接要點

上海鍋爐廠設計的末級過熱器聯箱屬爐膛懸吊結構。施工中考慮到爐膛結構與吊裝方案，決定先將管排和母管吊裝到位固定。焊口為垂直位置固定焊（即橫焊）。現場對接管排較密集，管與管間距僅20 mm，管排與管排間距為150 mm，對口間距存在不均勻現象，因此，這些不利因素在一定程度上增加了焊工施焊操作的難度。焊接過程中，“盲區”位置使得焊槍角度極難控制，電弧熱量較難于輸送至“盲區”。如果這時仍就按常規的對口工藝和焊接操作方法，勢必會使焊工視線被焊槍瓷嘴和焊絲擋住。這樣導致的后果將會出現“盲區”接頭未熔合和根部未焊透，甚至在填充層蓋面焊接過程中也會出現層間未熔合。管排的焊接“盲區”。

由于T91鋼合金含量高，焊接時焊縫受熱溫度過高，若不采取必要的工藝措施，必然導致根層氧化或“過燒”；其焊接性及熔池本身流動性較差，熔池粘度很大，焊口根部間隙過小時極易造成根部未焊透現象。針對此類缺陷，焊接過程前后采取如下措施。

（1）由于T91鋼液態金屬流動性差，安裝對口時應適當加大對口間隙（2.5～3.5 mm）、鈍邊0.5～1.0 mm，防止焊口根部未焊透。

（2）焊槍盡量使用短瓷嘴（長度45 mm），保證鎢棒尖端銳度。在“盲區”位置適量將鎢棒（正常約5 mm）多伸出2 mm，這樣在焊接過程中，能正常的將電弧熱量輸送至“盲區”，使接頭熔合良好。

（3）焊縫根部打底焊時，選用合適的焊接電流和焊接速度，采用“內加絲法”，即在坡口兩邊熔化后，再沿坡口內加焊絲熔化，使坡口與焊絲充分熔合形成良好的接頭。這樣既能清晰地看到“盲區”接頭，又可以看到坡口的熔化程度，同時又可以保證焊縫根部完全焊透。填充焊和蓋面焊時，采用側面送絲，這時焊工視線能看到“盲區”接頭處層間熔合的良好程度。

（4）焊縫根部打底焊接時，要注意不能象焊接一般鋼材那樣，送絲要均勻，不能靠送焊絲的力量來突出根部。鐵水過渡最好采用自由過渡，否則容易造成根部焊縫出現未熔化的焊絲頭。收弧時特別要注意把弧坑填滿后，等焊接電流衰減下來，才移向坡口邊收弧，防止產生弧坑裂紋。

（5）T91鋼合金含量高，淬硬傾向大。按焊接工藝卡要求，在焊接前先將管口均勻預熱至150～200 ℃，施焊時嚴格控制焊接參數和焊接線能量，注意接頭收弧質量，減少裂紋傾向；層間溫度控制在250～300 ℃，根據焊接規程規定，合金含量高的耐熱鋼（Cr≥3%或合金總含量>5%）在焊接過程中，為防止根層氧化或“過燒”，要對管口進行充氬保護措施。具體實施的步驟如下：

①在對接管口內兩側各200 mm處用水溶性紙封住，使管壁內腔形成一個氣室，為隔絕空氣做準備。

②按焊接工藝卡要求，在焊接前應預熱至150～200 ℃，用高溫可粘膠布將待焊管口封住，然后利用充氬裝置（皮管端裝上球針）往管口內充氬氣。充氬時間不少于10 min，待氣室內有氬氣流出時開始打底，焊一段把膠布拔開一段。為保證焊縫根部質量，最好先將焊口根部打底1/2后，仔細檢查已焊部分確保無缺陷出現，再進行管口另外1/2打底。

③當打底至充氬孔（在焊口的最好位置預留約8 mm），并繼續往管內充氬，待已打完底的填充層焊完，將充氬球針拉出，然后焊上預留孔，并利用氣室內的剩余氬氣完成其填充層，最后完成蓋面層。endprint

3 焊接工藝

（1）焊接方法：鎢極氬弧焊（GTAW），單面焊雙面成型（鎢極為鈰鎢棒，直徑為φ2.5 mm，焊槍瓷嘴直徑為φ8 mm）。

（2）焊接設備：時代逆變式WS-400（PNE13-400），直流弧焊機，高頻引弧，衰減滅弧。

（3）焊接材料：選用日本神鋼生產的TGS-9cb（φ2.4 mm）焊絲，必須具備出廠合格證書，無銹斑，其化學成分（見表2）。

（4）保護氣體：氬氣，純度≥99.99%。

（5）焊工：兩名技術穩定、經驗豐富的持證焊工，并且在施工前經過焊前練習檢驗合格。

（6）坡口形式：V型坡口70°，鈍邊0.5～1.0 mm，間隙2.5～3.5 mm，坡口內外管壁10～15 mm處打磨出金屬光澤，清除氧化物、鐵銹、油污、油漆等對焊接有害的物質。

（7）焊接規范參數：根據現場組合焊口管材、規格和焊接位置，進行一次與實際相同的模擬試焊，將試樣進行外觀檢查及無損檢驗。經過反復實踐，不斷摸索，使練習試樣合格，從而得到適合于現場操作的焊接規范參數。具體的焊接規范參數如表3所示。

4 焊接操作過程

4.1 T91鋼焊接前需進行如下的準備工作

（1）施工技術資料的準備：開工前應準備施工作業指導書、焊口編口、焊接工藝卡、技術交底詳情。

（2）施工現場的準備：施工現場必須提供充足的動力電源，做好防風擋雨措施，有足夠數量的WS-400逆變電焊機。

（3）充氬的準備：必須提供充足的氬氣，T91鋼小徑管的焊接施工中根層焊接需要充氬保護；需要準備可溶紙、鋼針管或球針及氬氣管、高溫膠帶、氬氣流量計（包括減壓表）、打火機等。

4.2 作業內容

（1）坡口加工及檢查：坡口制備用機械加工的方法，不允許使用火焰切割。由于末級過熱器為聯箱結構，應仔細檢查整排管口的打磨質量以及管內預制充氬區封堵情況，避免出現重新對口的返工現象。

（2）預制充氬區：根據焊接鋼管的內徑，裁剪可溶紙，折疊成圓錐狀，圓錐底面的直徑應比鋼管的內徑稍大，填塞進鋼管里。

（3）對口：對口時應采用專用夾具（對口鉗），嚴禁強力對口。對口錯口不得超過 1.0 mm，坡口間隙應修整到規定尺寸。遇到有錯位的管口用預置的木尖來調整，對口尺寸如圖1所示。

（4）預熱：根據工藝卡要求，點焊前應預熱到150～200 ℃（履帶式加熱器）。

（5）充氬：坡口處母材溫度符合要求后，開始充入氬氣。充氬針頭采用球針，使用時將球針彎成90°，探進坡口，順坡口內壁進行充氬。焊口環周用高溫膠帶將焊口封住。

（6）點焊固定：往管內充氬時間不少于10 min后進行根層點焊，點焊焊縫長15～20 mm，厚度3 mm，點焊位置在11點到1點之間，為了避免其它管子由于前面焊接后的收縮而影響對口質量，先把一整排管（6根）全部焊口點焊定位好，以防止對口間隙變化。點焊處若焊縫背面呈亮白色，則保護效果良好；若顏色發暗沒有光澤，則需要完善充氬工作。此時將被氧化的點焊縫磨掉，重新進行點焊。

（7）打底層焊接：點焊自檢合格后進行打底焊接。為了保證根層焊縫質量，采用前后各一名焊工進行對焊。一人打底焊，一人充氬，這樣有利于相互檢查。管徑規格φ57×8mm為控制層間溫度，保證焊接接頭質量優良，一次預熱3個焊口為宜。焊接順序，由1-2-3-4或1-4-2-3順序進行。

（8）填充蓋面焊接：完成打底后，仔細檢查底層焊縫，確認無缺陷后，按表3焊接工藝參數來完成填充層、蓋面層的焊接。焊工在焊接所有后一道焊縫前，都應確認層間溫度，可用遠紅外測溫儀輔助驗證，待層間溫度降到250～300 ℃的溫度后才可以開始焊接。為了提高工作效率，采用焊完一道焊口的一個焊道后，停下來進行第二道焊口的一道焊道的焊接，以后依次類推。在焊接過程中，焊槍與工件的角度保持在80～85°之間，焊絲與工件的角度保持在10°左右。同時要注意焊道接頭和收弧質量，收弧時應將熔池填滿，各層焊接接頭應錯開，蓋面層焊道應圓滑過渡到母材。

5 檢驗結果

按檢驗規程DL/T821、DL/T820-2002規定和DL/T869-2004質量標準要求，對T91鋼焊縫進行100%射線檢測并加50%超聲波檢測，1#、2#鍋爐末級過熱器T91鋼焊口一次合格率分別為：97.57%和98.09%，達到了預期的目標。具體檢驗結果如表4所示。

6 結論

檢驗結果表明：末級過熱器T91鋼只要采用合理的焊接參數，嚴格控制對口間隙、預熱溫度、層間溫度、焊接熱輸入量，運用正確的操作方法，合理安排焊接順序，采取必要的工藝措施，嚴格執行焊接工藝規范，最大限度的減少了焊接“盲區”未熔合、焊縫根層“過燒”和根部未焊透接頭的出現，并能獲得優質的焊接接頭，保證機組的運行可靠性和穩定性。

參考文獻

[1] 鄒勇，梁亞軍，薛龍，等.焊接機器人管道全自動打底焊研究[J].電焊機，2008（8）.

[2] 樊立奎，鄧偉.提高鎢極氬弧焊不銹鋼薄壁管質量的分析研究[J].鋼管，2000（5）.

[3] 王中文，姚智遠.管道焊接中手工鎢極氬弧焊（TIG）單面焊雙面成形技術[J].平頂山工學院學報，2007（2）.endprint

3 焊接工藝

（1）焊接方法：鎢極氬弧焊（GTAW），單面焊雙面成型（鎢極為鈰鎢棒，直徑為φ2.5 mm，焊槍瓷嘴直徑為φ8 mm）。

（2）焊接設備：時代逆變式WS-400（PNE13-400），直流弧焊機，高頻引弧，衰減滅弧。

（3）焊接材料：選用日本神鋼生產的TGS-9cb（φ2.4 mm）焊絲，必須具備出廠合格證書，無銹斑，其化學成分（見表2）。

（4）保護氣體：氬氣，純度≥99.99%。

（5）焊工：兩名技術穩定、經驗豐富的持證焊工，并且在施工前經過焊前練習檢驗合格。

（6）坡口形式：V型坡口70°，鈍邊0.5～1.0 mm，間隙2.5～3.5 mm，坡口內外管壁10～15 mm處打磨出金屬光澤，清除氧化物、鐵銹、油污、油漆等對焊接有害的物質。

（7）焊接規范參數：根據現場組合焊口管材、規格和焊接位置，進行一次與實際相同的模擬試焊，將試樣進行外觀檢查及無損檢驗。經過反復實踐，不斷摸索，使練習試樣合格，從而得到適合于現場操作的焊接規范參數。具體的焊接規范參數如表3所示。

4 焊接操作過程

4.1 T91鋼焊接前需進行如下的準備工作

（1）施工技術資料的準備：開工前應準備施工作業指導書、焊口編口、焊接工藝卡、技術交底詳情。

（2）施工現場的準備：施工現場必須提供充足的動力電源，做好防風擋雨措施，有足夠數量的WS-400逆變電焊機。

（3）充氬的準備：必須提供充足的氬氣，T91鋼小徑管的焊接施工中根層焊接需要充氬保護；需要準備可溶紙、鋼針管或球針及氬氣管、高溫膠帶、氬氣流量計（包括減壓表）、打火機等。

4.2 作業內容

（1）坡口加工及檢查：坡口制備用機械加工的方法，不允許使用火焰切割。由于末級過熱器為聯箱結構，應仔細檢查整排管口的打磨質量以及管內預制充氬區封堵情況，避免出現重新對口的返工現象。

（2）預制充氬區：根據焊接鋼管的內徑，裁剪可溶紙，折疊成圓錐狀，圓錐底面的直徑應比鋼管的內徑稍大，填塞進鋼管里。

（3）對口：對口時應采用專用夾具（對口鉗），嚴禁強力對口。對口錯口不得超過 1.0 mm，坡口間隙應修整到規定尺寸。遇到有錯位的管口用預置的木尖來調整，對口尺寸如圖1所示。

（4）預熱：根據工藝卡要求，點焊前應預熱到150～200 ℃（履帶式加熱器）。

（5）充氬：坡口處母材溫度符合要求后，開始充入氬氣。充氬針頭采用球針，使用時將球針彎成90°，探進坡口，順坡口內壁進行充氬。焊口環周用高溫膠帶將焊口封住。

（6）點焊固定：往管內充氬時間不少于10 min后進行根層點焊，點焊焊縫長15～20 mm，厚度3 mm，點焊位置在11點到1點之間，為了避免其它管子由于前面焊接后的收縮而影響對口質量，先把一整排管（6根）全部焊口點焊定位好，以防止對口間隙變化。點焊處若焊縫背面呈亮白色，則保護效果良好；若顏色發暗沒有光澤，則需要完善充氬工作。此時將被氧化的點焊縫磨掉，重新進行點焊。

（7）打底層焊接：點焊自檢合格后進行打底焊接。為了保證根層焊縫質量，采用前后各一名焊工進行對焊。一人打底焊，一人充氬，這樣有利于相互檢查。管徑規格φ57×8mm為控制層間溫度，保證焊接接頭質量優良，一次預熱3個焊口為宜。焊接順序，由1-2-3-4或1-4-2-3順序進行。

（8）填充蓋面焊接：完成打底后，仔細檢查底層焊縫，確認無缺陷后，按表3焊接工藝參數來完成填充層、蓋面層的焊接。焊工在焊接所有后一道焊縫前，都應確認層間溫度，可用遠紅外測溫儀輔助驗證，待層間溫度降到250～300 ℃的溫度后才可以開始焊接。為了提高工作效率，采用焊完一道焊口的一個焊道后，停下來進行第二道焊口的一道焊道的焊接，以后依次類推。在焊接過程中，焊槍與工件的角度保持在80～85°之間，焊絲與工件的角度保持在10°左右。同時要注意焊道接頭和收弧質量，收弧時應將熔池填滿，各層焊接接頭應錯開，蓋面層焊道應圓滑過渡到母材。

5 檢驗結果

按檢驗規程DL/T821、DL/T820-2002規定和DL/T869-2004質量標準要求，對T91鋼焊縫進行100%射線檢測并加50%超聲波檢測，1#、2#鍋爐末級過熱器T91鋼焊口一次合格率分別為：97.57%和98.09%，達到了預期的目標。具體檢驗結果如表4所示。

6 結論

檢驗結果表明：末級過熱器T91鋼只要采用合理的焊接參數，嚴格控制對口間隙、預熱溫度、層間溫度、焊接熱輸入量，運用正確的操作方法，合理安排焊接順序，采取必要的工藝措施，嚴格執行焊接工藝規范，最大限度的減少了焊接“盲區”未熔合、焊縫根層“過燒”和根部未焊透接頭的出現，并能獲得優質的焊接接頭，保證機組的運行可靠性和穩定性。

參考文獻

[1] 鄒勇，梁亞軍，薛龍，等.焊接機器人管道全自動打底焊研究[J].電焊機，2008（8）.

[2] 樊立奎，鄧偉.提高鎢極氬弧焊不銹鋼薄壁管質量的分析研究[J].鋼管，2000（5）.

[3] 王中文，姚智遠.管道焊接中手工鎢極氬弧焊（TIG）單面焊雙面成形技術[J].平頂山工學院學報，2007（2）.endprint

3 焊接工藝

（1）焊接方法：鎢極氬弧焊（GTAW），單面焊雙面成型（鎢極為鈰鎢棒，直徑為φ2.5 mm，焊槍瓷嘴直徑為φ8 mm）。

（2）焊接設備：時代逆變式WS-400（PNE13-400），直流弧焊機，高頻引弧，衰減滅弧。

（3）焊接材料：選用日本神鋼生產的TGS-9cb（φ2.4 mm）焊絲，必須具備出廠合格證書，無銹斑，其化學成分（見表2）。

（4）保護氣體：氬氣，純度≥99.99%。

（5）焊工：兩名技術穩定、經驗豐富的持證焊工，并且在施工前經過焊前練習檢驗合格。

（6）坡口形式：V型坡口70°，鈍邊0.5～1.0 mm，間隙2.5～3.5 mm，坡口內外管壁10～15 mm處打磨出金屬光澤，清除氧化物、鐵銹、油污、油漆等對焊接有害的物質。

（7）焊接規范參數：根據現場組合焊口管材、規格和焊接位置，進行一次與實際相同的模擬試焊，將試樣進行外觀檢查及無損檢驗。經過反復實踐，不斷摸索，使練習試樣合格，從而得到適合于現場操作的焊接規范參數。具體的焊接規范參數如表3所示。

4 焊接操作過程

4.1 T91鋼焊接前需進行如下的準備工作

（1）施工技術資料的準備：開工前應準備施工作業指導書、焊口編口、焊接工藝卡、技術交底詳情。

（2）施工現場的準備：施工現場必須提供充足的動力電源，做好防風擋雨措施，有足夠數量的WS-400逆變電焊機。

（3）充氬的準備：必須提供充足的氬氣，T91鋼小徑管的焊接施工中根層焊接需要充氬保護；需要準備可溶紙、鋼針管或球針及氬氣管、高溫膠帶、氬氣流量計（包括減壓表）、打火機等。

4.2 作業內容

（1）坡口加工及檢查：坡口制備用機械加工的方法，不允許使用火焰切割。由于末級過熱器為聯箱結構，應仔細檢查整排管口的打磨質量以及管內預制充氬區封堵情況，避免出現重新對口的返工現象。

（2）預制充氬區：根據焊接鋼管的內徑，裁剪可溶紙，折疊成圓錐狀，圓錐底面的直徑應比鋼管的內徑稍大，填塞進鋼管里。

（3）對口：對口時應采用專用夾具（對口鉗），嚴禁強力對口。對口錯口不得超過 1.0 mm，坡口間隙應修整到規定尺寸。遇到有錯位的管口用預置的木尖來調整，對口尺寸如圖1所示。

（4）預熱：根據工藝卡要求，點焊前應預熱到150～200 ℃（履帶式加熱器）。

（5）充氬：坡口處母材溫度符合要求后，開始充入氬氣。充氬針頭采用球針，使用時將球針彎成90°，探進坡口，順坡口內壁進行充氬。焊口環周用高溫膠帶將焊口封住。

（6）點焊固定：往管內充氬時間不少于10 min后進行根層點焊，點焊焊縫長15～20 mm，厚度3 mm，點焊位置在11點到1點之間，為了避免其它管子由于前面焊接后的收縮而影響對口質量，先把一整排管（6根）全部焊口點焊定位好，以防止對口間隙變化。點焊處若焊縫背面呈亮白色，則保護效果良好；若顏色發暗沒有光澤，則需要完善充氬工作。此時將被氧化的點焊縫磨掉，重新進行點焊。

（7）打底層焊接：點焊自檢合格后進行打底焊接。為了保證根層焊縫質量，采用前后各一名焊工進行對焊。一人打底焊，一人充氬，這樣有利于相互檢查。管徑規格φ57×8mm為控制層間溫度，保證焊接接頭質量優良，一次預熱3個焊口為宜。焊接順序，由1-2-3-4或1-4-2-3順序進行。

（8）填充蓋面焊接：完成打底后，仔細檢查底層焊縫，確認無缺陷后，按表3焊接工藝參數來完成填充層、蓋面層的焊接。焊工在焊接所有后一道焊縫前，都應確認層間溫度，可用遠紅外測溫儀輔助驗證，待層間溫度降到250～300 ℃的溫度后才可以開始焊接。為了提高工作效率，采用焊完一道焊口的一個焊道后，停下來進行第二道焊口的一道焊道的焊接，以后依次類推。在焊接過程中，焊槍與工件的角度保持在80～85°之間，焊絲與工件的角度保持在10°左右。同時要注意焊道接頭和收弧質量，收弧時應將熔池填滿，各層焊接接頭應錯開，蓋面層焊道應圓滑過渡到母材。

5 檢驗結果

按檢驗規程DL/T821、DL/T820-2002規定和DL/T869-2004質量標準要求，對T91鋼焊縫進行100%射線檢測并加50%超聲波檢測，1#、2#鍋爐末級過熱器T91鋼焊口一次合格率分別為：97.57%和98.09%，達到了預期的目標。具體檢驗結果如表4所示。

6 結論

檢驗結果表明：末級過熱器T91鋼只要采用合理的焊接參數，嚴格控制對口間隙、預熱溫度、層間溫度、焊接熱輸入量，運用正確的操作方法，合理安排焊接順序，采取必要的工藝措施，嚴格執行焊接工藝規范，最大限度的減少了焊接“盲區”未熔合、焊縫根層“過燒”和根部未焊透接頭的出現，并能獲得優質的焊接接頭，保證機組的運行可靠性和穩定性。

參考文獻

[1] 鄒勇，梁亞軍，薛龍，等.焊接機器人管道全自動打底焊研究[J].電焊機，2008（8）.

[2] 樊立奎，鄧偉.提高鎢極氬弧焊不銹鋼薄壁管質量的分析研究[J].鋼管，2000（5）.

[3] 王中文，姚智遠.管道焊接中手工鎢極氬弧焊（TIG）單面焊雙面成形技術[J].平頂山工學院學報，2007（2）.endprint