SA213—TP347H∕SA213—T91異種鋼的焊接

廣東拓奇電力技術發展有限公司 510663

摘要：600MW或1000MW火力發電廠中，由于鍋爐內不同部件位置溫度壓力區別較大，為保證安全、經濟實用設計時不同溫度壓力段經常選用不同種鋼，其中在高溫再熱器或過熱器等部件中往往存在TP347H/T91異種鋼接頭焊接。這樣就遇到了奧氏體熱強鋼和馬氏體耐熱鋼異種鋼焊接的問題。本文結合福建寧德電廠600 MW機組檢修的工程實例，采用ERNiCr-3焊絲焊接，對#1爐屏式過熱器局部（SA213-TP347H∕SA213-T91）進行焊接，焊接完成后不進行焊后熱處理，焊后經100%射線檢驗一次合格率98.33%。實踐證明SA213-TP347H∕SA213-T91異種鋼焊接，采用鎳基焊材（ERNiCr-3）作填充材料全氬弧焊的工藝是可行的，可為同類工程提供一定借鑒價值。

關鍵詞：異種鋼焊接；可焊性；焊材選用；焊接工藝質量過程控制

前言

福建寧德電廠#1爐為上海鍋爐制造廠生產，其部件中屏式過熱器設計溫度為568℃，設計工作壓力為26.8MPa。屏式過熱器共計45屏，每屏26根管其中中間存在SA213-TP347H∕SA213-T91異種鋼焊口對接，管徑規格Φ38×6.5mm。2013年寧德電廠#1爐大修期間對屏過U型彎上直管段測厚時發現吹損減薄后管子厚度低于規定厚度，根據現場的情況對每屏內圈與外圈第一根管換管處理直管段進行跟換處理，焊口數為180個；管屏與管屏之間距離為400mm，每根管之間也是在10mm左右。基于用電比較緊張狀態下，業主對這次改造檢修時間控制得很緊，焊接接頭和焊接位置都比較特殊，為保證按期完成大修工作量。開工前我們對這次換管的兩種材質，焊材選擇和焊接位置進行了分析并制定一套焊接工藝方案，完工后證實是行之有效的。

一、SA213-TP347H∕SA213-T91焊接性能、化學成分

1.SA213-TP347H鋼是日本生產管材，屬超低氫型用鈮穩定的鉻鎳奧氏體熱強鋼。其鉻、鎳含量較高，具有較高的熱強性和抗晶間腐蝕性能、組織穩定、抗氧化性能好，化學成分見表1。

2.SA213-T91是美國國家橡樹嶺實驗室和美國燃料工程公司冶金材料實驗室合作研制，是在9Cr-1Mo鋼基礎上加入微量釩、鈮、鈦等合金元素同時有意識的降低碳元素上形成行成的，鋼材中各合金元素的加入提高了其固溶強化、彌散強化、抗氧化性、抗腐蝕性的性能，化學成分見表1。

二、奧氏體∕馬氏體異種鋼焊接存在的主要問題及分析

奧氏體+馬體異種鋼焊接，由于兩種不同成分、不同晶體結構的金屬互相摻合，在其熔合線附近出現了化學成分、金相組織、機械性能和物理性能的不

均勻性，由于這些不均勻性的存在，給接頭的使用安全性帶來了很大不利。奧氏體+馬氏體鋼焊接時，存在的主要問題有以下幾點：

1.焊縫熔合區存在一個脆性交界層

焊接過程中，由于焊縫金屬與馬氏體母材金屬成分相差很大，馬氏體母材金屬對焊縫金屬的“稀釋”作用，在焊縫熔合區存在明顯的濃度梯度，與焊縫中心區相比，Cr，Ni含量越靠近熔合線越少。當Ni含量降低至一定值時，會使焊縫熔合區的奧氏體形成元素不足，而形成熔合區脆性交界層，它的存在嚴重降低了接頭的沖擊韌性，使接頭的脆性增加，塑性下降。

2.焊縫交界面的碳遷移

碳遷移主要發生在馬氏體母材與奧氏體焊縫金屬的交界面上。之所以發生碳遷移現象，是因為焊縫金屬含有較多的碳化物形成元素，由于合金元素含量高，給碳擴散提供了有利條件。而且在任何溫度下，碳在α-Fe中的擴散能力比在γ-Fe中大得多，因此，碳趨向于由馬氏體鋼向奧氏體鋼中擴散遷移，因而在焊縫交界面附近會形成一個薄薄的增碳層和脫碳層，這在金相顯微鏡下難以看出。但隨著焊后加熱溫度的提高和加熱時間的延長，增碳層和脫碳層增寬，這是產生熱疲勞裂紋的誘導因素，為抑制碳擴散，應選用鎳含量高的焊條（焊絲）作填充材料。

3.焊縫交界面上的熱應力

由于奧氏體鋼和馬氏體焊縫金屬線膨脹系數差別很大，在奧氏體鋼與馬氏體焊縫界面附近會出現明顯的熱應力，而且焊后回火也不能消除，只能引起應力的重新分配。這種高溫應力也是造成界面破壞的主要原因。

為減少因膨脹差引起的熱應力，應選用合適的焊接材料，使焊縫金屬的線膨脹系數與奧氏體母材相近，使熱應力集中在塑性變形能力強的奧氏體鋼母材上，應使焊接接頭盡量避免溫度停留過長時間。

4.焊縫金屬的熱裂紋

用鎳基合金焊絲作填充材料時，焊縫金屬易形成方向性很強的柱狀組織—奧氏體，柱狀奧氏體有利于雜質元素的偏析。同時，合金元素在奧氏體中的溶解度有限，會與Ni，Fe生成低熔點共晶體分布于晶界，形成液態間膜。在焊接應力作用下易產生熱裂紋。為防止焊縫產生熱裂紋，選擇正確焊接材料，焊接時應采用較小的線能量，不預熱、不擺動、快速焊，以加快焊縫的冷卻速度，同時避免強制對口。

三、焊前準備

1.屏式過熱器進出口聯箱共45排，每排2根；坡口采用機械加工。鎢極氬弧焊對油漆、油污、鐵銹和臟物產生氣孔等缺陷很敏感，焊前清理要用角向磨光機打磨坡口表面內、外各15～20mm范圍內直至露出金屬光澤。

2.對口間隙要求稍微偏大，控制在2～3mm，鈍邊盡量控制在1mm或不留鈍邊，內壁錯口不得超過1mm。

3.焊前先把上下管子內徑每側各250mm處用水溶性紙或木漿性紙堵成密封氣室。用對口鉗夾著上下管子直至內壁整齊和間隙合適進行充氬氣，以防氬氣從坡口流失，點焊跟正式施焊一樣，嚴格按工藝卡執行。

四、焊接工藝

1.焊接方法：鎢極氬弧焊（GTAW），焊接位置垂直固定（2G），焊接工藝參數見表2。

2.焊接材料：焊絲選用ERNiCr-3鎳基焊絲，直徑Φ2.4mm。保護氣體：氬氣純度≧99.99﹪。焊機：同誠逆變焊機，氬弧焊搶氣冷式、角度75°。

五、焊接操作過程

1.本焊接接頭按工藝卡執行不需預熱，打底層焊接時，管子內部必須形成沖氬保護后方可進行，沖氣流量控制在10～15L/min。

2.由于管屏之間距離比較小，焊工只能站在管屏側面操作焊接，打底焊采用內加絲法，收弧時溫度控制低點（170℃以下），往坡口邊收弧和多加點焊絲。焊工要注意焊接收弧時視線受阻礙產生熔池未填滿從而產生縮孔和弧坑裂紋、根部縮孔。

3.第一層氬弧焊打底完，充氣小孔先不要封上；焊第二層第一道焊縫繼續充氣保護，為保證焊縫根部不燒焦（氧化）有必要再充氣保護。

4.這次換管焊接位置困難、管壁薄、直徑小，不銹鋼焊接時表面產生一層薄薄的氧化膜和鐵水的流動性差；如果焊接工藝的操作方法稍微不當，溫度過高都很容易造成根部燒焦（氧化），縮孔、未焊透等缺陷。在焊接過程中盡量利用短弧焊、不擺動、快速焊、小的線能量，送絲角度盡可能順著工件角度，避免每個接頭布置在一起。

5.注意首個焊口打底起弧根部充氬氣保護和收弧，氬氣是隋性氣體，密度比空氣大是往下沉的，盡量充一分鐘左右盡量排出空氣后起弧開始焊接，否則起弧后前面的幾個熔池很容易造成氧化甚至燒焦。收弧溫度也極易過高、造成收弧未填滿，且不銹鋼熱脹冷縮快易產生收弧縮孔和裂紋。

六、質量情況

1.嚴格履行三級驗收制度，檢驗標準按DL/T869-2004《火力發電廠焊接技術規程》的要求。外觀檢驗經單位專業質量二級驗收，業主專業過程監督檢查和質量三級驗收沒發現有超標缺陷，均為合格。

2.180個焊口委托業主金屬室進行100%射線檢驗，總體檢驗結果一次合格率98.33%以上。

七、結 論

（1）SA213-TP347H∕SA213-T91異種鋼焊接，選用鎳基焊材（ERNiCr-3）做填充材料，可采用焊后不做熱處理的焊接工藝。因為其含鎳量高，在焊接熔合比較大時，均能保證焊縫為奧氏體組織，具有很強的適應性；另外線膨脹系數接近母材，可較大地降低焊縫界面熱應力；還可以阻止碳擴散遷移，使T91側不易形成脫碳層，有利于提高接頭的高溫性能。

（2）在現役600MW與1000MW機組中異種鋼接頭因為物理性能和化學性能不同而帶來的焊接問題比較常見，只要我們了解其性能，選擇適合的焊材和焊接工藝，減少熱量輸出控制焊縫融合就可以獲得合格的焊接接頭。從而在電廠檢修、維護及安裝過程中做到保質保量的順利完成焊接工作。

（3）此次焊接接頭經業主、監理三級驗收和射線（RT）檢驗的總體結果證明，焊口一次合格率在98.33%以上，焊口質量優良、同時也保證工作按期完成。以上SA213-TP347H∕SA213-T91異種鋼焊接存在的難度分析后制定的施工方案及現場的質量控制措施是成功的，可為同類工程提供一定借鑒價值。

參考文獻：

[1]火力發電廠焊接技術規程.DL/T869-2012

[2]電力建設施工質量驗收及評價規程第7部分：焊接篇 DL/T5210.7-2010-2012

[3]火力發電廠金屬技術監督規程.DL/T438-2009