SA213—SUPER304H超級不銹鋼焊接工藝

隗祖民

摘 要：該文通過對SA213-SUPER304H超級不銹鋼在超超臨界機組安裝焊接過程中的技術管理經歷，結合自己從事火力發電廠焊接技術工作積累的豐富經驗及一定的工藝實驗和理論知識，對該SA213-SUPER304H鋼材進行了材料物理化學性能分析、焊接工藝難點分析以及相應的措施制定，從而對該超級不銹鋼小徑管的焊接工藝的選擇、現場焊接施工中應注意的事項及應采取的措施等均有一定的探索，給往后火電安裝工程中該類鋼材的焊接積累和總結了一些寶貴的經驗和數據，具有一定借鑒意義。

關鍵詞：SA213-SUPER304H鋼 超級不銹鋼 焊接工藝

中圖分類號：TG457.11 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

為提高電站機組熱效率、降低煤耗和發電成本，減少SO2、CO2等污染氣體的排放量，世界各國均以發展大容量、高效率的超臨界甚至超超臨界機組為主要方向，以適應環境保護和節約能源的要求。超超臨界機組是當代火力發電廠的共同發展趨勢，鍋爐是火電機組的關鍵設備，其蒸汽參數達到26.25 MPa、600℃，這就要求開發出耐高溫性能更好的耐熱鋼，目前，世界先進國家普遍采用的是新型細晶強韌化鐵素體耐熱鋼和新型細晶奧氏體耐熱鋼，SUPER304H就屬于新型細晶奧氏體耐熱鋼，主要應用于超超臨界鍋爐高溫過熱器、高溫再熱器等重要部件。

1 材料物理化學性能的分析

SUPER304H鋼是日本在TP304H鋼中添加了3%Cu、0.4%Nb和一定量的N開發出的新型鋼種，該鋼種具有極高的蠕變斷裂強度，在600～650℃下的許用應力比TP304H高30%，而且組織性能和力學性能穩定，是超超臨界鍋爐過熱器、再熱器的首選材料。SUPER304H鋼的化學成分（%）為：C 0.07～0.13，Mn ≤1.0，Si≤0.03 ，S ≤0.01，P ≤0.04，NI 7.5～10.5，Cr 17～19，Cu 2.5～3.5，W 1.52，Nb0. 3～0.6 ，N0.05～0.12。其主要力學性能為：屈服強≥235 MPa，抗拉強度≥590 MPa縱向延伸率（%）≥35硬度（HB）≤219。

SA213-SUPER304H鋼的化學成分，在鋼中加入適量的銅和鈮，是為了提高其持久強度、持久塑性、韌性和抗腐蝕性；而對高溫抗拉強度有較大影響的氮含量上限控制在0.12%，主要是考慮到運行溫度下長期時效后塑性下降。

2 焊接工藝難點分析

SA213-SUPER304H鋼在供貨狀態下是單一的奧氏體組織，焊接Cr、Ni純奧氏體鋼的主要問題有三個，分別是焊接裂紋、接頭腐蝕和時效脆化。焊接純Cr、Ni奧氏體鋼容易出現高溫裂紋，他們是結晶裂紋、高溫液化裂紋、高溫脆性裂紋。若Cr、Ni奧氏體鋼在焊接以后經過敏化，接頭可能發生晶間腐蝕；Cr、Ni奧氏體鋼的應力腐蝕發生在含有CL-的介質中，而且介質溫度愈高，愈容易發生應力腐蝕，最容易發生應力腐蝕的溫度范圍是50～300℃。

2.1 焊縫熱裂紋問題

力學因素：SUPER304H屬于奧氏體型不銹鋼，由于奧氏體不銹鋼導熱性差，其電阻率是低碳鋼的4倍，而線膨脹系數卻很大，約是低碳鋼的2倍，所以焊后在接頭中會產生較大的焊接應力。

冶金因素：奧氏體不銹鋼中的Ni與P，S等雜質在熔池中易形成低熔點共晶，此外，奧氏體不銹鋼的液相線與固相線的距離較大，結晶時間較長，且奧氏體結晶的枝晶方向性很強，所以雜質偏析現象嚴重。

2.2 晶間腐蝕

冶金因素：Cr與C結合，在晶間形成碳化鉻，結果使晶界附近的含鉻量大為減少，形成貧鉻區，當晶界附近的金屬含鉻量低于12%就失去了耐腐蝕的能力，在腐蝕介質的作用下，即產生晶間腐蝕。

力學因素：產生晶間腐蝕的材料當受到外力作用的時候，就會沿晶界斷裂，幾乎完全喪失強度。這是奧氏體不銹鋼最危險的一種破壞形式，但是奧氏體不銹鋼不是任何時候都會產生晶間腐蝕，它與鋼的加熱溫度和加熱時間有關，產生晶間腐蝕的溫度為450～850℃（敏化溫度），尤其以650℃最為危險。

3 焊接工藝難點的措施選擇

3.1焊接材料的選擇

選擇一種焊接工藝性能良好、焊縫金屬性能優異的焊接材料是保證焊接接頭質量的前提，采用了日本住友公司SUPER304H生產商開發的SUPER304H鋼的焊接材料YT-304H。其化學成分（%）為：

C 0.1， Mn 3.23，Mn 0.19， Si 0.19 ，S 0.003， P 0.008， NI 15.96， Cr 18.63 ，Cu 3.07， Mo 0.89， Nb+Ta 0.65，N 0.21。

采用的YT-304H焊材，含有Ta和Nb添加劑，可有效避免焊接熱裂紋的產生。Ta和Nb與C的結合力比Cr更強，從而使焊縫金屬獲得雙相組織：奧氏體+鐵素體，少量的鐵素體可以細化晶粒、打亂柱狀晶的方向和防止雜質的聚集，鐵素體還可以比奧氏體溶解更多的雜質，從而可以減少偏析現象，因此雙相組織的焊縫比單相奧氏體的焊縫具有較高的抗裂紋能力。

3.2層間溫度：防止晶間腐蝕的措施

采用小電流、快速、短弧多道焊，待先焊一層完全冷卻后再焊下一層，或用冷水澆等措施加速焊縫的冷卻，以盡量降低層間溫度，可有效防止晶間腐蝕。層間溫度不宜太高，控制在100℃以下最好。層間溫度過高將嚴重影響焊縫的沖擊韌性，為了控制層間溫度，不宜在同一地點進行重復施焊，而且焊接速度不能太慢。

3.3焊接電流、焊接速度

焊接電流是影響焊接質量的關鍵因素之一，尤其是對于該類存在合金元素燒損及影響焊接接頭沖擊韌性的高合金鋼的焊接。焊接電流降得過低，由于熔池的鐵水黏度大，流動性差，易造成未焊透、未熔合、夾渣等缺陷。焊接電流過大易造成合金元素的燒損，且關系的焊接線能量的輸入，而焊接線能量輸入大，焊縫金屬在高溫（1100℃以上）停留時間長，晶粒長大變脆，致使焊縫韌性降低。

3.4 背面保護

由于SA213-SUPER304H高合金材料存在根部層燒焦的現象，所以在焊接過程中我們要進行焊口背面強制性充Ar保護，以確保焊接質量。背面保護Ar氣流量為8～12 L/min。

4 現場焊接注意事項

由于是全氬弧焊接，而且該類材料主要用于高溫高壓部件，對焊接質量要求很高，所以對各種影響焊接質量的因素都應高度重視，在具體的施工中以下幾點值得注意。

4.1坡口清理

對坡口上的油、漆、水份等特別敏感，一旦清理不干凈，很容易產生氣孔。

4.2沖氬封堵

實踐證明，在SA213-SUPER304H的焊接中，許多缺陷往往出現在沖氬封堵不嚴實、漏氣、氣體不純，缺陷多為燒焦、未熔合、未焊透等，所以充氬封堵后一定要認真檢查。

4.3 打底焊

也是焊接的一個難點。現場施工時實際焊接位置差，不易看到整個管口，焊槍角度不易擺動，所以如焊接規范不合適是很容易出現焊接缺陷的，特別是氣孔、燒焦、未焊透等。

4.4填充及蓋面層

如焊接時層間溫度達到超出上限，應暫停焊接，等溫度下降到規定的溫度范圍內后，才重新開始施焊，這樣雖然對生產率有一定的影響，但焊接質量卻可得到保證。

參考文獻

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