火電廠TP347H與T91異種鋼現場焊接工藝研究

王沛（蘭州西固熱電有限責任公司，甘肅 蘭州730060）

火電廠TP347H與T91異種鋼現場焊接工藝研究

王沛
（蘭州西固熱電有限責任公司，甘肅 蘭州730060）

根據火電廠現場焊接作業采用兩種不同的工藝，進行TP347H與T91異種鋼焊接工藝試驗，通過對試樣接頭的性能試驗分析，總結出了采用預熱但不進行焊后熱處理的全氬弧焊接工藝是TP347H與T91異種鋼現場焊接作業既經濟又可靠的焊接工藝，對火電廠異種鋼現場焊接作業具有實際指導意義。

異種鋼；現場焊接；工藝研究

近幾年隨著火電機組參數的不斷提高，對所使用金屬材料的性能要求也越來越高，材料成分越來越復雜，在鍋爐受熱面金屬壁溫高于580℃的再熱器、過熱器等中，大多選用蠕變強度和抗氧化性能較好的奧氏體不銹鋼（如TP347H等）、馬氏體耐熱鋼（如T91等）等；并且已投入運行的老機組為解決由于運行超溫導致的受熱面管頻繁爆管問題，也開始逐步選用耐高溫、抗氧化性能好的馬氏體高強鋼（如T91等）和奧氏體不銹鋼（如TP347H等）替代低合金耐熱鋼；電站鍋爐奧氏不銹鋼TP347H與馬氏體耐熱鋼T91異種鋼焊接接頭數量越來越多，為了解決此類異種鋼焊接問題，我們結合現場實際情況，開展TP347H和T91異種鋼焊接工藝試驗工作。通過對TP347H與T91異種鋼焊接接頭進行可焊性分析，確定焊接方法和焊接材料，研究不同焊接工藝下接頭性能，制定出安全、經濟的現場焊接工藝。

1　母材性能及焊接性分析

1.1TP347H鋼母材性能及焊接性分析

TP347H為奧氏體不銹鋼，具有較高的蠕變強度、抗蒸汽氧化、耐煙氣腐蝕性能，這種材料具有較好的可加工性，主要應用于600℃以上的過熱器、再熱器等受熱面管。TP347H鋼焊接時易產生熱裂紋，使用過程中有晶間腐蝕、應力腐蝕傾向，其化學成分組成見表3。

T91屬于馬氏體耐熱鋼，組織結構為回火馬氏體，它有很好的沖擊韌性和高且穩定的持久塑性，有很好的抗氧化性和熱強性，具有較高的抗高溫腐蝕的性能，具有良好的工藝性能和物理性能。這種鋼具有較大的淬硬傾向，焊后空冷得到馬氏體組織，焊后極易產生冷裂紋。其化學成分組成見表3。

1.2TP347H和T91異種鋼焊接特點

TP347H和T91兩者焊接性存在較大差異。兩者其接頭化學成分、金屬組織和機械性能均相差較大，T91鋼的線膨脹系數為12.5×10/℃，TP347H鋼的線膨脹系數為18.9×10/℃，兩者相差較大，焊接時由于應力和變形較大易造成開裂等缺陷。由于熔合線兩側合金元素含量不同，在焊接過程中，熔合區存在C的擴散遷移，形成脫碳層和增碳層，奧氏體鋼側生成碳化鉻，使晶界貧鉻，在腐蝕介質作用下產生晶間腐蝕，造成該區抗蠕變能力、持久強度和塑性等的下降，造成接頭的早期失效。因此選用合適的焊接材料與焊接工藝，對確保設備安全運行至關重要。

1.3焊接方法及焊材的選取

T91的主要問題是接頭的冷裂紋和過熱脆化，焊接時需要采用小的焊接規范，并采取預熱措施；TP347H由于其導熱系數小而線膨脹系數大，焊接時易于產生較大的焊接變形，為此，焊接時應快速焊，使線能量保持在較低水平，采取較小的焊接規范。T91和TP347H異種鋼接頭焊接工藝采取全氬弧焊接，焊接時管內部要充氬進行保護，防止焊縫背部氧化。

T91和TP347H焊接材料的選擇，應該盡量避免焊縫熔合區產生脆性層，提高焊縫塑性和韌性；防止碳的遷移，減小擴散層；線膨脹系數在兩母材之間并接近T91，減小異種鋼焊接接頭應力，滿足接頭使用性能要求。鎳是一種能降低碳化物穩定性的元素，并削弱碳化物形成元素對碳的結合能力，因而提高焊縫中鎳含量，是抑制熔合區碳遷移的最有效手段，所以焊接時選用焊絲INCONEL82。

2　TP347H與T91異種鋼焊接工藝試驗

2.1試驗內容

選用鎳基焊絲INCONEL82，在兩種不同焊接工藝條件下，TP347H與T91異種鋼進行焊接試驗。對焊接接頭進行力學性能及金相試驗，評定焊接接頭性能，優化焊接工藝參數，制定一種安全經濟的焊接工藝。

2.2焊接工藝

焊接第1種工藝包括焊前預熱和焊后熱處理。焊接第2種工藝包括焊前預熱和焊后不熱處理，如表1所示。

2.2.1評定條件

表1　焊接工藝編號

1）試件規格：Ф63×4mm。

2）坡口型式：V型（如圖1所示）。采用較大的坡口角度35°。

圖1　坡口形狀及尺寸

2.2.2焊接方法與材料

采用全氬弧焊接方法，絲牌號：INCONEL82，規格Φ2.0mm。

2.2.3焊前準備

1）焊工應具備T91和不銹鋼小管焊接培訓考核合格的資格證書，并進行焊前模擬練習，以掌握焊材、母材及焊機的性能。

2）焊前將坡口及附近內外壁鋼材15～20mm打磨見金屬光澤。

3）對口及點固焊

（a）試件對口錯邊量≤0.4mm，對口間隙見圖1所示。

（b）采用根部直接點焊固定。

（c）點固焊前氧乙炔火焰加熱點固焊區100～150mm，范圍100～150℃。

（d）施焊過程中嚴禁在非焊接部位母材上引弧，焊接臨時固定物。

2.2.4焊前預熱及層間溫度

1）用電腦控制加熱器進行加熱，采用第2種工藝時可用火焰進行預熱。

2）預熱升溫參數：速度150℃/h，預熱溫度100～150℃，焊接層間溫度200～300℃。

2.2.5焊接工藝參數

1）工藝參數見表2。

表2　焊接工藝參數

2）氬弧焊打底焊厚度2.5≤δws≤3.0；管內充氬氣流量8～12（L/min）

3）采用兩層三道排列，單道焊道寬度小于所用焊材直徑的3倍，如圖2所示。

2.2.6焊后熱處理

1）第一種工藝采用遠紅外履帶式加熱片（小管專用），設備能自動記錄曲線。

對兩種工藝下完成的焊接接頭試樣進行外觀檢查，檢查結果符合相關標準要求；進行射線檢驗（RT）和滲透檢驗（PT），檢驗結果符合相關標準規定。

圖2　焊道（層）排列順序

2）第一種工藝焊接完成后進行730～750℃×0.5h回火處理，加熱和冷卻速度≤150℃/h，300℃以下不再控制。

3　異種鋼接頭質量檢驗及性能試驗

3.1母材和焊絲化學成分分析

按照標準，分別對鍋爐管TP347H、T91及選用的INCONEL82焊絲進行化學成分分析，結果合格。鋼管化學成分見表3，焊絲化學成分見表4。

表3　T91和TP347H鋼化學成分

表4　焊絲的化學成分

3.2焊接接頭外觀檢查及無損檢測

根據承壓設備無損檢測標準NB/T47013-2015

3.3焊接接頭力學性能試驗

1）按照GB/T228.1～2010標準進行常溫拉伸試驗，兩種焊接工藝下的試樣拉伸試驗 Re0.2為305MPa，Rm為620～633MPa，斷后伸長率44.5%～46.5%，均滿足相關標準規定。

2）按照GB/T2653～2008標準進行彎曲試驗，未發現裂紋，試驗結果合格。

3）按照GB/T231.1～2009標準對焊接接頭進行布氏硬度試驗，T91側焊縫鄰近母材及熱影響區的硬度在190～210HB之間，TP347H側焊縫鄰近母材、焊縫及熱影響區的硬度在150～182HB之間，均滿足DL/T438-2009標準對材料的要求。

3.4焊接接頭金相檢驗

焊接試樣進行金相檢驗，在OLYMPUSGX51金相顯微鏡下觀察組織，金相組織無裂紋、無過燒組織、無淬硬性馬氏體組織，符合相關技術標準要求。

4　工藝試驗結論

1）外觀檢查、射線檢驗（RT）和滲透檢驗（PT）無損探傷結果均合格；

2）不同工藝得到的異種鋼接頭的拉伸試樣均斷于TP347H側母材，拉伸強度較接近，符合相關標準規定，試驗結果合格；

3）兩種焊接工藝的試樣彎曲試驗結果合格；

4）不同工藝得到的焊接接頭焊縫鄰近母材、焊縫及熱影響區的硬度均滿足相關標準要求，檢驗結果合格；

5）不同工藝得到的焊接接頭的金相組織均符合相關技術標準要求，檢驗結果合格。

綜合以上試驗結果可知，兩種焊接工藝均滿足要求，但采用預熱但不進行焊后熱處理的焊接工藝，不但焊前預熱工序簡單，而且不包括焊后熱處理程序，省力省時，效率較高，符合機組檢修周期特點，比較適合現場實際焊接作業要求，故此工藝為火電廠TP347H與T91異種鋼焊接作業理想的現場焊接工藝。

［1］火力發電廠焊接技術規程DL/T869-2012.

［2］火力發電廠焊接工藝評定規程DL/T868-2004.

［3］承壓設備無損檢測標準NB/T47013-2015.

［4］火力發電廠異種鋼焊接技術規程DL/T752-2010.

TG44