T24鋼超超臨界鍋爐膜式壁管屏多頭埋弧焊工藝分析

謝志勇

（中國中車集團天津電力機車有限公司，天津 300452）

T24鋼超超臨界鍋爐膜式壁管屏多頭埋弧焊工藝分析

謝志勇

（中國中車集團天津電力機車有限公司，天津 300452）

本文通過對德國的曼海姆9超超臨界塔式鍋爐制造項目中的T24鋼膜式壁管屏多頭埋弧焊工藝的解析，深入分析了多頭埋弧焊焊槍角度、焊槍位移、焊接電流、焊接電壓、焊前預熱溫度、焊接速度、焊劑使用溫度、管屏裝配尺寸偏差等主要工藝參數對T24鋼膜式壁管屏焊縫質量的影響和合理選擇范圍。

T24鋼；膜式壁管屏；多頭埋弧焊；工藝參數；焊縫質量

T24（7CrMoVTiB10-10）鋼是由德國瓦盧瑞克·曼內斯曼鋼管公司開發出的一種新型鐵素體高強耐熱鋼，具有優良的韌性、相對良好的焊接性、充分高的高溫蠕變強度和多數情況下可免除焊后熱處理等特點，主要應用于目前國際上最先進的超臨界和超超臨界大型火電鍋爐膜式壁管屏等管系產品制造。在安裝在德國的曼海姆9—90萬千瓦歐標超超臨界塔式鍋爐制造項目中，鍋爐膜式壁管屏為T24鋼母材，是由國內某制造工廠采用多頭埋弧焊工藝嚴格按歐洲技術標準制造完成，筆者有幸參加了該產品在國內的生產制造。T24管屏焊接所采用的工藝參數均通過了德國第三方權威機構TüV Rheinland的焊接工藝評定，生產工藝優良，品質可靠。

1 管屏概述

曼海姆9項目膜式壁管屏由光管和扁鋼間隔拼焊組成，光管和扁鋼母材均為T24（7CrMoVTiB10-10）鋼，兩管組理論節距60 mm。T24母材主要化學成分見表1。T24母材機械力學性能見表2。T24管屏光管和扁鋼規格見表3。T24管屏焊接工藝采用多頭埋弧焊，焊接填充金屬采用Union S P24 Ф2.0mm焊絲，焊劑采用UV305。

2 焊接設備

T24鋼膜式壁管屏焊接采用多頭埋弧焊設備焊接。該設備最多可配備12頭焊槍，焊槍錯位排列，兩列焊槍前后距離大于 40mm，實際生產最多采用8頭焊槍同時施焊，余下焊槍為生產備用，見圖1示。同時該設備配備4組上、下壓輥對管子和扁鋼實行定位，并通過上、下壓輥同步轉動帶動管屏自動前進焊接。此外，設備焊接電源選用美國 LINCOLN 公司 AC/DC-1000 型，可提供CCDC+ 恒流模式下的直流反接（工件接負）和CVDC+ 恒壓模式下的直流反接等八種電流波形選擇。設備還自帶焊劑回收通道，可分別回收焊接時的焊劑和焊渣藥皮。設備焊劑倉自帶加熱保溫功能，可使焊劑使用溫度達到 120℃。設備靠自帶封閉加熱爐，可實現管屏焊接前的自動預熱，爐內偏差溫度小于50℃，滿足焊接過程管屏1000～1100mm/min焊接速度下預熱溫度可達150～250℃的要求。

表1 母材化學成分

表2 母材機械力學性能

表3 T24管屏光管和扁鋼規格

圖1 管屏焊接示意圖

3 主要工藝參數對管屏焊接質量的影響

3.1 工藝參數對焊縫熔深及形狀的影響

3.1.1 焊縫熔深技術要求

按歐標產品訂單的管屏焊接技術要求，該管屏焊縫需同時滿足《EN12952-5 附錄 C》和《VdTUVMb1.451-68/1 標準》對焊縫熔深的技術要求，即er≥2 mm，α1+α2≥1.25S，C≤0.3S，b ≥2 mm，焊縫熔深測量值見圖2。

圖2 焊縫熔深測量值

3.1.2 焊槍角度（Y 軸）對焊縫熔深的影響

焊槍角度對焊縫熔深的影響，其實質是電弧中心的指向性對電弧能量分配的影響。焊槍角度小分配給扁鋼的電弧能量多，對扁鋼的熔透深；反之，焊槍角度大，電弧能量分配給管子的就多，對管壁的熔透深。對于管屏焊縫希望得到的熔深是在滿足a1+a2值的前提下，C值盡量小，而er值和b值盡量大。經焊槍角度的工藝性對比試驗研究，將管屏多頭埋弧焊焊接工藝所有焊槍的角度（Y 軸）固定在12°，見圖3。該焊槍角度在扁鋼不開坡口的情況下，能夠允許用較大的電流進行管屏焊接，得到盡量小的C值和足夠大的er值和b值。

3.1.3 焊槍位移對熔深的影響

焊槍位移是指焊絲離開管壁的距離，見圖3。通過位移使電弧中心指向管子與扁鋼接觸的交點上，其目的是讓扁鋼比管子獲得更多的熱輸入，增加扁鋼熔深，減小C值，增加er值和b值安全裕度。焊槍位移量決定了焊縫外觀尺寸，即焊縫截面光管邊熔高和扁鋼邊熔寬的比例，通過對比性工藝試驗，這個比例在2:3成型較好。焊槍位移的控制需要一定的現場經驗，合適的位移可以得到滿意的熔深，較好的焊縫外觀。

圖3 焊槍Y軸角度及位移

3.1.4 焊槍傾角（X 軸）對焊縫成型的影響

焊槍傾角在8°時，焊縫外觀呈凹形,焊趾過渡圓滑，焊縫表面光滑，應力集中小。未設置焊槍傾角，即焊槍在0°角時，焊縫表面作MT檢查會發現焊趾處產生磁粉堆積現象。而設置焊槍傾角 8°時，MT檢查磁粉堆積現象消失。在曼海姆9項目實際生產中，選用8°焊槍傾角，見圖4。

圖4 焊槍傾角（X 軸）

3.1.5 焊接電流對熔深的影響

埋弧焊電流的大小必須保證焊絲有足夠的電流密度。如直徑2mm焊絲，電流小于300A，焊縫表面成形粗糙，易出現氣孔，焊趾過渡不圓滑，焊縫熔深淺。較大的電流可以獲得較大的熔深。當采用CVDC+恒壓電源模式時，提高送絲速度意味著提高焊接電流。當采用CCDC+恒流電源模式時，電流可以直接設置。在曼海姆9項目實際生產中，采用CCDC+電源模式，12°角焊槍焊接，電流選擇在380～410A可以獲得穩定的熔深數據。

3.1.6 焊接電壓對焊縫成形的影響

焊接電壓影響焊縫寬度。電壓升高，焊縫寬度增加。合適的電壓使焊縫表面光滑。當采用CVDC+恒壓電源模式時，提高電壓可增加一定焊接電流。電壓自恢復靈敏度比CCDC+恒流電源模式時快。但在 LINCOLN電源上，CVDC+模式和 CCDC+模式對焊接質量的影響區別不大，CCDC+直接反映的是焊接電流，而CVDC+直接反映的是送絲速度。在曼海姆9項目實際生產中，采用CCDC+模式便于工藝參數直觀檢查，并將T24管屏焊接電壓參數嚴格控制在27～28V之間。

3.1.7 焊接速度對焊縫成形的影響

焊接T24管屏時，焊接速度受到加熱爐升溫的限制，為了使管屏預熱溫度保持在150～200℃，管屏移動最大速度限制為1200mm/min。焊接速度影響焊縫寬度及焊縫熔深，較快的焊接速度減少焊縫寬度比電弧電壓的作用強，而對熔深的影響和焊接電流的作用相當。較慢的焊接速度有利于氣孔浮出，減少氣孔的生成，增加熔深。但過低的焊接速度容易使熔池鐵水表面淤集，在靠扁鋼一側的焊趾處，MT檢查有磁粉堆積現象。在施焊過程中必須保證焊接速度均勻，不發生停頓、抖動、速度不均勻，否則容易焊穿管壁。在曼海姆9項目實際生產中，將T24管屏焊接速度控制在了950～1050mm/min之間。

3.2 焊劑類型及使用溫度對焊縫性能的影響

T24管屏焊接配合的焊劑是UV305，按照BS EN760-1996標準，焊劑類型為SA AR 1 76 AC H5。根據T24鋼的焊接性，T24管屏需要一個低氫焊縫，低氫焊縫可避免出現延遲裂紋，以及減少焊接氣孔，焊劑的H5 指標（表示全焊縫金屬最高含氫量5ml/100g）對于焊劑的去氫（焊劑中的結晶水）是至關重要的。必須靠嚴格的烘干條件來實現。因此，在曼海姆9項目中，T24管屏在操作上分兩個步驟嚴格控制焊劑的溫度：一是采用攪拌式的烘干機烘焙焊劑300～350℃/≥2h，二是防止使用過程中焊劑冷卻，增加焊機自帶的保溫桶加熱功率，同時規定使用溫度大于120℃。具體操作就是規定焊接前必須放掉冷焊劑，直到從保溫桶放出的焊劑溫度達到120℃，才允許進行焊接。而且需要不斷增添新焊劑，使回收焊劑和新鮮焊劑比率大約保持在2：3左右。

3.3 預熱溫度對焊縫性能的影響

據瓦盧瑞克·曼內斯曼鋼管公司T24鋼手冊各項研究試驗結論，廠家推薦T24鋼焊接可選擇焊前不預熱。在曼海姆9項目實際生產中選擇了保守工藝，對T24管屏進行了嚴格的150～200℃焊前預熱，這對防止T24鋼焊接裂紋的產生取得了良好的效果。

3.4 焊后冷卻時間對焊縫硬度的影響

根據CCT-T24材料的連續溫度冷卻轉變曲線，理論上講T24鋼可在一個很大的冷卻速度范圍（0.8～200K/s）內能轉變為貝氏體-馬氏體組織，最大硬度可在350HV左右。實際生產中，為獲得與CCT-T24曲線比較吻合的較好的焊縫組織和硬度值，采取將管組焊后冷卻到200℃的焊縫冷卻時間控制在10～30min。這種冷卻時間的要求，對多管組管屏焊接，一般空冷即可實現，只有當室溫較低時（5℃以下），需采取焊縫表面覆蓋保溫棉等緩冷措施實現。另外采取適當提高焊前預熱溫度和焊后不馬上去除焊渣和延遲回收焊劑等措施，也有利于保障管屏焊后冷卻時間。

3.5 管屏裝配尺寸偏差對焊縫質量的影響

對T24管屏來說，各管組裝配尺寸偏差對焊縫質量有較大影響。因為T24材料焊后熱影響區硬度的急劇升高，增加了材料脆性。為了最小化管屏焊接區域發生裂紋的風險，必須嚴格控制管屏裝配尺寸偏差，減小因尺寸偏差過大產生的焊后殘余應力。在曼海姆9實際生產中，為達到這一目的，將T24管屏扁鋼寬度嚴格精整到26.9～27.0mm范圍內，并根據測得的管屏不同管組的焊后收縮量數據，增加設備U型壓輪節距的工藝補償量，保證了管屏焊接后管組累計節距公差和單個節距公差都在±1mm內。在管子與扁鋼裝配時，使用專用工裝夾具進行組對點焊，焊接前對扁鋼中心位置進行多次、多點檢測，保證焊接前扁鋼中心偏移和中心傾斜都控制在1mm公差范圍內，充分減少管屏裝配尺寸偏差對焊縫質量的影響。

4 結語

經曼海姆9項目的生產實踐證明，對業內公認的焊接制造難度較高的T24鋼膜式壁管屏，只要充分掌握好多頭埋弧焊工藝參數對其焊縫質量的各項影響因素，制定出適合制造廠自身設備情況，經焊接工藝評定和產前工作試件驗證合格的工藝規范，并在生產中嚴格遵守這些工藝參數，就可以生產出質量優良的T24鋼膜式壁管屏。

[1]楊富，章應霖，任永寧，李為民. 新型耐熱鋼焊接 [M]. 北京：中國電力出版社，2006 .

[2]瓦盧瑞克·曼內斯曼鋼管公司. T23/ T24 鋼管手冊. 2004.

[3]韓肇俊. ASME批準和認可的第三代新型鐵素體耐熱鋼的性能及應用. ASME在中國，2004.2.

[4]太田定雄. 鐵素體系耐熱鋼—向世界前沿不懈攀登的研究與開發[M]. 北京：冶金工業出版社，2003 .

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