SA213—T92鋼小徑管的焊接

陸瑞勇

摘 要：文章介紹汕頭華能海門電廠2×1000MW超超臨界火力發電機組鍋爐高溫再熱器SA213-T92鋼小徑管的焊接，對該類新型耐熱鋼小徑管的焊接工藝、施工中的實操關鍵技術及應采取的工藝控制措施等進行一定的探討，希望為同行在焊接此類鋼種的提升有良好的益處，從而優化SA213-T92小徑管的焊接工藝控制，為火電機組工程建設中焊接該類鋼小徑管方面積累經驗與數據。

關鍵詞：SA213-T92鋼材；小徑管；焊接性；焊接工藝；單面焊雙面成型；焊接過程；焊后熱處理

中圖分類號：TM611 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0068-04

1 設備及焊接位置簡介

汕頭華能海門電廠2×1000MW超超臨界燃煤發電機組工程，鍋爐為超超臨界參數變壓直流爐，由東方鍋爐廠設計制造，鍋爐采用東方鍋爐廠生產的超超臨界參數一次中間再熱單爐膛，平衡通風，固態排渣，露天布置，全鋼架結構。

高溫再熱進出口II段與集箱連接的小徑管規格為Φ50.8×4.5，采用了SA213-T92新型馬氏體耐熱鋼，高溫再熱器的出口蒸汽壓力為4.9MPa，高溫再熱器的出口蒸汽溫度是603℃。管子與管子之間的間隙為15mm，管排與管排之間的距離為400mm，在受限空間操作施焊，具有較大的焊接難度。管排焊口位置如下圖1所示：

2 出現的問題和采取的措施

剛開始是地面組合焊口焊接，經領導組織工程師對班組長、焊工進行了明確的技術交底，針對SA213-T92材質容易出現的焊接缺陷，主要是過燒、泛渣、活口裂紋、接頭未熔合等進行了分析，從材質、清理坡口、對口、預熱、層間溫度、焊接工藝等各方面嚴格按照工藝規范要求執行，采取相應措施，保證了焊接質量。

3 材料性能的分析

SA213-T92是一種新型馬氏體耐熱鋼，屬于9Cr-2W-Mo系列鋼材，T/P92鋼是在在T/P91合金成份的基礎上，添加（1.5～2）%鎢代替了部分的Mo和降低鉬（0.5%），得到一種改進型鋼，它的合金成份見表1。由于W為高熔點金屬，隨著其含量的加大鋼材的焊接性變差，金屬液的稠度變大，不容易散開，這給焊接操作帶來了較大的困難。ASTM規定了T/P92鋼材的化學成份、力學性能及物理性能分別見表1、表2：

SA-213T92小徑厚壁管作為高溫部件，持久強度是其最為重要的性能，特別是作為一種鐵素體/馬氏體類耐熱鋼，長期運行中的IV型裂紋會導致接頭強度顯著低于母材；另一方面，焊態下馬氏體鋼的焊縫金屬硬度高、韌性低，需要合理的熱處理來降低硬度，獲得足夠的韌性，避免運行過程中焊接接頭的開裂。

4 焊接性分析

T92鋼在合金成份上進一步降低了C、S、P的含量，由于含碳量低、潔凈度高，其焊接性不算太差。但是由于焊接熔池小冶金的特點，使得焊縫成份存在有不均勻問題；同時，由于合金強化的機理及鋼材在制造過程中的影響，這使得該鋼材的焊接性問題較為復雜，需要通過控制焊接材料、焊接方法、焊接熱輸入、焊后熱處理來實現焊縫的強韌化。目前T92鋼焊接接頭還存在以下的問題。

4.1 淬硬傾向

T92鋼導熱性較碳鋼差，焊接殘余應力較大，焊接過程的熱循環作用下會出現硬脆的馬氏體組織，如果焊接接頭剛度過大或焊接過程中含氫量又較高，有可能產生冷裂紋。因此，必須采取措施減小構件剛性并嚴格限制氫的來源。

4.2 焊接熱影響區的軟化

T92鋼焊接時其熱影響區中承受的溫度在AC1～AC3之間的不完全正火區的金屬會發生部分奧氏體化。處于這些溫度區間的金屬的沉淀強化相不能完全溶解，在隨后的熱處理過程中未溶解的沉淀相發生粗化，從而造成這一區域材料的強度降低，形成軟化區。情況惡劣時會在軟化區會出現裂紋，降低蠕變強度。

焊接熱影響區的軟化程度與所用的焊接工藝參數有關，還包括預熱、焊后熱處理等。焊接熱輸入大，軟化區寬。因此焊接時應嚴格限制焊接熱輸入。

4.3 焊接接頭的脆化

焊縫溫度過低或焊縫熔池金屬流動性較差時，焊縫金屬將出現成份不均勻問題，即引起的偏析；以及焊縫熔池溫度過高造成焊接接頭過熱區晶粒粗大，都會引起脆化。焊接接頭在經受焊接熱循環的高溫時，尤其是過熱區溫度超過1100℃，晶粒長大較快。焊接熱輸入量大，這類細晶粒鋼焊接接頭脆化傾向的更為嚴重，因此焊接時應嚴格控制焊接熱輸入，同時還必須保證焊縫熔池的合金盡可能均勻。

5 焊接工藝

5.1 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，我公司已經對T92鋼焊接做了一系列的工藝評定，其中焊材方面主要選用了蒂森焊材（Thermanit MTS 616）和曼徹特焊材（Chromet 92），這兩種焊材經過熔敷金屬試驗，并對獲得的熔敷金屬進行化學成分、力學性能測試以及工藝性能對比等，均能滿足焊接工藝的要求。但這兩種焊條也存在不同的特點，應在焊接實操中加予注意。

在華能海門電廠高溫再熱器焊接過程中，我們采用了蒂森焊材，焊絲名稱為MTS 616，焊絲直徑為2.4mm。

5.2 坡口清理及形式型式

清理要求：對口前必須把坡口內外兩側10～15mm范圍內的油、漆、銹、垢等異物清理干凈，直到發出金屬光澤。

坡口的型式為單“V”型，如下圖2所示：

5.3 焊接電流及速度

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，且熱輸入量過大，致使焊縫韌性降低。

降低焊接線能量，要綜合考慮調節焊接電流和焊接速度兩個參數，不能單純的降低焊接電流。在保證焊透、熔合良好的前提下提高焊接速度，減少焊層厚度，達到降低焊接線能量的目的，因此焊層厚度是焊接線能量的直觀反應。如經過實踐證明，對φ50.8×4.5的管口，打底電流80～100A，而填充、蓋面時則應適當調小到80～100A，這樣有利于焊接線能量和層間溫度的控制，并且減少根部合金元素燒損和出現未熔合未焊透缺陷的可能性。

5.4 焊機

焊機采用美國林肯公司生產的林肯逆變INVERTIC-Ⅰ-300直流焊機。焊接電流采用直流正接方式，電流為80～100A，電壓為9～12V。

5.5 氣體選擇及充氣保護

焊接用氣體選用氬氣，純度為99.99%。由于SA213-T92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氬氣保護，以確保焊接質量。充氬氣的方法圖3所示。背面保護氬氣氣流量為8～12L/min。

5.6 其他配件選用

焊槍瓷嘴選用直徑為0.8mm的型號。焊槍鎢棒電極選用鈰鎢極，規格為2.5mm。鎢極棒在瓷嘴伸出的長度為3～4mm左右。

5.7 焊接方法

焊接方法選用鎢極氬弧焊（GTAW），單面焊雙面成型。鎢極手工氬弧焊與焊條手工電弧焊之間的區別見下表3：

焊接工藝參數見表4。

本焊接工藝參數選自廣東火電焊接公司公司卡LS237，工藝卡編號為WBB33002。

5.8 預熱溫度

焊前預熱溫度太低了達不到預熱的目的，即防止冷裂紋；而預熱溫度太高了不僅惡化了勞動條件，增加了工作量，而且在局部預熱的條件下，由于產生了附加應力，反而會加劇冷裂的傾向；預熱溫度太高也不利于層間溫度的控制，易加劇根部合金元素的燒焦。一般預熱溫度定在150℃～200℃范圍內即可達到預熱的目的。預熱方法可采用火焰加熱；預熱溫度用專用測溫筆等進行監控。

5.9 層間溫度

為了防止合金元素的燒損，層間溫度不宜太高，控制在200℃～250℃之間最好。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，焊接接頭位置應盡可能的錯開，而且焊接速度不能太慢。層間溫度亦可采用測溫筆/測溫槍來監測。

5.10 焊后熱處理

焊后熱處理對焊縫韌性影響很大，為了保證焊縫金屬的韌度，回火溫度應選用較高的溫度760℃±10℃，但不能超過熔敷金屬和母材的AC1。為了獲得完全的馬氏體，焊件焊后必須冷卻到馬氏體終止轉變溫度以下并在80～100℃保溫1～2h，使最終通過焊后熱處理焊接接頭全部得到回火馬氏體。

為了保證焊接接頭壁厚方向上溫度的均勻提升和降低，升溫速度和冷卻速度均為不大于300℃/h，冷卻至300℃以下不控制。

根據廣東火電焊接工藝卡，一般推薦的熱處理工藝曲線如下圖4：

6 焊接操作過程

6.1 焊前準備

地面組合焊口在管排焊口周圍用防雨布遮擋成一個作業區，可以用來擋風、擋雨和擋太陽，空間能方面施焊操作即可。避免由于外界環境影響焊接質量。

6.2 坡口清理的要求

小徑管氬弧焊對坡口上的油漆銹垢水分等特別敏感，在焊接工藝中明確要求焊件組對時，要對每側10～15mm范圍內的坡口表面及附近母材（內外壁或正反面）進行清理，直到發出金屬光澤。再填塞做管內充氬氣氣室封堵用的水溶紙，填塞距離為從管徑坡口往內150～200mm范圍。

6.3 點焊

把管排與聯箱之間的坡口組對整齊，預留3～5mm的間隙（點焊固定管排時會有1～2mm的收縮間隙，固定后達到合適的工藝要求，2～4mm的間隙）。每組管排至少固定3個焊口，中間1個，兩邊各1個。防止后面的焊口不斷收縮，間隙變小影響打底質量，為了打底層最后封口方便操作，固定點焊在12點鐘位置，如下圖5所示：

6.4 打底焊接

打底層焊接控制最關鍵。首先，采取火焰預熱，把兩邊坡口預熱到150～200度，并用測溫筆監控。預熱溫度達到后，然后把球針往坡口內充氬氣，用四段耐高溫封口膠布貼在坡口邊外側，形成一個封閉氣室。充氣2～3分鐘待焊口內氬氣充滿后，膠布處撕開一個小孔用手去觸摸，感到有很大的氣體流出時為充滿。開始打底，撕開一段膠布從6點往3點位置的方向焊接，焊槍瓷嘴與內坡口邊保持65～75°的焊接角度，打底過程中必須把兩邊的鈍邊熔透，然后在熔透的坡口處添加焊絲，焊絲與內坡口邊要平衡送絲（角度不平衡容易產生焊絲頭），持續送絲速度保持均勻，這樣就盡量避免產生未熔合、未焊透等缺陷。坡口中間是熔池溫度最高處，操作過程中不宜停留過長，否則根部焊縫容易產生過燒現象，因為T92焊絲中鎢的成份較高，熔池鐵水比較粘稠，流動性差。加絲時，焊絲在熔池處可帶動過渡，減少熔池鐵水在焊縫中間停留的時間，起到了控制溫度的效果。收弧時最為關鍵，T92焊材與其他焊材用同樣的收弧方法收弧是不妥當的，因為T92含鎢化學成分很高，熔點高達3410℃，收弧活口處溫度快速冷卻，形成脆硬馬氏體組織，容易出現活口裂紋（冷裂紋）和縮孔，嚴重影響焊口質量，因此在每次焊接時必須控制好收弧熔池，使用焊絲把熔池引到坡口邊，逐漸延伸減弱收弧。而盡量不要在焊縫中間收弧，打底過程中，用手電筒照看焊縫內部是否成型良好，如有缺陷要及時處理。

6.5 填充焊接

為了保障根部質量，避免在第二層道焊接時造成打底燒焦、泛渣等，第一層需保留充氣孔一直在充氬（充氣孔為15～20mm）。第二層焊接到第一層收口處時停下來，接頭需要錯開。這時也要特別注意收口焊接質量，在施焊收口前，取掉球針掛鉤，務必待收口兩邊打磨薄0.5～1.5mm，保持平滑過渡，內部再充2～3分鐘的氬氣，然后迅速焊接，可避免焊接接頭在收口位置出現缺陷，填充層時用測溫筆再測一次焊縫是否達到填充溫度，溫度不夠需要重新進行火焰加熱。按照工藝要求，每層道焊接厚度不要超過焊絲直徑，在實際操作中，主要是通過觀察焊接熔池深度來判斷焊道厚度。一般情況下，熔池擺動的寬度不能超過焊絲直徑的三倍比較合適，不宜過大，由于T92鋼金屬熔池鐵水稠，存在冷卻快、比較難熔等操作特點，在焊接實操中必須保持薄層、多層道焊接，避免熔深不足造成層間夾渣、未熔等焊接缺陷。

6.6 蓋面焊接

填充最后一層應注意，層間不要出現中間高兩邊低。盡量把鐵水擺平滑過渡，外坡口兩邊必須保留0.5～1mm深的線槽用來蓋面，兩邊停留的時間要看鐵水是否完全蓋住母材，以鐵水蓋住母材表面高出1～2mm為比較合適。最后收弧時要注意不能往外坡口兩邊收弧，因為容易造成劃傷母材。要在焊縫中間快速往前減少熔池鐵水，完全把鐵水減掉收弧才完成。

6.7 熱處理要求

焊完后由焊工認真自檢，并且經過項目部質檢員按照焊接規范標準要求進行檢查合格后，再及時做熱處理，熱處理工藝嚴格按照工藝參數執行。

6.8 無損檢測要求

焊接熱處理完成后，由質檢部門委托金屬檢驗室，對焊口進行100%的RT射線探傷檢驗和100%的外觀著色PT檢驗。在本次工程高溫再熱器焊接中，本人共完成了高再焊口120個，經過全部檢驗完成后，焊口一次合格率為99%。滿足業主對工程受監焊口一次合格率≥96%的合同要求。

7 結束語

超超臨界百萬千瓦級別的機組中高溫高壓部件T92鋼的焊接，是焊接實操技術難度要求最高的合金之一，本工程高溫再熱器系統能出色完成SA213-T92鋼管焊接工作，源自工區領導組織工程技術人員、班長、焊工、質檢人員等對T92焊接技術進行探討，并采取了合理的預防措施，嚴格按照規范要求，認真仔細的工作作風，力爭把各種焊接缺陷消除在操作過程中，正確運用焊接工藝和方法，采用有效的焊接措施，從中獲得良好的SA213-T92鋼管焊接接頭，希望在今后能不斷提高對T92鋼的焊接水平。

參考文獻：

[1]楊富，章應霖，任永寧，等.新型耐熱鋼焊接[M].中國電力出版社.

[2]楊富.1000MW級超超臨界火電機組鍋爐用新型耐熱鋼的焊接[Z].

中國電力企業聯合會.

[3]廣東火電工程總公司焊接工藝卡LS237（編號WBB33002）[Z].