火電廠導汽管彎頭法蘭與內套管異種鋼焊接工藝

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司西北分公司，陜西 西安710021)

0 前言

某火電廠2號機為東方汽輪機有限公司生產的200 MW發電機組，汽輪機型號為CZK200/160-12.7/0.294/535/535型超高壓、一次中間再熱、三缸兩排汽、直接空冷供熱式。該機組于2003年12月13日投產，累計運行51 970 h。2016年在對該機組進行檢修時，發現汽輪機高壓缸右下部材質為ZG20CrMoV導汽管彎頭法蘭存在蜂窩狀疏松缺陷。

為保證機組安全運行，選用材質為ZG15Cr2Mo1，規格為DN 200 mm×46 mm的彎頭法蘭替換原法蘭，與彎頭法蘭連接內套管材質為1Cr11MoV。與ZG20CrMoV相比，ZG15Cr2Mo1具有更好的工藝性能，在減少鑄造缺陷方面更加優越。

為獲得性能良好的1Cr11MoV與ZG15Cr2Mo1異種鋼接頭，在彎頭法蘭更換過程中對法蘭拆除、坡口制備、焊接過程及熱處理過程進行了嚴格控制，焊后對焊縫進行了金相檢驗及無損檢測，以保證焊接接頭能夠滿足機組安全穩定運行的要求。

1 1Cr11MoV與ZG15Cr2Mo1鋼焊接性分析

異種鋼焊接時，一般要綜合考慮兩種材料的焊接性。1Cr11MoV與ZG15Cr2Mo1化學成分見表1，兩者成分相差較大，造成兩者力學性能差異較大。1Cr11MoV為馬氏體不銹鋼，其Cr含量在10%以上，該鋼具有較好的抗腐蝕性能，較高的熱強性能，較好的減震性能以及較小的線膨脹系數。因此1Cr11MoV是540 ℃以下汽輪機和燃氣輪機葉片的常用材料。然而，該鋼Cr含量較高，焊接性較差，焊前需預熱至350 ℃左右，宜采用與鋼號成分接近的焊條，為控制焊縫金屬中的鐵素體含量，含碳量在0.1%左右時，焊縫金屬中Cr含量宜控制在10.0%～10.5%之間[1]。

ZG15Cr2Mo1屬于2.25Cr-Mo鐵素體、珠光體熱強鑄鋼，具有良好綜合性能和工藝性能，抗腐蝕性及抗高溫氧化性能優于ZG15Cr1Mo，主要用于工作溫度不超過570 ℃的汽輪機缸體、閥殼等[1]。一般Ceq≤0.45%時鋼的焊接性較好，而ZG15Cr2Mo1是通過Cr，Mo固溶強化的熱強鋼，根據國際焊接學會推薦的碳當量計算公式:

(1)

其碳當量為0.73%～1.14%，遠超0.45%，因此焊接性變差。根據CCT曲線，該鋼具有脆硬傾向，若焊后冷卻速度過快極易產生冷裂紋。同時ZG15Cr2Mo1具有一定再熱裂紋傾向，這主要是因為焊后熱處理的二次析出所形成的密集金屬碳化物沉淀所造成的[2]。通過焊前預熱、控制好層間溫度, 采用較低的焊接熱輸入進行焊接,減小焊接過熱區的寬度, 可有效控制再熱裂紋產生的傾向。

表1 1Cr11MoV與ZG15Cr2Mo1鋼化學成分(質量分數，%)

2 焊接材料及熱處理溫度的選擇

ZG15Cr2Mo1與1Cr11MoV的異種鋼焊接，根據電力標準要求[3]，焊接材料采用低匹配原則，選擇焊絲型號為ER90S-B3，焊條型號為E6015-B3。

珠光體鋼與馬氏體鋼焊接時，需要焊前預熱和焊后熱處理，預熱溫度一般控制在150～350 ℃范圍內[4]，由于ZG15Cr2Mo1具有較大的消除應力處理裂紋傾向，同時為抑制碳化物析出，預熱溫度必須高于250 ℃[5]。異種鋼焊接時，當兩側母材均非奧氏體不銹鋼時，層間溫度不低于預熱溫度下限且不高于400 ℃[3]。ZG15Cr2Mo1與1Cr11MoV焊接時，預熱溫度為250～300 ℃，層間溫度為250～350 ℃，焊后熱處理溫度為690 ℃±10 ℃并保溫3 h。

3 焊前準備

3.1 材質復核

為指導焊接工作，焊接前使用便攜式直讀光譜儀對內套管及待焊彎頭法蘭進行材質復合，其元素含量檢測結果見表2，材質復核結果滿足相關標準要求[6]。

表2 元素含量復核結果(質量分數，%)

3.2 防止管路下沉及系統污染措施

為防止導汽管道下沉，割管前使用三套5T倒鏈從不同方向對高壓缸右下部導汽管法蘭下部位置進行徑向固定，倒鏈受力部位為廠房結構預埋件或鋼結構；此外，為防止導汽管內部受到污染，割管前還拆除了彎頭法蘭螺栓，并在法蘭密封內填裝堵板后緊固法蘭螺栓，以防切割焊口時污染導汽管內部。彎頭法蘭拆除后，對導汽管下法蘭內采取了封堵措施，以防異物落入。

3.3 彎頭法蘭的拆除

拆除彎頭法蘭前測量了備件彎頭法蘭外形尺寸，并在高壓進汽管上畫出缺陷彎頭法蘭的切割位置線。為保證后期打磨需要，劃線時預留2～3 mm打磨余量，以保證裝配尺寸滿足施焊要求。

原焊縫熔敷金屬的去除采用機械法，切割時應按劃線位置切割去除進汽管上的彎頭法蘭，切割位置靠近彎頭側(且去除彎頭法蘭與內套管間的原焊縫)，要求不得損傷內外套管及二者之間的焊縫。現役彎頭法蘭拆除后立即吊走，以免墜落損壞其它設備。

3.4 坡口制備與組對

彎頭法蘭裝配后，使用假墊按工藝要求緊固法蘭螺栓，并根據裝配尺寸修磨坡口。焊接采用U形坡口如圖1所示，其中a=10°～15°,b=1～2 mm ,p=0.5～2 mm ,R=5 mm。坡口修磨完成后采用磁粉檢測對修磨后坡口進行檢測，保證坡口無裂紋及分層等缺陷。

圖1 焊接坡口示意圖

焊件組對時，要盡量保持內壁齊平，允許錯口最大值不超過1 mm，坡口間隙控制在1～2 mm范圍內。

坡口修磨完成后，對下法蘭及備件彎頭法蘭的密封面進行了研磨，以保證法蘭密封面的嚴密性。焊接前，及時清理了坡口周圍100 mm范圍內的油污鐵銹等雜物，并取出管路封堵，按工藝要求安裝密封墊，裝配彎頭法蘭并用螺栓緊固。

3.5 焊接材料準備

選用直徑為2.4 mm的ER90S-B3焊絲及直徑為4 mm的E6015-B3焊條，焊接材料入廠前已經驗收合格。焊條使用前已經在350～400 ℃環境中烘干2 h，烘干后置于100～200 ℃保溫桶中保溫，以備在焊接過程中隨取隨用。

4 焊接過程控制

4.1 預熱

焊前采用遠紅外履帶式加熱片對待焊部件進行預熱，預熱范圍為坡口兩側200 mm范圍，要求加熱片要與待焊部件緊密接觸，外部綁固石棉進行保溫。熱電偶插在加熱片與待焊部件之間，預熱時，控溫熱電偶布置在加熱區以內，檢測熱電偶應盡可能靠近坡口處，預熱溫度下限設定為250 ℃，上限設定為300 ℃。

焊接過程中當發現溫度不在預熱溫度范圍內時,應立即停止焊接，待溫度恢復正常后繼續焊接。

4.2 焊接

焊接過程中，采用氬弧焊打底、焊條電弧焊蓋面的方式，焊接時采用兩人分段對稱及跳焊的方式以減小焊接變形量。打底結束后，對氬弧焊焊縫進行滲透檢測，無相關顯示后進行填充蓋面。

4.2.1定位焊

焊工在檢查焊縫坡口組對質量合格后進行定位焊，定位焊的焊接工藝與正式施焊相同。定位焊在圓周分布三點，定位焊長度為8～12 mm，厚度為2～3 mm且均勻分布在整個圓周上。定位焊結束后，對定位焊質量進行檢查，檢查合格后進行下道工序。

4.2.2氬弧焊打底

采用氬弧焊打底時采用直徑為2.4 mm焊絲，直流正接，焊接電流為80～120 A，電弧電壓為12～14 V，焊接速度為40～50 mm/min，氬氣流量為8～12 L/min，打底厚度不小于3 mm。打底時嚴格控制起弧和收弧質量，起弧時從坡口起弧，收弧時將熔池填滿。當焊接3/4左右時，應用手電筒檢查焊道的根部質量，如有未焊透、內凹等缺陷時，及時打磨消除并進行補焊，補焊工藝與正式焊接相同。

4.2.3填充蓋面

打底結束，經自檢合格后及時進行焊條電弧焊填充蓋面，以防止產生裂紋。焊條電弧焊選用直徑為4 mm的E6015-B3焊條，焊接電流控制在130～190 A之間，電弧電壓為20～24 V，焊接速度控制在90～140 mm/min。施焊過程中，使用遠紅外測溫儀監控層間溫度，要求層間溫度控制在250～350 ℃之間，當發現層間超溫時，應立即停止施焊。焊條電弧焊時，焊條擺動幅度不超過焊條直徑的3倍，每層焊縫焊完后及時清理，干凈后進行次層焊縫的焊接。施焊中，嚴格控制接頭和收弧質量，收弧時將熔池填滿，層間和蓋面接頭相互錯開，熔合良好，起弧和停弧時電弧均引在坡口內壁上，收弧時減慢焊接速度，將弧坑填滿。蓋面時焊縫與母材均圓滑過渡，收弧處弧坑飽滿，接頭熔合良好，蓋面層不應少于3道，并且中間有1道回火焊道。

5 焊后熱處理

焊后熱處理采用電阻式局部加熱，設備要求功率不小于40 kW，且升溫和降溫階段在20～750 ℃階段具有升溫速度在40～120 ℃/h可調。

在焊縫四周均勻布置2根監控熱電偶，采用壓片點焊方式點固熱電偶，然后在焊縫區域布置加熱器，加熱器加熱寬度高于250 mm(以焊縫中心兩側均勻對稱布置)。加熱器布置后，再布置石棉,石棉厚度≥50 mm,寬度比加熱器單側增寬100 mm。

焊后熱處理曲線如圖2所示，焊后熱處理過程中，升溫階段升溫速度為80 ℃/h±5 ℃/h，待溫度升至680～700 ℃后，保溫3 h。冷卻過程中，降溫速度為60 ℃/h±5 ℃/h，待溫度降至150 ℃后拆除保溫棉及加熱器并自然冷卻至室溫。

圖2 焊后熱處理曲線

6 焊后檢驗結果

焊后熱處理24 h后，依據相關標準[3,7-11]，對焊接接頭進行磁粉檢測及超聲檢測，未發現超標缺陷。對接頭進行金相檢驗及硬度檢測，也未發現異常情況。2018年該機組維修時對接頭再次進行無損檢測，未發現異常情況。

7 結論

(1)舊彎頭法蘭拆除采用機械切割法，切割時使用3套5T倒鏈對導汽管進行固定以防止管路下沉。

(2)焊前對待焊母材進行了材質復驗，材質符合結果滿足標準要求。

(3)焊接選擇U形坡口以氬弧焊打底、焊條電弧焊進行填充蓋面，用ER90S-B3焊絲和E6015-B3焊條作為焊接材料。焊接時采用分段對稱及跳焊的方式以減小變形量，為防止冷裂紋等缺陷產生，進行了焊前預熱和焊后回火熱處理。

(4)焊后對焊接接頭進行無損檢測，焊縫成形良好，未發現裂紋等超標缺陷。經過兩年安全運行該接頭未發現異常，證明該焊接工藝可以滿足機組安全運行要求。