火電廠管道異種鋼的焊接熱處理問題分析

劉子豪

（中國電建集團山東電力建設第一工程有限公司，山東濟南 250102）

0 引言

隨著經濟發展，機組容量也變得越來越大，合金鋼也因此得到廣泛應用，這些都對焊接熱處理的工藝提出了更高要求。一旦焊件的焊后熱處理不適當，就會導致工程的質量缺陷，有一些缺陷可以通過再一次的新熱處理糾正，但是還有一些缺陷無法挽回，最后只能作為廢品處理。所以處理完善火電廠管道異種鋼的焊接熱處理工藝和問題有利于節約成本和資源，提高工程質量。

1 異種鋼概述

顧名思義，異種鋼是有一定差異的2 種鋼種，這種差異體現在焊接接頭兩端的母材的組織、功能、化學構成等方面，把這兩種不同的鋼種進行焊接的接頭即為異種鋼接頭。這種異種鋼焊接的構造在我國的大型火電站的高參數機組中有著廣泛的應用。由于異種鋼的特殊性質，所以其在進行焊接熱處理時會經常出現一些問題，異種鋼焊接的接頭和同種鋼焊接的接頭的本質上就存在著的差異，體現在2 個方面。

（1）二者的化學成分并不均勻，造成這一差異的原因主要原因是在進行焊接加熱處理時，在兩側母材采取的熔敷金屬、母材熔化區的成分和融化量因“稀釋”作用發生了變化。除此之外，出現化學成分不均勻的原因還可能是焊接工藝造成的。

（2）二者的組織并不均勻，異種鋼在連接位置的區域性質因為焊接熱循環效應而有所不同。

2 火電廠管道的異種鋼焊接熱處理時出現的問題

2.1 影響碳元素

異種鋼在進行焊接熱處理時會使碳元素由低合金一側向高合金一側遷移，進而加大了碳前移層的寬度。具體表現為碳遷移和碳化物。

2.1.1 碳遷移問題

在進行異種鋼的焊接過程中，有時會出現碳遷移的問題。熔合線周圍會因碳遷移而出現擴散帶，珠光體一側會因此出現脫碳層，相鄰的奧氏體焊縫的一側也會有增碳層出現。如果脫碳層由珠光體轉變為鐵素體，自身硬度就會因此降低并出現軟化的現象，進而就很容易導致晶粒長大；此外，增碳層會因為鉻的碳化物的析出會而出現硬化的狀態，這樣一來就大幅度地降低了高溫強度，還會導致焊縫處的脆性增大。除此之外，擴散帶擴散的幅度會隨著熱處理的時間和溫度的提高而擴大。回顧以往的研究結果發現，如果異種鋼的熔合線四周有碳遷移問題，其接頭位置附近可能會出現低應力蠕變，進而發生斷裂，異種鋼接頭就會失效。

2.1.2 碳化物問題

回顧以往的研究結果發現，如果進行焊接熱處理的溫度＜650 ℃，異種鋼的碳化物析出的時間就會比較長，且時間越長，碳化物就越大；如果進行焊接熱處理的溫度＞675 ℃，異種鋼的碳化物就會先長大，但是時間越長，其體積就會越來越小。所以說，在進行火電廠管道的異種鋼焊接熱處理的過程中，要注意對熱處理溫度的控制，以避免異種鋼析出的碳化物對異種鋼的接頭位置產生影響并因此導致早期失效。

2.2 影響網狀組織

由于火電廠的一些工作需要在特殊的環境下運行，這些環境下的管道采用的材料一般都是高合金鋼，在進行焊接熱處理時會推動形成這種鋼材的網狀組織。比如說，在進行高合金鋼的熱處理時，其中的奧氏體鋼會在高溫條件下加速析出碳化物，這就會對奧氏體鋼接頭產生影響。如果碳化物是沿著奧氏體晶界而析出的，還很容易形成網狀結構，尤其是在母材熱影響區。

2.3 氣孔問題

一般來說，在進行火電廠管道異種鋼的焊接熱處理時出現氣孔的問題的主要原因如下。

（1）對焊縫的清理不夠徹底，導致出現了氣孔。

（2）相關的焊接人員的技術不夠熟練，導致在焊接過程中人為地造成了氣孔。

（3）在異種鋼的焊接過程中使用的電流過大，異種鋼中的硅和錳大量被燒損，所以就只能在熔池中通過碳元素進行脫氧反應，但是碳元素會在熔池中和氧氣發生反應形成一氧化碳，進而產生了氣孔。

（4）在進行異種鋼焊接時，所使用的熔池面積過大，對氣渣的保護不良，導致空氣進入到熔池中出現了氣孔。

2.4 夾渣問題

夾渣也是異種鋼在進行焊接熱處理時常見的問題，造成夾渣的主要原因如下。

（1）焊接時坡口的形狀不規則，很多的坡口過窄，熔渣不容易上浮，進而導致焊接時出現夾渣。

（2）在進行多層焊接時沒有清理干凈熔渣。

2.5 內凹問題

異種鋼在進行焊接熱處理時有時會出現內凹問題，造成內凹的主要原因如下。

（1）焊接的對口的間隙過大，而鈍邊過寬過薄。

（2）焊接時的熔池溫度高，同時還在熔池的特定地區的時間過長，但是施工人員并沒有恰當地控制熔池溫度。

（3）由于進行焊接熱處理時所用的電弧拉長，且推力不夠、沒有采用仰焊的位置增強推力，就形成了內凹缺陷。

3 處理火電廠管道異種焊接的熱處理問題對策

3.1 提高技術

3.1.1 方法的選擇

進行異種鋼焊接作業時選擇的焊接方法十分重要，會直接影響到作業的質量。所以在選擇異種鋼焊接方法時要注意盡可能地滿足對焊接質量的要求，還要盡可能地減小熔合比，避免裂紋的產生，并且還要盡量滿足選擇的焊接方法的經濟性和先進性。比如，把焊條電弧焊當作首選，因為其焊條的種類比較多，適應性比較強；如果是高鉻馬氏體鋼和珠光體鋼進行焊接，就可以首先選擇二氧化碳的氣體保護焊；如果是高合金的異種鋼進行焊接就可以選用氬弧焊；如果是比較簡單的異種鋼進行焊接，則可以選擇釬焊或擴散焊接。

3.1.2 優選材料

在選擇異種鋼的焊接材料時，首先要考慮材料的塑性，焊接材料對塑性的要求比較高，只要焊縫金屬性能符合對其中一種母材屬性的要求，那么這種焊材被采用。在選擇異種鋼焊接的材料時要注意：

（1）要盡量不產生缺陷，如裂紋等，如果不能兼顧塑性和強度，就可以選擇韌性和塑性都比較好的材料。

（2）只要選擇了符合焊縫金屬性能的2 種母材之一，就認為其滿足了使用性能的要求。

（3）在選擇不同強度的焊接用鋼時，要從強度比較低的母材中的材料中選擇。

（4）如果預熱等工藝的措施不同，進行選擇時要根據高強度的母材來確定。

（5）選擇材料時要盡量選擇高抗裂性的材料，比如堿性焊條。

（6）在不能預熱或無法進行焊后熱處理的情況下，可以通過奧氏體不銹鋼的焊條，優化焊縫金屬的塑性、韌性等特性。

（7）如果進行的是低、高合金鋼的異種鋼焊接，則首先要稀釋焊縫金屬。

（8）在盡量滿足使用性能的前提下，要盡量選擇工藝性能比較高且價低易得的性價比高的焊接材料。

3.2 優化工藝

3.2.1 事前準備

在進行焊接之前，要將管道周圍的溫度計、孔板等相關的儀表拆除，還要注意保護拆出口；此外，還要檢查進行焊接熱處理要用的設備如電加熱器、記錄儀、熱處理設備、補償導線等的質量，在保障設備正常運行的前提下，還要把這些檢校合格設備到監理工程師處審核，再經過審核后才可以投入使用，此外要對需要進行焊接熱處理的焊縫數量有一個精準的統計，如果異種鋼的材料是鎳基材料，還要在進行焊接前做好清潔工作。

3.2.2 檢查工作

如果焊接的對象是室外的管道，則在進行施工前要搭設好防風雨棚，盡量減小天氣變化對異種鋼焊接熱處理的影響，同樣，還要注意檢查進行異種鋼焊接熱處理的周圍環境條件，使之滿足相關的要求，保證環境內沒有無關的物品。在進行異種鋼熱處理之前，可以提前全面地檢查其準備工作的情況，包括選擇的測溫點是否合理等，只有檢查通過了，焊接熱處理工作才能繼續；此外，還要進行焊接熱處理焊縫的探傷，只有保證了前一步的焊接工作的尺寸、規格等都合格，才可以進行下一步的工作，如果發現了不合格的問題，就必須返修，待完工后再次進行探傷，技術人員切不可抱有僥幸心理。

3.2.3 預防缺陷

管道的焊后熱處理的關鍵是局部熱處理，且通常是通過高溫回火的方式實現的。熱處理的主要因素包括：升降溫的速度、保溫的時長、保溫的溫度。如果這些因素出現了錯誤都會影響熱處理的效果。所以，想要預防缺陷就必須要嚴格深入地按照工藝標準施工，禁止自行改變工藝信息，以防止人為缺陷。此外，在進行熱處理之前要做好如審核、測試、校對等準備工作，這些準備工作需要由有資質的、專業的工作人員進行，以保證校對、檢測的結果真實準確。

3.2.4 對缺陷的熱處理

（1）過熱。如果焊件退火時在斷口上出現了粗大的晶粒，或者在淬火的斷口上出現了比較粗的馬氏體形狀，這大多是因為在進行加熱時的加熱工藝不熟練，如：因為加熱的溫度太高、處在高溫的時間太長，就導致構造粗化，進而降低了焊件的塑性、硬度和韌度，甚至會導致裂紋的出現。如果想要避免過熱的問題，就需要深入掌控加熱的溫度，還要盡量減少停留在高溫的時間，如果出現了嚴重的過熱，就要對此焊件進行再次的退火。

（2）過燒。除了斷口出現了粗大的晶粒，如果在晶粒間匯集了低熔點的物質和氧化物，就說明晶粒間的邊緣出現了熔化和氧化的現象。這是因為加熱的溫度過大（＞1300 ℃），并且在高溫的狀態下保溫的時間過長，過燒后會短時間內降低焊件的塑性、硬度和韌度。一旦出現過燒，焊件就無法補救，因此必須要落實熱處理的標準，還要禁止焊件接觸氧化性的火焰。

（3）變形和開裂。在焊接中焊件經常會出現宏觀裂紋和變形。造成變形和開裂的原因首先是出現了焊件的內應力，出現的原因是因為在加熱冷卻的過程中，焊件內外的溫度失衡，導致焊件的體積膨脹或收縮，這些差異導致了熱應力；其次是由于焊件體積的不均衡改變，導致出現了結構應力，焊件屈服上限小于應力，所以出現了變形，如果大于了焊件的強度上限，則會出現裂紋，此時就需要返工，這就增加了工作量和資金投入，還浪費了資源。

（4）硬度升高。在回火結束后，如果檢測值不符合規定的范圍，這就是因為回火的溫度太低且保溫的時間太短，如果溫度過高同樣會導致硬度升高。硬度上漲就會減弱韌度和塑性。想要解決這一問題就只能再次回火，嚴格控制回火多的溫度和保溫的時間。

（5）脫碳和氧化。脫碳和氧化是在高溫加熱鋼的過程中不容易進行預防的問題，并且還可能會同時出現。加熱的溫度越大、高溫下保溫的時間越久，脫碳和氧化的現象就會越明顯。想要避免脫碳和氧化的問題，就要在熱處理時精準地掌控加熱的溫度和時間，如果選擇了火焰熱處理，就要選擇還原性、中性的火焰，還要注意禁止火焰的氧化性超標。

4 結語

目前，隨著火電廠技術的不斷進步和更新，異種鋼焊接熱處理技術作為火電廠的關鍵技術也有著發展，但是由于其特殊的性質，在焊接熱處理時不可避免的會出現一些問題，影響焊接的質量，所以必須要深入掌握異種鋼焊接的技術，分析火電廠管道異種鋼的焊接熱處理問題，并提出提高焊接技術、優化焊接水平的對策。希望可以提高異種鋼焊接的成效性和可靠性，保證焊接管道異種鋼的質量，期望本文可以為火電廠管道異種鋼的更廣泛應用和火電廠的順利運行提供一些建議和參考。