窄間隙自動埋弧焊在火電廠管道預制中的應用

張宇清，楊文佳，葛廣林，蔣 濤，樊繼理

(1.中國能源建設集團江蘇電力裝備有限公司，江蘇 常州 213000；2.中國能源建設集團有限公司工程研究院，北京 100020)

0 引言

近年來，對國內火電機組的參數要求越來越高，蒸汽管道壁厚逐漸增大，目前火電廠管道預制焊接主要以傳統的手工氬弧打底、埋弧焊填充蓋面等焊接方法為主，其質量穩定性受焊工水平影響較大，焊工勞動強度大，施工環境較差，施工效率低。隨著工業2.0時代的來臨，通過自動化、智能化的焊接技術的轉型升級，在穩定焊接質量的前提下，提高焊接效率、改善勞動環境、解決焊工老齡化和用工難等問題迫在眉睫。窄間隙自動埋弧焊以其焊接效率高、焊接填充量少、接頭應力小、勞動強度低等諸多優點日漸在國內核電、石化等行業得以應用，但在火電行業仍處于研究階段，尚未在實際工程中得到應用[1]。

本文以火電廠蒸汽管道工廠化預制中焊接難度最大的主蒸汽管道材質A335P92鋼作為研究對象，通過試驗分析窄間隙自動埋弧焊的焊接接頭力學性能和金相組織等考核指標，并綜合考慮焊接設備適應性和焊接綜合效益，以期為窄間隙自動埋弧焊技術在火電廠管道工廠化預制環節中的應用提供支撐。

1 窄間隙自動埋弧焊接頭試驗

焊接工藝評定試驗編號為GD210305，母材為A335P92鋼，規格ID425×115。窄間隙自動埋弧焊坡口為單面雙U形坡口，坡口尺寸如圖1所示，管道組對時根部不留間隙。

圖1 窄間隙自動埋弧焊坡口圖

評定采用5G位置的窄間隙自動氬弧焊進行打底，坡口角度為3°～10°，打底厚度約15 mm，焊絲選用歐洲某品牌P92氬弧焊絲，直徑φ1.0 mm。采用國內某廠家制造的帶自動跟蹤系統的窄間隙自動埋弧焊機進行填充和蓋面，U形坡口角度為2°～5°，焊接位置為管道滾動的1G位置，焊材選用歐洲進口的某品牌P92埋弧焊絲及其配套焊劑，焊絲直徑為φ2.4 mm。

由于窄間隙焊接采用的坡口角度小，坡口側壁與人員的中軸線幾乎平行，造成電弧對坡口側壁的熱輸入不足，容易在母材與焊縫側壁之間出現未熔合缺陷[2]，因此本次試驗選用帶監控系統的自動氬弧焊機和帶自動跟蹤分道系統的窄間隙埋弧焊機焊接，實時監焊接熔池、焊道表面、側壁與母材熔合情況，調整焊道分布與工藝參數，同時在氬弧焊與埋弧焊轉換、各層焊道之間按需進行層間清理，確保焊接質量，選用的焊接參數見表1所列。采用電阻加熱帶預熱(見圖2)，焊接過程中嚴格控制層間溫度，實時監測，保證層間溫度符合要求。

表1 窄間隙自動埋弧焊焊接參數

圖2 電阻加熱帶預熱

焊接完成后消氫，然后進行整體熱焊后熱處理，溫度范圍控制在750～775 ℃，保溫8 h，焊后熱處理曲線如圖3所示。

圖3 焊后熱處理曲線

焊后熱處理完成后48 h進行超聲檢測，結果滿足我國能源行業標準NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》的要求。

2 窄間隙自動埋弧焊接頭性能試驗

依據我國能源行業標準NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》[3]進行理化取樣，開展拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、硬度試驗和金相試驗。

拉伸試驗采用2組焊接接頭橫向板狀拉伸，每組分為3層。其中，試樣GD210305TT1至GD210305TT3分別為第1組上、中、下共3層，試樣GD210305TT4至GD210305TT6分別為第2組上、中、下共3層，拉伸試驗結果詳見表2所列。

表2 拉伸試驗結果

從表2可知，焊接接頭抗拉強度大于母材A335P92的抗拉強度下限值620 MPa。由拉伸試樣實物(見圖4)可知，斷裂位置均為母材，說明焊縫強度高于母材，滿足NB/T 47014—2011的要求。

圖4 拉伸試樣實物圖

彎曲試驗采用180°全厚度側彎，彎曲試驗結果見表3所列，未發現單條長度超過3 mm的裂紋，滿足NB/T 47014—2011標準的要求，這說明焊縫與母材熔合良好，側壁坡口角度設計合理。

表3 彎曲試驗結果

沖擊試驗依據NB/T 47014—2011標準要求，分別對焊縫和熱影響區位置進行取樣試驗，采用尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的標準試樣，試驗溫度為20 ℃，試驗結果見表4所列。由表4可知，所有位置的沖擊功平均值均高于母材沖擊功指標要求41 J，滿足NB/T 47014—2011標準要求。

表4 沖擊試驗結果

對焊縫、熱影響區及母材進行硬度檢測，硬度試驗結果詳見表5所列，試驗結果滿足DL/T 869—2021《火力發電廠焊接技術規程》對A335P92母材的硬度要求，符合P92硬度為185～265 HV的范圍要求。

表5 接頭硬度試驗結果 HV

依據NB/T 47014—2011對窄間隙自動埋弧焊接頭進行金相試驗，宏觀金相組織如圖5所示。

圖5 宏觀金相組織

發現焊縫與側壁母材熔合良好。焊縫和熱影響區的微觀金相組織如圖6所示，焊縫為回火馬氏體組織，沒有發現δ鐵素體。

圖6 微觀金相組織

3 焊接設備適應性和綜合效益

相比于傳統坡口埋弧焊接，窄間隙自動埋弧焊具有如下特點[4]：

1)焊接工藝性優秀，焊縫成形美觀，脫渣性良好；

2)推廣度高。無需重新取證，對焊工技能無特殊要求，有焊接基礎即可操作；

3)焊絲采用5輪校直，左右前后平面偏差不超過0.2 mm，有效穩定焊接質量；

4)焊接自動化程度高，有跟蹤系統實現自動分道，自動抬高，焊槍嘴自動調整角度，利于側壁熔合，勞動強度低；

5)坡口角度小，焊接填充量小，成本較低，效率更高。

火電廠管道工廠化預制在保證焊接質量的前提下，盡可能地提升焊接效率，降低焊接成本，窄間隙自動埋弧焊主要通過更窄的坡口形式節省焊接時間和焊接成本。以ID 425×115的管道規格為例，窄間隙自動埋弧焊坡口及詳細尺寸如圖7所示，傳統坡口與窄間隙自動埋弧焊坡口對比如圖8所示，對比可知：窄間隙自動埋弧焊坡口的焊縫橫截面積為2 328 mm2，傳統坡口焊縫橫截面積為3 432 mm2，理論上可以節省47%的焊材用量。

圖7 窄間隙自動埋弧焊坡口

圖8 傳統坡口與窄間隙自動埋弧焊坡口對比

實際測算后，對比窄間隙自動埋弧焊與傳統埋弧焊的焊接時長、焊材用量和降本增效對比情況見表6所列。

表6 窄間隙自動埋弧焊與傳統埋弧焊焊接效率和成本對比

4 結語

本文以火電廠常用主蒸汽管道P92鋼作為研究實例，分析了ID 425×115規格的窄間隙自動埋弧焊的焊接工藝性和接頭的力學性能，進行了拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、硬度試驗和金相試驗，試驗結果均滿足NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》標準要求。窄間隙自動埋弧焊質量穩定，與傳統埋弧焊相比，其焊接效率、焊接成本、勞動強度均有明顯改善，經濟性良好。

本研究為窄間隙自動埋弧焊在火電廠工廠化預制提供了理論和實踐依據，后續將深入研究窄間隙自動氬弧打底、配合窄間隙自動埋弧焊填充蓋面的全窄間隙接頭，進一步完善側壁融合質量，擴大焊接過程參數的閾值范圍，開發全規格優化坡口形式，以期早日應用于全口徑和壁厚的工程實踐應用及推廣。