主蒸汽Y 型三通焊口缺陷處理工藝探討

史海濤

（神華國能哈密電廠，新疆 哈密 839000）

1 項目概況

某電廠機組超臨界燃煤機組鍋爐采用上海鍋爐廠股份有限公司產品，主蒸汽管路中有一鍛造斜Y型三通，三通材質為SA335-P91，規格為ID432*72/ID305*53/ID305*53。Y 型三通為不規則六方體，管道焊縫與六方體端面距離40mm。焊接前需預熱，焊接過程中需要嚴格控制焊縫層間溫度，焊后需進行高溫回火熱處理。

2 材料分析

SA335-P91 鋼屬于馬氏體耐熱鋼，具有較高的抗氧化性能和抗高溫蒸汽腐蝕性能，而且具有良好的沖擊韌性和高而穩定的持久塑性及熱強性能。在使用溫度低于620℃時，該鋼的許用應力高于奧氏體不銹鋼。在427℃～704℃溫度范圍內，其持久強度超過T9 和2-1/4Cr1Mo 鋼。在550℃以上該鋼推薦的設計許用應力約為T9 和2-1/4Cr1Mo 鋼的2 倍。此外，該鋼還具有優良的導熱系數和較小的線膨脹系數。適用于作為鍋爐壁溫≤625℃的高溫過熱器、壁溫≤650℃的高溫再熱器以及壁溫≤600℃的鍋爐集箱和蒸汽管道等。

3 材料的焊接性能分析

SA335-P91 鋼已廣泛使用于國內高參數、大容量機組的鍋爐受熱面、集箱、連接管道、四大管道等，因此其焊接性能的優劣尤為重要，直接影響到機組的安全運行。通常通過對材料碳當量的計算來判斷材料的焊接性能：

根據碳當量計算公式Ceq=[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]*100%

計算可得Ceq ≈2.19 ＞0.6%，碳當量越高，鋼材的淬硬傾向越嚴重，熱影響區冷裂傾向越大，其焊接性能也就越差。根據經驗總結，當碳當量小于0.4%時，鋼材的焊接性能良好，焊接前不需要對母材進行預熱；當碳當量為0.4%～0.6%時，鋼材的焊接性能稍差，焊接前需要對母材適當預熱；當碳當量大于0.6%時，鋼材的焊接性能較差，焊接前需要比較高的溫度對母材進行預熱，不但要保證母材預熱溫度均勻，并且要嚴格控制焊接工藝措施，焊后緩冷并及時進行焊后熱處理，否則焊接接頭部位可能產生裂紋。此鋼種焊接性能較差，焊接過程中容易產生冷裂紋和淬硬組織，焊前需預熱，焊接過程中需嚴格控制焊縫層間溫度，焊后需在馬氏體轉變點Mf 點（80℃～120℃）下恒溫2小時，然后進行高溫回火處理[1]。

4 焊接工藝[2]

4.1 焊接方法選擇

焊接應采用手工鎢極氬弧焊進行打底焊接，采用手工焊條電弧焊進行填充焊接及蓋面焊接。

4.2 坡口型式

采用綜合型坡口，采用機械方法加工，保證鈍邊尺寸和對口坡口間隙，保證根部焊接質量。

4.3 焊接材料選擇

手工鎢極氬弧焊選用：TG-S9CB 焊絲，焊絲直徑為φ2.4mm，氬氣純度不低于99.9%

手工焊條電弧焊選用：E9018-B9 焊條，直徑為φ 3.2mm。

4.4 焊接準備

4.4.1 焊前準備

1.焊接作業必須免受惡劣天氣的影響，風、雨天施焊必須采取可靠的遮擋措施，焊接場所的風力應符合以下規定：手工電弧焊風速不大于 8m/s；氬弧焊風速不大于2m/s；焊接現場允許的最低環境溫度為5℃；焊接場所附近保持干燥；夜間施工要有充足的照明；焊接現場要采取必要的防風和防塵措施。

2.焊前將母材坡口內外各20mm～30mm 范圍打磨干凈，至露出金屬光澤，確保沒有漆、銹、油、垢、水等有害物質，坡口表面質量級別需達到 NB/T47013-2015 標準要求中的滲透Ⅰ級。

3.對坡口內進行硬度（母材硬度控制范圍185HB～250HB）檢查，確認將原焊縫的熱影響區清除干凈后方可進行下一步操作。

4.焊接材料使用前應根據批號對焊接材料的材質進行抽查確認。

5.氬弧焊用焊絲表面不得有油、銹等污物。焊條電弧焊所使用的焊條，在焊接操作前必須經過350℃～400℃烘干，恒溫1h～2h，使用時存放在120℃保溫筒內，隨用隨取，保證焊條不能受潮。

6.檢查汽水系統閥門，應全部關閉，確保管道內沒有氣流影響焊接質量。

7.氬氣室應使用可溶紙，使用前須進行溶水試驗，溶水試驗后可溶紙應成絮狀。禁止將可溶紙團緊塞進管道內。可溶紙折疊，將其放入管內與管內壁嚴密貼合，為確保充氬質量，可溶紙應加裝不少于兩層，做成密封氣室。

8.將待焊管點固，對口時應做到內壁齊平，其錯口值不得超過管子壁厚的10%，且不大于1mm，坡口間隙3mm～4mm，點固所用的焊材以及焊接參數應與正式施焊相同。對口時禁止強力對口，更不允許用熱膨脹方法對口，以防止引起附加的應力。

4.4.2 焊前預熱

焊前預熱是預防馬氏體耐熱鋼出現冷裂紋的重要措施。較好的預熱可以有效減慢焊縫和熱影響區的冷卻速度，有效降低焊接淬硬組織發生的概率，有益于焊縫中氫氣的逸出，可以有效防止焊接裂紋的產生。由于SA335-P91 鋼的碳當量較高，所以打底焊接時選擇預熱溫度為150℃～200℃，填充及蓋面焊接時預熱溫度為200℃～250℃，以250℃為宜。鑒于Y 型三通壁厚較厚且不規則，宜對三通進行整體輔助加熱，以確保預熱溫度達到焊接要求。

1.焊接預熱及焊接過程的恒溫采用中頻感應加熱方法與柔性陶瓷電阻加熱相配合的方式進行。首先，將柔性陶瓷電阻加熱片固定在母材上，以焊縫為中心每側預熱加熱寬度不小于6 倍管道壁厚。其次，按照預熱寬度以焊縫為中心包裹保溫材料，保溫寬度每側比加熱寬度增加至少2 倍壁厚。最后，保溫后以焊縫為中心，在保溫層外側布置中頻感應線圈，以焊縫為中心每側預熱加熱寬度不小于5 倍管道壁厚。采用中頻感應加熱能夠使金屬工件在較短時間內獲得溫度均勻的預熱效果，將中頻感應加熱裝置啟動進行預熱。預熱時，應采用測溫槍測量坡口的溫度，并與熱處理數字顯示儀顯示的溫度比較，用來確定熱處理設備記錄數據與實際溫度的誤差值。預熱過程中應考慮到此誤差值，并采取措施作相應補償。當預熱溫度達到設定的焊接預熱溫度后，將中頻感應線圈斷電拆除，同時將柔性陶瓷電阻加熱器送電，用以維持焊接過程中的恒定溫度。

2.坡口邊緣至少應布置2 支熱電偶，水平管道上下布置。熱電偶的布置應盡量靠近坡口邊緣20mm～25mm。

3.預熱溫度：開始GTAW 前預熱200℃，充分恒溫以確保焊接坡口處溫度達到工藝要求。

4.4.3 焊口消磁

將焊線按一定方向纏繞在母材上，利用直流電焊機對纏繞線圈通直流電，在管道外部施加一個反向磁場，通過調整線圈數量及電流大小來控制所形成的磁場大小，以達到消除母材磁性的目的。

使用回形針在坡口邊緣處檢查消磁的效果，必要時通過調整電流的大小或改變線圈的纏繞方向、纏繞圈數等，達到消磁的效果，待磁性消除后進行打底層焊接。

4.5 焊接

4.5.1 焊接參數選擇

SA335-P91 鋼焊接時，應采用較小的焊接線能量，采用多層多道焊，以減小焊接殘余應力，減少焊接過熱區寬度，細化晶粒，提高焊縫金屬的抗裂性能。

4.5.2 焊接操作

SA335-P91 鋼的焊接，不但要嚴格控制焊接工藝參數和層間溫度，而且焊工操作手法對焊接接頭質量有著至關重要的影響。

1.氬弧焊打底焊。焊接時應采用短弧焊接，使焊槍與焊縫垂直，保證氬氣對熔池的保護。焊槍和焊絲作橫向擺動且兩邊稍作停留，保證坡口根部熔透。同時，必須控制好熔池溫度防止熔池溫度過高產生焊穿、焊瘤等缺陷。在接頭焊接時，要將弧坑打磨干凈，將弧坑處的收弧裂紋和氣孔等焊接缺陷清除，然后在母材坡口處引弧繼續焊接，打底焊層厚度應不小于3mm。

2.焊條電弧焊填充焊。焊接時，要盡可能采取對稱施焊的方法；焊條垂直于焊縫并采用短弧施焊，采用較小的焊接線能量。如果焊接電弧過長，會出現電弧燃燒不穩、熔深不足、熔化金屬飛濺大及合金元素燒損加劇等問題，并且容易產生咬邊、未熔合等焊接缺陷，同時空氣中的N2、O2等有害氣體容易進入熔池，在焊縫金屬中形成氣孔缺陷。焊接時焊條可作橫向擺動，在坡口兩側稍作停留，收弧時，特別要注意把焊接電流衰減下來，填滿弧坑后移向坡口邊沿收弧，防止產生弧坑裂紋。每焊完一道應徹底清理焊渣，若發現有氣孔等焊接缺陷時，用便攜式砂輪機將缺陷消除掉。每層焊道接頭應錯開10mm～15mm，同時注意盡量使焊道平滑過渡，運條時應注意焊條角度，便于清渣和避免出現“死角”，每層焊接完成后使用鋼鋸條或扁口鑿子對層間進行清理。單層焊道寬度應小于焊條焊芯的4 倍，單層焊道厚度應小于焊條焊芯直徑。

3.焊條電弧焊蓋面焊。焊接電流較填充焊接電流適當減小，保證合適的焊條角度，采用窄道焊接、運條均勻，避免坡口邊緣產生咬邊缺陷。焊腳尺寸以控制在10mm～12mm 為宜，焊腳尺寸差小于2mm，避免在角焊縫中產生應力集中。

4.焊接過程中，焊工要時刻注意母材預熱溫度、焊接層間溫度應符合要求，焊道表露缺陷要及時消除。

5.焊接完成后檢查焊縫尺寸要滿足技術要求，并與母材圓滑過渡，不得有未熔合、咬邊等缺陷。

5 焊后熱處理[3]

SA335-P91 馬氏體耐熱鋼的焊接接頭，焊后需進行高溫回火處理，從而消除或減少焊接接頭區域出現的淬硬組織，增加焊接接頭的塑性和韌性，減少焊接殘余應力，同時有利于擴散氫的逸出，減少冷裂紋產生。所以，焊接結束后經低溫轉變后應立即進行高溫回火處理。如因特殊原因不能及時進行焊后熱處理工作，則應進行后熱處理。后熱處理工藝為：加熱溫度300℃～400℃，保溫2h～4h。后熱的加熱寬度應不小于預熱時的加熱寬度。

5.1 熱電偶安裝

采用接觸法測溫，選用k 型熱電偶。熱處理時每個截面應進行分區控溫，垂直位置的管道焊接接頭進行焊后熱處理時，應使用不少于2～3 支熱電偶，沿圓周均勻布置。其中1 支控溫熱電偶布置于焊縫中心，其他監測熱電偶布置于距焊縫邊緣1 倍壁厚處，且不小于50mm。

5.2 焊后熱處理

5.2.1 保溫寬度及材料的包扎

恒溫時焊縫測量截面在加熱范圍內任意兩側點間的溫度差應低于20℃；焊接完成經低溫轉變完成后，采用中頻感應加熱器的方法進行加熱，將用于預熱用的加熱片拆除，然后包扎保溫。加熱寬度焊縫每側不小于160mm，保溫寬度每側為加熱寬度的2 倍。

5.2.2 焊后熱處理參數

焊后熱處理采用中頻感應加熱器的方法，熱處理恒溫溫度為740℃～760℃。

1.升降溫速度。升溫速度=8000÷壁厚（℃/h）=8000÷53 ≈151℃/h（對于P91/T91 鋼，升降溫速度應不大于150℃/h）。

降溫速度=6250÷壁厚（℃/h）=6250÷53≈118℃/h。

根據計算升溫速度確定為不大于150℃/h（升溫時，溫度在300℃以下可不控制升溫速度）；降溫速度不大于117℃/h，溫度降至300℃以下可斷電讓其在靜止空氣中自然冷卻。

2.恒溫時間。對高合金鋼，宜恒溫時間按3～5min/mm 計算,最少60min，采用感應加熱時取值宜偏于以上計算的下限：恒溫時間=3×壁厚min=3×53min=159min。

6 焊接檢驗

焊接質量的檢查和檢驗實行三級檢查驗收制度，采用焊工自檢與專業檢驗項結合的方法。焊接完成后，焊工應根據圖紙要求對焊接部件進行宏觀的尺寸檢查和焊縫表面成型檢查。待熱處理工作完成24 小時后，進行最終尺寸檢查。由專人對焊縫材質進行光譜分析，并對焊接接頭范圍進行硬度、超聲波檢測、磁粉檢測、金相檢驗。

對于存在超標缺陷的焊接接頭，應查明焊接接頭不合格的產生原因，進行原因分析的同時提出返修措施，表露的缺陷可以采用機械打磨的方法消除。需要補焊消除的缺陷，可以采用挖補的方法，用機械法挖除缺陷，然后補焊，并重新進行熱處理。挖補處理不應超過兩次，返修后的焊接接頭還應按照原檢驗方法重新進行檢驗。

對于經硬度檢驗或金相檢驗不合格的焊接接頭，經分析為熱處理工藝控制不當造成應重新熱處理。因加熱溫度過高導致焊接接頭過熱或因焊接工藝控制不當導致焊接接頭硬度過高，應割掉重新進行焊接。

對于經光譜分析不合格的焊縫，應重新確認焊接材料，并割除重新焊接。

7 結論

通過嚴格控制SA335-P91鋼的焊接及熱處理工藝，順利完成了缺陷部位的返修工作，并獲得了較好的焊接接頭質量。同時建議在設計此類三通時，應考慮現場施工的難易程度，將焊接接頭與三通本身保留一定距離，滿足現焊接熱處理要求。