蒸汽发生器入口锥壳与筒体异种钢焊接工艺的确定

2014-12-14王传志刘玉华

金属加工(热加工) 2014年16期

王传志刘玉华

1.概述

我公司为某化工有限公司制造的设备中有一台蒸汽发生器，主体壳程、管程筒体材料为Q345R，管箱入口锥壳材料为S32168。由于管箱入口介质温度为610℃，管箱入口端内壁和管板表面采用隔热衬里加S31008衬里护板的形式。此设备技术参数如表1所示，结构如图1所示。

2.焊接工艺的确定

一般情况下，S32168与Q345R 焊接大多采用A302焊条，因为采用A302焊条施焊后，在焊缝金属中有一定量的铁素体组织，提高抗裂性。采用A402焊条，焊缝组织为单相奥氏体，其热裂倾向较大。

众所周知，珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时，在紧靠珠光体钢一侧熔合线的焊缝金属中，会形成和焊缝金属内部成分不同的过渡层。离熔合线越近，珠光体的稀释作用越强烈，过渡层中含铬、镍量也越少，因此，其铬当量和镍当量也相应减少。过渡层由马氏体和奥氏体+马氏体组成，过渡层的宽度取决于所用焊条的类型。A402（25-20）由于铬、镍含量比A302（18-8）焊条高，所以过渡层要小得多。当马氏体过渡层较宽时，一方面会显著降低焊接接头的韧性，使用过程中容易出现局部脆性破坏；另一方面，由奥氏体不锈钢和珠光体钢组成的焊接接头中，珠光体钢的含碳量较高，但合金元素含量较少（主要指碳化物形成元素），而奥氏体不锈钢则相反，这样在熔合区珠光体钢一侧形成碳和碳化物形成元素浓度差。当接头在300～400℃温度下长期工作时，熔合区便出现明显的碳扩散，即碳从珠光体钢通过熔合区向奥氏体焊缝扩散。其结果：在靠近熔合区的珠光体母材金属上因形成了脱碳层而软化，在奥氏体焊缝一侧因产生了与脱碳层相对应的增碳层而硬化。由于两侧性能相差悬殊，接头受力时可能引起应变集中，降低了接头的高温持久强度和塑性。为解决碳扩散和迁移问题，除了尽量降低加热温度并缩短高温停留时间，在珠光体钢中增加碳化物形成元素，最有效的方法就是提高奥氏体焊缝的含镍量，利用镍的石墨化作用阻碍形成碳化物，缩小扩散层。

表1 蒸汽发生器技术参数

图1 设备简图

综上所述，本设备管箱入口温度较高，为保证设备长时间在较高温度下正常使用，应选择含镍量较高的焊接材料。镍基焊材是最好的选择，但是由于本设备直径3m，板厚30mm，如果选择镍基焊材会大大提高成本，所以我们选择镍含量较高的A402焊条。

由于A402 焊条的焊缝组织为单相奥氏体，增加了热裂倾向，所以为保证焊接质量和设备使用寿命，我们采用先在Q345R侧使用A402焊条堆焊6mm的堆焊层，然后再进行管箱锥壳S32168与管箱筒体Q345R环焊缝的焊接工艺。在施焊过程中应尽量减少热量的输入，采用小的热输入，快速直道的多层多道焊，并严格控制较低的层间温度。A402焊条化学成分如表2所示。

3.焊接工艺过程

在制定上述焊接工艺方案后，我们进行了设备管箱锥壳S32168与管箱筒体Q345R环焊缝的焊接。首先在Q345R侧筒体坡口面上堆焊A402，堆焊厚度6mm。焊缝坡口形式如图2所示，焊接参数如表3所示。

图2 焊缝坡口形式

堆焊后进行100%着色检测，合格。然后进行环焊缝的对接焊。由于设备直径较大，我们把管箱筒体与锥体竖立，管箱筒体与锥体环焊缝位于横焊位置。焊接中发现几乎每个弧坑都有裂纹，而在Q345R侧堆焊时没有发现裂纹。分析其原因：在坡口面上堆焊是自由状态，没有拘束力，而环焊缝对接焊缝焊时两筒体会有较大的拘束力，为此我们采取每根焊条收弧时引到坡口面上再收弧，并且对每个收弧处打磨后再进行焊接的方法，焊缝表面看不到裂纹。由于板厚较厚，焊接10mm后进行了一次射线检测，检测结果发现大多数的片子中都有裂纹。于是，我们对照检测片子采用小直径焊条、小电流进行返修，但几乎每个收弧处都出现裂纹。我们对所有收弧处进行打磨，无裂纹后再进行焊接。但通过射线检测发现，收弧的地方虽然已经打磨干净，表面已经没有裂纹，但射线检测还是有裂纹，说明不仅仅收弧处存在裂纹。分析其原因：由于A402焊条焊缝组织是单相奥氏体，热裂倾向严重，再加上本设备直径大，板厚较厚，又是锥体和筒体异种钢的焊接，拘束应力较大，所以焊接热裂纹是不可避免的。为了保证焊接质量，我们查阅有关资料：在铬和镍含量＞20%的高铬镍耐热钢中，为获得良好的抗裂性高的纯奥氏体组织，可选用含锰量5%～8%的焊接填充材料。因为锰在熔池中具有脱硫作用，可以大大减少硫的有害作用，最终确定专供A402焊条的化学成分如表4所示。

表2 A402焊条的化学成分（质量分数）（%）

表3 焊接参数

表4 专供A402焊条的化学成分（质量分数）（%）

在清除裂纹后，我们使用专供A402焊条进行了焊接，确实大大减少了焊接热裂纹的产生。焊接完成后进行射线检测，几乎没有发现裂纹，但是却发现有许多夹渣，尤其是筒体与锥体焊接最上面的一道焊缝。我们使用焊条在平板上进行焊接，发现专供A402焊条与原A402焊条相比，在相同焊接参数下，焊条的铺展性或者称与母材的浸润性有所下降，形成凸焊道而提高了抗裂性。但由于焊道铺不开，在下一道焊接时，有可能在上一道焊道的边缘出现夹渣，尤其在横焊位置的焊道上边缘。查找到原因后，我们把筒体平放到转台上，每焊完一道，用砂轮把边缘打磨后再焊接下一道焊缝，焊接完成后进行射线检测，检测结果合格。