SA213—SUPER304H超级不锈钢焊接工艺

2015-10-15隗祖民

科技资讯 2015年20期

隗祖民

摘要：该文通过对SA213-SUPER304H超级不锈钢在超超临界机组安装焊接过程中的技术管理经历，结合自己从事火力发电厂焊接技术工作积累的丰富经验及一定的工艺实验和理论知识，对该SA213-SUPER304H钢材进行了材料物理化学性能分析、焊接工艺难点分析以及相应的措施制定，从而对该超级不锈钢小径管的焊接工艺的选择、现场焊接施工中应注意的事项及应采取的措施等均有一定的探索，给往后火电安装工程中该类钢材的焊接积累和总结了一些宝贵的经验和数据，具有一定借鉴意义。

关键词：SA213-SUPER304H钢超级不锈钢焊接工艺

中图分类号：TG457.11 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

为提高电站机组热效率、降低煤耗和发电成本，减少SO2、CO2等污染气体的排放量，世界各国均以发展大容量、高效率的超临界甚至超超临界机组为主要方向，以适应环境保护和节约能源的要求。超超临界机组是当代火力发电厂的共同发展趋势，锅炉是火电机组的关键设备，其蒸汽参数达到26.25 MPa、600℃，这就要求开发出耐高温性能更好的耐热钢，目前，世界先进国家普遍采用的是新型细晶强韧化铁素体耐热钢和新型细晶奥氏体耐热钢，SUPER304H就属于新型细晶奥氏体耐热钢，主要应用于超超临界锅炉高温过热器、高温再热器等重要部件。

1 材料物理化学性能的分析

SUPER304H钢是日本在TP304H钢中添加了3%Cu、0.4%Nb和一定量的N开发出的新型钢种，该钢种具有极高的蠕变断裂强度，在600～650℃下的许用应力比TP304H高30%，而且组织性能和力学性能稳定，是超超临界锅炉过热器、再热器的首选材料。SUPER304H钢的化学成分（%）为：C 0.07～0.13，Mn ≤1.0，Si≤0.03 ，S ≤0.01，P ≤0.04，NI 7.5～10.5，Cr 17～19，Cu 2.5～3.5，W 1.52，Nb0. 3～0.6 ，N0.05～0.12。其主要力学性能为：屈服强≥235 MPa，抗拉强度≥590 MPa纵向延伸率（%）≥35硬度（HB）≤219。

SA213-SUPER304H钢的化学成分，在钢中加入适量的铜和铌，是为了提高其持久强度、持久塑性、韧性和抗腐蚀性；而对高温抗拉强度有较大影响的氮含量上限控制在0.12%，主要是考虑到运行温度下长期时效后塑性下降。

2 焊接工艺难点分析

SA213-SUPER304H钢在供货状态下是单一的奥氏体组织，焊接Cr、Ni纯奥氏体钢的主要问题有三个，分别是焊接裂纹、接头腐蚀和时效脆化。焊接纯Cr、Ni奥氏体钢容易出现高温裂纹，他们是结晶裂纹、高温液化裂纹、高温脆性裂纹。若Cr、Ni奥氏体钢在焊接以后经过敏化，接头可能发生晶间腐蚀；Cr、Ni奥氏体钢的应力腐蚀发生在含有CL-的介质中，而且介质温度愈高，愈容易发生应力腐蚀，最容易发生应力腐蚀的温度范围是50～300℃。

2.1 焊缝热裂纹问题

力学因素：SUPER304H属于奥氏体型不锈钢，由于奥氏体不锈钢导热性差，其电阻率是低碳钢的4倍，而线膨胀系数却很大，约是低碳钢的2倍，所以焊后在接头中会产生较大的焊接应力。

冶金因素：奥氏体不锈钢中的Ni与P，S等杂质在熔池中易形成低熔点共晶，此外，奥氏体不锈钢的液相线与固相线的距离较大，结晶时间较长，且奥氏体结晶的枝晶方向性很强，所以杂质偏析现象严重。

2.2 晶间腐蚀

冶金因素：Cr与C结合，在晶间形成碳化铬，结果使晶界附近的含铬量大为减少，形成贫铬区，当晶界附近的金属含铬量低于12%就失去了耐腐蚀的能力，在腐蚀介质的作用下，即产生晶间腐蚀。

力学因素：产生晶间腐蚀的材料当受到外力作用的时候，就会沿晶界断裂，几乎完全丧失强度。这是奥氏体不锈钢最危险的一种破坏形式，但是奥氏体不锈钢不是任何时候都会产生晶间腐蚀，它与钢的加热温度和加热时间有关，产生晶间腐蚀的温度为450～850℃（敏化温度），尤其以650℃最为危险。

3 焊接工艺难点的措施选择

3.1焊接材料的选择

选择一种焊接工艺性能良好、焊缝金属性能优异的焊接材料是保证焊接接头质量的前提，采用了日本住友公司SUPER304H生产商开发的SUPER304H钢的焊接材料YT-304H。其化学成分（%）为：

C 0.1， Mn 3.23，Mn 0.19， Si 0.19 ，S 0.003， P 0.008， NI 15.96， Cr 18.63 ，Cu 3.07， Mo 0.89， Nb+Ta 0.65，N 0.21。

采用的YT-304H焊材，含有Ta和Nb添加剂，可有效避免焊接热裂纹的产生。Ta和Nb与C的结合力比Cr更强，从而使焊缝金属获得双相组织：奥氏体+铁素体，少量的铁素体可以细化晶粒、打乱柱状晶的方向和防止杂质的聚集，铁素体还可以比奥氏体溶解更多的杂质，从而可以减少偏析现象，因此双相组织的焊缝比单相奥氏体的焊缝具有较高的抗裂纹能力。

3.2层间温度：防止晶间腐蚀的措施

采用小电流、快速、短弧多道焊，待先焊一层完全冷却后再焊下一层，或用冷水浇等措施加速焊缝的冷却，以尽量降低层间温度，可有效防止晶间腐蚀。层间温度不宜太高，控制在100℃以下最好。层间温度过高将严重影响焊缝的冲击韧性，为了控制层间温度，不宜在同一地点进行重复施焊，而且焊接速度不能太慢。

3.3焊接电流、焊接速度

焊接电流是影响焊接质量的关键因素之一，尤其是对于该类存在合金元素烧损及影响焊接接头冲击韧性的高合金钢的焊接。焊接电流降得过低，由于熔池的铁水黏度大，流动性差，易造成未焊透、未熔合、夹渣等缺陷。焊接电流过大易造成合金元素的烧损，且关系的焊接线能量的输入，而焊接线能量输入大，焊缝金属在高温（1100℃以上）停留时间长，晶粒长大变脆，致使焊缝韧性降低。

3.4 背面保护

由于SA213-SUPER304H高合金材料存在根部层烧焦的现象，所以在焊接过程中我们要进行焊口背面强制性充Ar保护，以确保焊接质量。背面保护Ar气流量为8～12 L/min。

4 现场焊接注意事项

由于是全氩弧焊接，而且该类材料主要用于高温高压部件，对焊接质量要求很高，所以对各种影响焊接质量的因素都应高度重视，在具体的施工中以下几点值得注意。

4.1坡口清理

对坡口上的油、漆、水份等特别敏感，一旦清理不干净，很容易产生气孔。

4.2冲氩封堵

实践证明，在SA213-SUPER304H的焊接中，许多缺陷往往出现在冲氩封堵不严实、漏气、气体不纯，缺陷多为烧焦、未熔合、未焊透等，所以充氩封堵后一定要认真检查。

4.3 打底焊

也是焊接的一个难点。现场施工时实际焊接位置差，不易看到整个管口，焊枪角度不易摆动，所以如焊接规范不合适是很容易出现焊接缺陷的，特别是气孔、烧焦、未焊透等。

4.4填充及盖面层

如焊接时层间温度达到超出上限，应暂停焊接，等温度下降到规定的温度范围内后，才重新开始施焊，这样虽然对生产率有一定的影响，但焊接质量却可得到保证。