屏式过热器SA213T91管屏膜流焊接技术

钱 丹，沈海峰，俞 苗，刘富家，朱力钢

（杭州锅炉集团股份有限公司，浙江杭州310016）

屏式过热器SA213T91管屏膜流焊接技术

钱 丹，沈海峰，俞 苗，刘富家，朱力钢

（杭州锅炉集团股份有限公司，浙江杭州310016）

SA213T91钢管制成的膜式壁管屏膜流焊接结束后在收弧位置出现了较多的收弧裂纹，在局部焊缝中心MT探伤发现纵向线性显示，并在后续手工气保焊返修后焊缝收弧位置MT探伤又发现了大量的线性显示。针对上述问题进行分析，找到缺陷产生原因，并提出解决措施，为SA213T91钢管制成的膜式壁管屏在大型循环流化床锅炉中的应用奠定了基础。

SA213T91管屏；膜流焊接；裂纹缺陷

0 前言

SA213T91钢是在9Cr-1Mo钢化学成分基础上适当降低C、S、P含量并添加微量的V、Nb、N等合金元素的一种改进型马氏体耐热钢[1]，具有高温强度高、抗蠕变性能和抗氧化性能好等优点。与T22及12Cr1MoVG等传统合金耐热钢相比，在相同的温度、压力条件下，钢管壁厚大幅降低，材料用量可大为减少，并且还能提高设备使用的安全性[2]。近年来随着电站机组容量的增大，设备参数不断提高，SA213T91钢越来越广泛地被应用于电站锅炉的高温过热器等核心部件。

杭州锅炉集团公司设计的某型号循环流化床锅炉，其屏式过热器部件采用膜式壁窄节距结构，管屏管子采用SA213T91材料，扁钢采用SA387Gr91Cl2材料。在该屏式过热器的制造过程中有两大问题：一是膜流埋弧自动焊结束后在收弧位置出现较多的收弧裂纹，在局部焊缝中心MT探伤发现了纵向线性显示；二是在后续气保焊返修后焊缝收弧位置MT探伤又发现了大量的线性显示。针对上述两个问题，从原材料、管屏结构、制造过程以及缺陷特征等方面展开分析，找到缺陷产生原因，提出解决措施。

1 管屏制造过程简述

1.1 管屏材料及结构形式

管屏结构示意如图1所示。

图1 管屏结构示意

管子材料SA213T91；管子规格为φ38.1 mm× 6.4 mm；管子数量为31支（一片管屏）；扁钢材料SA387Gr91Cl2；扁钢规格为6 mm×19.9 mm（不开坡口）。

1.2 膜流焊接及退火过程

1.2.1 管屏SAW膜流焊接

管屏采用1 600 mm埋弧拼排焊机焊接，由于管屏宽度超过焊机设备极限，分成两个单元片制作，1个单元片由16根管子、15根扁钢组成，另一单元片由15根管子、14根扁钢组成，两个单元片采用手工药芯焊丝气保焊拼接而成。焊前采用人工火焰预热，工艺要求200℃～250℃，实际预热温度160℃～200℃，但个别位置存在过低（100℃）和过高（400℃）的情况，焊接工艺及参数见表1。SAW焊接完成后立即采用火焰继续加热，工艺要求后热温度为300℃～350℃，实际后热温度230℃～280℃，个别位置也存在过低和过高的情况，采用硅酸铝纤维包裹缓冷。

表1 管屏SAW拼排焊接工艺及参数

1.2.2 退火工艺及过程

单元片管屏焊接完成后当天进炉进行去应力退火热处理，退火工艺曲线如图2所示。

图2 退火工艺曲线

1.3 管屏探伤

单元片管屏退火完成后，经外观检查和100% MT探伤发现主要存在以下问题，也就是“问题一”：

（1）90%的埋弧焊焊缝收弧位置都存在收弧裂纹缺陷，如图3所示。

（2）埋弧焊焊缝中心局部位置出现MT纵向线性显示，长度20～30 mm，如图4所示，其中最边缘外侧有一条焊缝断断续续都出现MT纵向线性显示，其外观表现如图4所示。

2 “问题一”埋弧焊焊缝缺陷分析与解决

针对上述膜流埋弧自动焊焊接缺陷，主要从原材料、管屏结构、制造过程以及焊接缺陷特征等方面进行原因分析，并提出解决方案。

图3 埋弧焊焊缝收弧裂纹

图4 埋弧焊焊缝中心MT纵向显示

2.1 母材性能

SA213T91/SA387Gr91Cl2材料是中合金耐热钢，Cr、Mo、V等强碳化物元素含量高，具有高温强度高、抗蠕变性能和抗氧化性能好等优点，具体化学成分见表2，常温力学性能见表3。根据国际焊接协会推荐的碳当量公式[3]CE＝C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+ Cu）/15（单位：%）得出，SA213T91/SA387Gr91Cl2材料的碳当量约为2.27%，因此该材料的可焊性较差。具体表现为：焊接时焊缝从高温冷却时易产生脆而硬的马氏体组织，并且焊缝中的组织主要为柱状晶，相较于母材的超细晶粒，焊缝组织的韧性明显下降，在焊缝区扩散氢和焊接残余应力的作用下，在焊缝金属及热影响区极易产生冷裂纹[4]。查阅该管屏使用的所有母材和焊材原材料质保书和入厂验收资料，化学成分和机械性能均符合ASME相应标准要求。

表2 SA213T91/SA387Gr91Cl2材料的化学成分%

表3 SA213T91/SA387Gr91Cl2材料力学性能

2.2 管屏结构

该管屏为膜式壁窄节距结构，节距58 mm，焊缝密度高。在焊接过程中由于管子和扁钢的收缩量和方向不同，在焊接这种管屏时，管子和扁钢的交接处也就是焊缝根部存在较大的焊接残余应力。

2.3 制造过程

（1）采用人工火焰预热，稳定性不够，导致管子受热不均匀，存在局部温度过热和过低的现象，焊接和冷却过程中容易产生粗大和淬硬的马氏体组织，并且有较大的温度应力。

（2）埋弧焊焊接时，先焊接双身管，再将双身管拼成大排，管子与扁钢在双身管焊接后存在变形，在焊接后吊装过程中只有一个支撑点，有弯曲变形，导致后续在拼大排过程中存在强制装配的情况（特别是管屏与最外侧双身管焊接时，累计的焊接变形较大），产生较大的接头拘束度，导致产生较大的焊接应力。

2.4 焊接缺陷特征

（1）收弧裂纹缺陷。膜流埋弧自动焊焊接时收弧较快，收弧处焊缝厚度较薄，冷却速度相对较快，特别是SA213T91/SA387Gr91Cl2管屏因其母材特性和窄节距结构特性，管屏的焊接应力相对来说比较大，所以在埋弧焊焊缝收弧位置极易开裂。

（2）埋弧焊焊缝中心MT探伤纵向显示，对此焊缝表面用角向砂轮进行打磨，发现该处MT线性显示为裂纹，并且发现该处裂纹已裂穿焊缝，如图5所示。对该特征裂纹取样进行截面金相分析，焊缝截面如图6所示，从50倍金相上来看（见图7、图8），根部位置的开口较大并伴有明显的错位，焊缝表面的开口较小，该裂纹断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特征，是一种无分叉的纯断裂；从100倍微观金相上看（见图9），该裂纹断口为明显的穿晶特征，伴随有少量的沿晶特征，从500倍焊缝组织上看（见图10），局部存在马氏体组织粗大的情况；从焊缝外观看，开裂处的焊缝外观成形相对于没有开裂的焊缝成形不够饱满，焊缝熔深较浅，厚度较薄。从上述特征判断，该裂纹的起裂点应该在焊缝根部，是由焊缝根部向焊缝表面扩展。

图5 打磨后外观显示为裂纹

图6 裂纹焊缝截面

图7 裂纹焊缝截面金相①

图8 裂纹焊缝截面金相②

图9 裂纹焊缝截面金相

图10 裂纹焊缝组织金相

2.5 “问题一”解决方案

通过上述分析可以发现：（1）该实验管屏出现收弧裂纹是由于膜流埋弧焊焊接特性以及SA213T91/SA387Gr91Cl2管屏母材特性和窄节距结构特性共同作用下产生的，按目前这种情况来说只能控制收弧裂纹在后续不出现延伸和扩展，无法完全根除。根据制作91管屏的经验，管屏SAW焊接完成后24 h之内进行进炉去应力退火，可以有效地控制收弧裂纹长度，完全做到不延伸和扩展。（2）该管屏焊缝中心的裂纹是由硬而脆的马氏体组织和焊接应力共同作用下产生的冷裂纹。要避免这种裂纹的产生应从控制焊接应力和避免产生淬硬马氏体组织入手，主要有以下措施：①焊接预热尽可能均匀和到位，增加火焰加热密度和宽度，增加测温装置，严格控制预热温度范围；②焊接完成后立即进行有效的后热缓冷处理，使马氏体组织充分转变，自由氢完全逸出，避免产生淬硬组织和自由氢残留；③膜片吊装过程中采用专用吊装工装保证管片平直，防止管片出现弯曲变形；④埋弧焊结束24 h内进行退火处理，能有效去除焊接应力。

通过采用上述措施，采用膜流埋弧自动焊制作的系列新SA213T91管屏成功解决了上述“问题一”，除埋弧焊收弧焊缝位置存在少量收弧裂纹外，其他焊缝MT探伤均一次合格，如图11、图12所示。

图11 膜流焊缝退火后外观形貌

图12 膜流焊缝退火后100%MT探伤

3 管屏埋弧焊缺陷返修

针对上述管屏膜流埋弧焊缺陷，采用CO2药芯焊丝气保焊（FCAW）进行返修。

3.1 CO2药芯焊丝气保焊（FCAW）返修过程

返修过程：①根据MT显示位置，采用砂轮打磨去除缺陷，MT探伤确认缺陷完全消除；②采用履带式加热器对管屏进行整体预热到200℃～250℃；③选派持证优秀焊工，采用如表4所示的焊接工艺参数进行焊接；④焊后立即加热到300℃～350℃保温2 h进行后热消氢处理。

表4 管屏FCAW返修焊接工艺及参数

3.2 FCAW返修焊缝探伤结果

FCAW返修完成24h后，对返修处进行100%MT探伤，发现主要存在以下问题，也就是“问题二”。

（1）FCAW返修焊缝收弧位置出现典型的弧坑裂纹，其焊缝外观形貌如图13所示，其50倍截面金相如图14所示。

图13 FCAW返修焊缝收弧裂纹外观形貌

图14 收弧裂纹截面金相形貌

（2）FCAW返修焊缝收弧位置MT探伤为线性显示，其焊缝外观形貌如图15所示，经打磨后发现为气孔，如图16所示。

图15 FCAW返修焊缝收弧位置MT线性显示

图16 MT线性显示位置打磨为气孔

3.3 “问题二”气保焊返修焊缝缺陷分析

（1）FCAW返修焊缝弧坑裂纹主要原因是合金含量较高的SA213T91/SA387Gr91Cl2在焊接收弧位置容易产生成分偏析，加之焊接区域存在未清理干净的杂质，很容易在收弧位置形成低熔点共晶[5]，使弧坑位置成为脆弱区。若应力处理不当，则很容易造成弧坑区被拉裂的情况，所以类似这种合金含量比较高的材料特别是管屏结构应力较大的情况，应尽量避免采用药芯焊丝气保焊。

（2）FCAW返修焊缝收弧位置MT探伤为线性显示、其实为气孔缺陷，而在传统观念中普遍认为MT探伤显示为线性时应该为裂纹缺陷，所以这个发现值得思考，特别是锅炉汽包焊缝MT探伤时也会存在这种误判。针对气孔缺陷形成的原因，认为主要是CO2药芯焊丝气体保护焊本身特性决定的，焊工在焊接收弧时若处理不当，则在收弧区很容易产生气孔缺陷[6]。

3.4 “问题二”气保焊焊缝缺陷返修

针对上述FCAW返修焊缝收弧处缺陷，重新制定采用氩弧焊进行返修的方案，返修过程为：①根据MT显示位置，采用砂轮打磨去除缺陷，并MT探伤确认缺陷是否完全消除；②清理返修焊缝，使该区域及周围母材露出金属光泽；③采用火焰对返修区域及周围200mm范围内预热200℃～250℃；④选派持证优秀氩弧焊焊工，采用如表5所示的工艺参数进行焊接；⑤氩弧焊时注意将收弧收到扁钢位置，如图17所示，焊接完成后立即打磨去除该收弧点，如图18所示；⑥焊后立即加热到300℃～350℃硅酸铝纤维覆盖缓冷。

表5 管屏GTAW返修焊接工艺及参数

表17GTAW返修焊缝收弧位置

表18GTAW返修焊缝收弧位置打磨

3.5 氩弧焊返修探伤结果

GTAW返修完成24h后，对返修处进行100%MT探伤，全部合格。

3.6 返修焊缝热处理

管屏返修完成后再次进炉进行去应力退火热处理，其退火工艺曲线如图19所示。

3.7 管屏热处理后复探

热处理完成后对整片管屏进行100%MT探伤，全部合格。

图19 返修后退火工艺曲线

3.8 管屏母材硬度检测

经过上述两次退火过程，检测该管屏SA213T91管子母材硬度，结果显示母材布氏硬度为HB 200～210，完全满足标准要求。

4 结论

在制作屏式过热器SA213T91/SA387Gr91Cl2管屏时要注意以下问题：（1）膜流焊接时预热应均匀和到位，严格控制焊接预热温度；（2）焊后立即进行后热消氢处理；（3）膜片在吊装过程中采用专用吊装工装保证膜片平直，防止膜片出现弯曲变形；（4）膜流埋弧焊结束24 h内进行退火处理，有效去除焊接应力；（5）局部焊缝返修尽可能采用氩弧焊，并打磨收弧位置，防止出现收弧裂纹；（6）返修后及时进行去应力退火处理，退火完成后进行MT探伤检测合格。目前，通过该方案制作的系列循环流化床SA213T91/SA387Gr91Cl2屏式过热器已在工地现场顺利运行，并运行良好。

[1]刘万举，王文义，王小迎.SA213-T91钢焊接工艺理论分析及焊接过程控制[J].技术交流，2006，34（4）：55-58.

[2]杨宣进，黄新民.T91锅炉热强钢焊接性能的试验研究[J].广东电力，2009，22（12）：45-49.

[3]ASME锅炉及压力容器委员会材料分委员会.ASME锅炉及压力容器规范第II卷A篇铁基材料2013版[M].北京：中国石化出版社，2014.

[4]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2009：191-207.

[5]张文钺.焊接冶金学[M].北京：机械工业出版社，2006：215-299.

[6]侯志勇.CO2气保焊实训中常见问题分析[J].河南机电高等专科学校学报，2011，19（3）：110-112.

The membrance wall welding technology of SA213T91 platen superheater

QIAN Dan，SHEN Haifeng，YU Miao，LIU Fujia，ZHU Ligang
（Hangzhou Boiler Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310016，China）

There were amount of cracks appeared at quenching arc area of SA213TP91 membrance wall automatic submerged arc welding.The defect displayed in longitudinal linear checked by MT.The cracks appeared in the same place when the welding procedure had replaced by manual FCAW.Analysis and research were carried out to find the root reason for defects，and corrective actions were applied in the follow product successfully.It laid the foundation for the SA213TP91 membrance wall application in large circulating fluidized bed boiler.

SA213T91platen superheater；membrance wall welding；crack defect

TG457.1

B

1001－2303（2017）02－0041-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.08

2016-09-29；

2016-10-08

钱 丹（1984—），女，浙江嵊州人，工程师，学士，主要从事锅炉和压力容器焊接工艺的研究工作。

献

钱丹，沈海峰，俞苗，等.屏式过热器SA213T91管屏膜流焊接技术[J].电焊机，2017，47（02）：41-46.