浅谈超临界机组高温过热器集箱手孔堵的焊接

2022-06-24杨海东李世霞

世界有色金属 2022年2期

杨海东，李世霞

（1.嘉峪关宏晟电热责任有限公司，甘肃嘉峪关 735100；2.甘肃钢铁职业技术学院，甘肃嘉峪关 735100）

马氏体耐热钢被广泛用于火电厂发电机组主蒸汽管道、耐热器管道等超临界运行的发电机组。常用于发电机组主蒸汽管道的马氏体耐热钢有SA-335P91/SA-213T91，SA-335P91化学成分间表1[1]，其中WCr=8%～9.5%，合金成分含量高，然而在发电机组初建以及在后续运行过程中壁厚减薄，焊口数量多，焊接性差，焊接过程过程中易产生冷裂纹、热裂纹等焊接缺陷。

表1 SA-335P91钢材的化学成分

1 焊接性分析

1.1 焊口位置

350MW超临界发电机组高温过热器集箱手孔材质均为SA-335P91，规格为φ133×25mm，共有手孔3个（如图1）。

图1 高温过热器手孔图

1.2 SA-335P91焊接性分析

SA-335P91是一种新型高强度马氏体耐热钢，在制造过程中通过控制轧制冷却速度来控制其组织的形态，从而细化晶粒和强化钢材，尤其Cr的含量达到8%以上，具有良好的热强性和高温抗氧化性。这种高合金化也给焊接过程带来许多焊接问题，下面就SA-335P91焊接过程中易出现的焊接问题进行分析。

1.2.1 焊接冷裂纹的倾向较大

新型马氏体耐热钢一般通过控轧控冷工艺制造，在焊接过程中，焊缝金属没有这种控轧控冷的机会，很难通过细晶强化和位错强化来改善焊接接头的性能，焊接过程中产生脆硬组织的可能性大，焊接应力大，因此产生冷裂纹的倾向较大。

1.2.2 焊接接头的脆化

在焊接过程中产生接头脆化的主要原因是焊接过程中热输入过大，在大的热输入下，合金元素融入奥氏体晶粒内，由于加热过程中过热度大，引起奥氏体组织的粗化。焊缝焊后冷却过程冷却速度快，合金元素来不及析出，引起马氏体组织粗化，形成针状马氏体，脆性很大，从而降低接头的韧性，因此在焊接过程中尽量减小焊接热输入，采用较低的焊接线能量[2]。

1.2.3 热影响区还可能出现软化

由于马氏体耐热钢的供货状态是淬火+高温回火即调质处理的钢[3]。焊接过程中焊接热影响区受到再次加热的过程，热影响区温度在AC1以下，相当于经历了一次回火处理，热影响区硬度会有所下降，在细晶热影响区和临界热影响区将会产生软化现象。焊接时，细晶热影响区所经受的温度稍高于AC3，临界热影响区所经受的温度在AC1～AC3之间，处于这一温度区间的金属发生部分奥氏体化，沉淀强化相在这一过程中不能够完全溶解在奥氏体中，在随后的热过程中未溶解的沉淀相发生粗化，造成这一区域的强度降低。软化和强度降低对短时高温拉伸强度影响不会太大，但会降低持久强度，管道在长期高温运行过程中，在软化区称为薄弱部位，有可能会产生裂纹，其中焊接热输入对软化的影响最大，因此在焊接过程中要控制焊接热输入，采用小的焊接热输入，来控制焊接热影响区的温度，从而控制软化区的宽度。

1.2.4 焊接冷裂纹

SA-335P91是一种新型高强度马氏体耐热钢，由于合金含量高，有效提高其淬透性，在焊接过程中极易形成马氏体组织，如果焊接热输入大，形成针状马氏体组织。同时焊接过程是不均匀受热的过程，这种不均匀程度越严重，近缝区所受的拉应力也越大，在拉应力作用下，淬硬马氏体组织焊后极易产生冷裂纹。因此在焊接过程中要降低焊接应力，降低马氏体组织的脆性，焊接过程中可以采取预热，焊后采取多次高温回火，消除淬硬组织，防止冷裂纹的产生。

2 SA-335P91焊接工艺要点

2.1 焊前准备

（1）由于SA-335P91是一种新型高强度马氏体耐热钢，如果采用热切割制备坡口，在坡口边缘易产生硬化组织，因此采用机械冷加工方法进行。按照下图（图2）所标注的尺寸要求进行坡口制作和对口工作。

图2 坡口加工尺寸示意图

（2）偏斜度：管口对接要保证端面与中心线垂直，偏斜度△f控制在1mm之内。

（3）错口值：管口对接避免错口，内壁平直对齐，错口值控制在壁厚的10%以内，且≤1mm。

（4）坡口两侧15mm～20mm范围内的油污、氧化膜等污物用机械清理方法将其打磨干净，漏出金属光泽。

2.2 焊接工机具检查

焊前要做好对焊接工装机具的检查工作，确保焊接过程的顺利进行，保证氩弧焊枪瓷套咀的同心度、导电嘴及钨极夹头的完好性，焊枪的气密性等，检查氩气胶管有无破损漏气，氩气表的气密性；保证电焊机电流电压的稳定性，可调节性完好性等。

2.3 焊材准备

焊丝使用前，检查是否有生锈、油污现象，如果焊丝表面有污物采用砂纸等方法将表面的铁锈、油污、氧化膜清理干净，并露出金属光泽；焊条在使用前，应严格进行烘干，烘干温度350℃～400℃温度烘培1小时，使用过程中装载专用保温桶内，随用随取。

2.4 氩气要求

焊接用的氩气质量应符合GB/T4872的规定，并应有出厂合格证，且氩气纯度不低于99.95%，在焊接过程中当瓶余压为0.5MPa时应停止使用。

2.5 充氩装置

氩气纯度要求99.99%,为了保证背面焊缝不被氧化，要求背面充氩，双面保护，因此制作密闭空间进行背面充氩，开焊前根据管径，制作并安装下图（图3）所示的专用充氩工具。（或选用可溶性纸板封堵）。

图3 坡口充氩示意图

充氩保护：

SA-335P91钢焊接过程中极易被氧化，因此要加强保护，为防止焊缝根部氧化，采用GTAW打底焊时，对焊缝背面充氩保护。充氩保护范围以坡口轴中心为基础，每侧各大于或等于200mm处，采用充氩弯管从坡口间隙充氩，氩气流量控制在9～15L/min。

2.6 对口点固焊

（1）SA-335P91钢点固时，宜将“定位块”点固在坡口内（图4）每道焊缝点固不少于3点，均匀分布。“定位块”应选用含碳量小于0.25%低碳钢材料（如16Mn、Q235），点固定位焊采用的焊接材料及焊接工艺与正式焊接时相同。

图4 定位块示意图

（2）点固焊及正常施焊过程中不得在管子表面引弧或试验电流[4]。

2.7 焊接材料及工艺选择

与焊接常规合金一样，除了选用碱性低氢型、焊接工艺性能良好的焊接材料外，还要注意保证焊接接头的冲击韧性。因此，在控制预热温度和层间温度时，须保证温度测量的准确性。

（1）预热温度为150℃～200℃，层间温度控制在200℃～250℃；焊后为了使焊缝金属组织彻底转变而不致产生裂纹。须将温度控制在小于80℃～100℃范围内。

（2）焊接材料选用AWS A5.28ER90S-B9；AWS A5.5E9015-B9的主要化学成份见下表。

表2 焊丝AWS A5.28 ER90S-B9

表3 焊条AWS A5.5 E9015-B9

2.8 SA-335P91钢焊接工艺流程

机具准备——坡口清理——做气室——预热——对口——充氩装置放入——点固——氩弧焊——电弧焊（层间温度控制）——冷却恒温——热处理——无损检验。

3 焊接

为了保证焊缝背面质量，采用GTAW打底焊接，并且采用打底两层，主要是防止进行焊条电弧焊焊接时打底层被烧穿。

3.1 焊接过程中注意事项

（1）SA-335P91钢属于高合金钢，由于合金含量高，导致熔池铁水在焊接过程中流动性差，根部焊缝容易易氧化烧焦，为了保证根部焊缝质量，根部进行充氩保护。打底焊的好坏关键在充氩的质量，焊前采用打火机在坡口内打火进行检验，若“点不着火”则证明充氩合格。

（2）向内充氩后，保证充氩充分，如果能感觉到氩气从焊缝间隙中轻微溢出，说明充氩充分。焊接过程中整个焊口用保温绵进行堵实，焊接一段拨开一段，逐段进行焊接。

（3）打底时，铁水流动性差，湿润性不好，所以熔孔不可开得过大。送丝要均匀。避免出现根部焊缝出现未溶化的焊丝头（生丝）现象。熔滴过渡采用自由过渡，收弧时把焊接电流衰减下来，填满弧坑后移向坡口边沿收弧，防止产生弧坑裂纹。

（4）焊接过程中，为了避免焊接过程中变形，采用定位块，焊接至“定位块”处时，采用角磨机将“定位块”去除，并将焊点处用砂轮机打磨掉，不得留有疤痕和痕迹，确认无裂纹等缺陷时方可继续施焊。

3.2 SMAW填充和盖面焊接

（1）焊条电弧焊填充时，由于打底层焊道较薄，因此在进行第一道填充焊时，采用小电流焊接，避免击穿打底层焊缝。

（2）每一根焊条焊接结束后，要注意填满弧坑，防止在弧坑处没有足够的液态金属补偿产生弧坑裂纹。

（3）多层多道焊注意将每层清理干净再焊下一层，清理可以采用锯条或者砂轮打磨清理，不得用手锤重击焊道。

（4）多层多道焊时，层间必须严格控制焊接工艺参数。层间温度不得超过200℃～250℃，减少层间热输入，避免出现过热组织。

（5）采用多层多道焊（焊道排列见图5），焊层厚度应小于焊条直径，焊道宽度应不超过焊条直径3倍为宜。

图5 焊道排列图

3.3 工艺参数

在保证熔化和焊接的前提下，采用较小焊接电流，低热输入的焊接参数，以薄的焊层厚度、窄的焊道摆动宽度等工艺措施，焊接工艺参数如表4所示。

表4 SA-335P91焊接工艺参数

4 焊后热处理

焊后采用柔性陶瓷电阻远红外加热带，微机自动控制仪按设定程序控温，自动记录。应将焊缝冷却到80℃～100℃保持1h～2h，进行马氏体转变，再升温进行热处。热处理温度为（760±10）℃，升、降温速度应小于或等于150℃/h.恒温时间按壁厚每25mm1h计算，且不小于4h。（热处理工艺如图6所示），测温装置（热电偶）应对称，且不能少于两只。进行热处理时管内不得有穿堂风、积水或蒸汽。