鄭州鍋爐股份有限公司（河南 450001）段江麗 連艷敏 李 棟 孫臣君

1.概述

我公司生產(chǎn)的某火力發(fā)電用循環(huán)流化床鍋爐，其過熱器合金鋼集箱采用ASME材質(zhì)SA—335M P11鋼，且壁厚較大，集箱筒體最厚為35mm。本文對(duì)φ377mm×30mm集箱的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述與分析，按本試驗(yàn)方案中的焊接工藝進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品，經(jīng)檢驗(yàn)符合相關(guān)要求，這為以后進(jìn)行相關(guān)材料、相關(guān)結(jié)構(gòu)的焊接工作積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

2.SA—335M P11鋼材的焊接性分析

ASME標(biāo)準(zhǔn)中，SA—335M P11鋼的分類為高溫用鐵素體合金鋼公稱管，國(guó)標(biāo)中低合金耐熱鋼15CrMoG鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能與SA—335M P11鋼最為接近，如表1、表2所示。

表1 兩種鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%)

表2 兩種鋼的力學(xué)性能

由此可知，首先SA—335M P11鋼屬于1Cr-0.5Mo鋼，其合金成分總質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜5%，為低合金耐熱鋼，其焊接性一般，有淬硬傾向，焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)較可能形成對(duì)冷裂紋敏感的組織。其次，由于Cr、Mo為強(qiáng)碳化物形成元素，從而使焊接接頭的過熱區(qū)具有一定程度的再熱裂紋敏感性。再次，Cr-Mo鋼及其焊接接頭在370～565℃溫度區(qū)間長(zhǎng)期運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生漸進(jìn)的脆變現(xiàn)象，即回火脆性。另外，還要考慮壁厚及直徑的影響，壁厚的材料在受載或受壓時(shí)，不容易產(chǎn)生塑性變形，在焊接接頭中存在焊接殘余應(yīng)力的情況下，很容易發(fā)生脆性斷裂。

為了改善其焊接性，保證焊接質(zhì)量，焊接時(shí)應(yīng)采取合適的工藝措施，包括焊前準(zhǔn)備、焊接方法的選擇、焊接材料的選配和管理、焊前預(yù)熱、焊接參數(shù)的選擇和焊后熱處理。

3.焊接方法

采用手工鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充、蓋面。

鎢極氬弧焊具有低氫、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形的優(yōu)點(diǎn)?？紤]到我單位實(shí)際生產(chǎn)情況，焊接接頭的填充層及蓋面層采用焊條電弧焊，為確保焊縫金屬的韌性，降低裂紋傾向，采用低氫型堿性焊條。

4.焊前預(yù)熱

預(yù)熱是防止焊接接頭冷裂紋和再熱裂紋的有效措施之一。預(yù)熱溫度可依據(jù)碳當(dāng)量法和強(qiáng)度等級(jí)來估算，還要考慮到接頭拘束度和焊縫金屬的氫含量。不同碳當(dāng)量所需最低預(yù)熱溫度如表3所示，各國(guó)壓力容器法規(guī)規(guī)定的1Cr-0.5Mo鋼最低預(yù)熱溫度如表4所示。

表3 焊接材料與碳當(dāng)量與預(yù)熱溫度的關(guān)系

表4 1Cr-0.5Mo鋼預(yù)熱溫度推薦值

根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）計(jì)算碳當(dāng)量的公式：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，可估算出SA—335M P11鋼的標(biāo)準(zhǔn)碳當(dāng)量：0.388%≤CE≤0.68%。

參考表3和表4，估算出SA—335M P11鋼最低預(yù)熱溫度約120℃。預(yù)熱溫度并非越高越好，為防止氫致裂紋的產(chǎn)生，規(guī)定較高的預(yù)熱溫度是必要的，但過高時(shí)，則可能產(chǎn)生馬氏體組織，從而降低韌性。另外，還要考慮到焊接操作時(shí)的情況，則最終決定預(yù)熱溫度為120～170℃，層間溫度≤250℃。

5.焊前準(zhǔn)備

焊件采用熱切割法下料，機(jī)械加工坡口。用風(fēng)砂輪將焊縫兩側(cè)20mm范圍內(nèi)打磨至金屬光澤，清除焊縫及兩側(cè)100～200mm內(nèi)的油污等雜質(zhì)。采用火焰加熱，將待焊部位及其周圍150～200mm預(yù)熱。

6.焊接材料

低合金耐熱鋼焊接材料的選擇應(yīng)根據(jù)鋼材的化學(xué)成分、接頭的力學(xué)性能要求、結(jié)構(gòu)的拘束程度、焊接結(jié)構(gòu)的服役工況，以及焊后是否要熱處理、焊接位置和施焊要求等方面綜合考慮。

本文所述集箱設(shè)計(jì)壓力7.74MPa，水壓試驗(yàn)壓力11.61MPa，運(yùn)行時(shí)工質(zhì)口溫度為395℃，出口溫度為485℃，因此對(duì)焊縫的要求是要有較好的力學(xué)性能與熱強(qiáng)性能。

由于低合金耐熱鋼在焊接時(shí)的主要問題是裂紋和脆化，所以在選擇焊接材料時(shí)必須注意以下幾個(gè)方面的問題：選擇與母材化學(xué)成分相近的焊接材料，為保證焊接接頭的強(qiáng)度、抗裂性和韌性，應(yīng)選用低氫的焊接材料；考慮熔合比和冷卻速度的影響；考慮焊后熱處理對(duì)焊縫力學(xué)性能的影響。

H13CrMoA、E5515—B2是1Cr-0.5Mo鋼采用氬弧焊、焊條電弧焊時(shí)常用的焊絲、焊條，具有良好焊接性和綜合性能，其合金成分與SA—335M P11鋼基本相當(dāng)，且E5515—B2為低氫堿性，綜合考慮熔合比、冷卻速度、焊后熱處理的影響，決定選用這兩種焊接材料。焊接材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表5、表6、表7所示。

表5 H13CrMoA焊絲的化學(xué)成分（GB/T14957—1994）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表6 E5515—B2焊條的化學(xué)成分（GB/T5118—1995）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表7 E5515—B2焊條熔敷金屬的力學(xué)性能（GB/T5118—1995）

7.焊后熱處理

根據(jù)ASME 規(guī)范，進(jìn)行消除應(yīng)力退火熱處理。退火溫度（680±15）℃。焊后熱處理可有效地消除焊接接頭中的殘余應(yīng)力，降低硬度，改善組織。

8.焊接工藝評(píng)定（PQR）

焊接工藝評(píng)定所用SA—335M P11鋼的規(guī)格為φ377mm×30mm，按ASME規(guī)范進(jìn)行，其焊接工藝如下：預(yù)熱溫度：122℃；層間溫度：118～168℃；組裝間隙：0～2mm；坡口形式：U形帶鈍邊和V形帶鈍邊，如圖1、圖2所示；焊接材料：H13CrMoA，φ2.5mm；E5515—B2，φ3.2mm，φ4mm，φ5mm；焊接參數(shù)：如表8所示；焊后熱處理：（680±15）℃，180min。

圖2

表8 PQR焊接參數(shù)

根據(jù)ASME 規(guī)范將試件進(jìn)行焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)，所得拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表9所示，彎曲試驗(yàn)合格。

表9 PQR拉伸試驗(yàn)

9.產(chǎn)品集箱焊接工藝

產(chǎn)品中，筒體材質(zhì)為SA—335M P11鋼的集箱共5根，筒體規(guī)格有φ377mm×30mm、φ325mm×35mm、φ219mm×20mm三種，坡口形式有U形帶鈍邊和V形帶鈍邊兩種。除此之外，產(chǎn)品集箱焊接工藝與評(píng)定時(shí)完全相同。

采用評(píng)定所示焊接工藝，產(chǎn)品上5根SA—335M P11鋼的集箱上共10條環(huán)縫，經(jīng)100%射線探傷，均合格，無缺陷產(chǎn)生。產(chǎn)品試件的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果也符合相關(guān)要求。

10.結(jié)語

通過以上焊接工藝評(píng)定（PQR）、實(shí)際焊接操作情況以及探傷結(jié)果表明：在現(xiàn)有的焊接條件下，通過此焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，證明所選焊接規(guī)范及工藝正確，能夠滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。集箱筒體主焊縫的焊接質(zhì)量良好，達(dá)到了要求的探傷合格標(biāo)準(zhǔn)。為以后進(jìn)行ASME產(chǎn)品的生產(chǎn)、相關(guān)材料、相關(guān)結(jié)構(gòu)的焊接提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。