殷 智,殷守斌（.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?濟(jì)南 5000； .山東省菏澤市供電公司,山東 菏澤 74000）

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超臨界鍋爐TP347HFG的焊接性能及焊接工藝初探

殷 智1,殷守斌2
（1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?濟(jì)南 250100； 2.山東省菏澤市供電公司,山東 菏澤 274000）

摘 要：文中對(duì)TP347HFG鋼的焊接性能進(jìn)行了分析，明確了其常見的焊接缺陷，選擇鎳基焊材ERNiCr-3和匹配焊材ER347進(jìn)行焊接，并探索出了相應(yīng)的焊接工藝，主要包括：坡口打磨、對(duì)口間隙控制、根部充氬保護(hù)、層間溫度控制等措施，有效防止了焊接缺陷的產(chǎn)生，取得了良好效果，為從事發(fā)電廠類似焊接項(xiàng)目的工程技術(shù)人員提供了參考。

關(guān)鍵詞：TP347HFG鋼；焊絲ERNiCr-3；焊絲ER347；沖氬保護(hù)

0 引言

TP347HFG是日本住友公司針對(duì)TP347H存在的煙汽側(cè)管子在熱循環(huán)作用下會(huì)產(chǎn)生氧化層剝落、進(jìn)而在彎管處產(chǎn)生阻塞導(dǎo)致過熱的問題及失效和剝落的氧化物會(huì)被帶入汽輪機(jī)，使汽輪機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的侵蝕的問題進(jìn)行了改進(jìn)，采用與TP347H不同的加工制造、熱處理工藝，利用微細(xì)的鈮碳化物（NbC）的溶解和沉淀機(jī)理，采用新的、較高的固溶處理溫度使得TP347H的晶粒大大的細(xì)化。從而使該鋼室溫、高溫力學(xué)性能與TP347H基本相同，而持久強(qiáng)度比ASME規(guī)范的規(guī)定值高約20%，比常規(guī)的TP347H鋼管有更優(yōu)良的可焊性及焊接接頭的抗疲勞性，且抗晶間腐蝕性能明顯提高、組織穩(wěn)定性和抗氧化及剝離性能也得到顯著的改善，總之其綜合性能明顯優(yōu)于TP347H。

山西河曲發(fā)電廠2×350MW超臨界鍋爐高溫過熱器和高溫再熱器管屏廣泛選用TP347HFG鋼。

1 TP347HFG的焊接性分析

TP347HFG屬于典型的奧氏體不銹鋼，其有優(yōu)良的熔化焊接特性，焊接形成的接頭在不進(jìn)行任何熱處理的情況下具有良好的塑性和韌性，因此TP347HFG無冷裂傾向，焊前不需要預(yù)熱。但奧氏體鋼的熔點(diǎn)低、熱導(dǎo)系數(shù)小、受熱時(shí)膨漲系數(shù)大，焊接時(shí)在高溫熔池的影響下，容易在焊縫中形成粗大的鑄態(tài)組織，并產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形等，因而應(yīng)注意控制焊接熱輸入和層間溫度。如果焊材選擇或焊接工藝不合理，極易形成根部氧化、熱裂紋、高溫脆性裂紋等缺陷。

1.1 根部氧化

TP347HFG鋼Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于17%及合金總質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)30%以上，現(xiàn)場(chǎng)焊接施工時(shí)如果不對(duì)根部焊縫進(jìn)行較好的充氬保護(hù)，高溫的液態(tài)金屬與空氣中的氧氣接觸很容易使其中的合金元素?zé)龘p氧化，使焊縫根部產(chǎn)生過燒組織。

1.2 熱裂紋

熱裂紋根據(jù)形成的時(shí)機(jī)不同分為液化裂紋和結(jié)晶裂紋。焊接時(shí)的近縫區(qū)或多層間部位在焊接熱循環(huán)的作用下金屬重新熔化，在焊接熱應(yīng)力的拉伸作用下沿奧氏體晶界開裂時(shí)形成的裂紋，稱為液化裂紋。結(jié)晶裂紋是焊接時(shí)高溫熔池附近的熔融金屬在凝固結(jié)晶時(shí)，在收縮拉應(yīng)力的作用下，殘留在凝固晶粒間的液態(tài)薄膜發(fā)生開裂，而附近又沒有足夠的液態(tài)金屬對(duì)裂紋間隙進(jìn)行填充而形成的裂紋。

1.3 高溫脆性裂紋

高溫脆性裂紋是焊接時(shí)在高溫熔池的影響和熱應(yīng)力的作用下，在焊接熱影響區(qū)的過熱區(qū)，由于附近母材塑性不足，拉應(yīng)力超過了其彈性極限，而形成的裂紋。實(shí)踐證明嚴(yán)格控制焊材中的P含量，可避免高溫脆性裂紋產(chǎn)生。

2 TP347HFG鋼焊接焊材的選用

TP347HFG鋼焊接接頭易出現(xiàn)的熱裂紋、根部氧化等問題，除了焊接工藝的影響，另一因素是焊接材料的選擇。TP347HFG在供貨狀態(tài)下具有良好的塑性，但其中含有的用于提高高溫蠕變強(qiáng)度的沉淀強(qiáng)化元素，高溫運(yùn)行過程中會(huì)以（硬脆的碳、氮化物）σ相的形式彌散析出，在強(qiáng)化材料的同時(shí)，會(huì)明顯降低材料的塑性和韌性。因此應(yīng)正確選擇焊接材料防止焊縫金屬發(fā)生σ相脆化［1］。鎳基焊接材料ERNiCr-3化學(xué)成分中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了TP347HFG中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，焊縫金屬中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高可有效控制σ相析出沉淀。因此，選擇ERNiCr-3焊絲焊接TP347HFG鋼從理論上說是可行的。

3 TP347HFG采用鎳基焊絲ERNiCr-3和匹配焊絲ER347焊接時(shí)的焊接工藝

根據(jù)TP347HFG鋼的焊接特性，專門制定了TP347HFG的焊接工藝，焊接方法選擇手工氬弧焊GTAW,背面充氬保護(hù)，并采用搖擺焊，焊縫紋理美觀，氬氣擺動(dòng)對(duì)于冷卻焊縫，控制層間溫度比較有利。下面為TP347HFG鋼采用焊絲ERNiCr-3和ER347焊接的工藝要點(diǎn)。

（1）管材：TP347HFG；規(guī)格：φ63.5×11.5（高過）/ φ76×6mm（高再）。

（2）焊材：ERNiCr-3/ER347；規(guī)格：D2.4mm。

（3）坡口打磨：采用ERNiCr-3焊接時(shí)，因?yàn)镋RNiCr-3中Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，因此與母材的化學(xué)成分差別較大，采用ERNiCr-3進(jìn)行根部第一層焊接時(shí)極易因?yàn)槿鄯蠼饘匍g的熔合問題而產(chǎn)生未熔合等焊接缺陷。因此焊前需使用拋光片打磨清除坡口處的氧化膜，清除完畢立即進(jìn)行焊接，在焊接中發(fā)現(xiàn)未熔合和根部氧化等缺陷要及時(shí)停止焊接并進(jìn)行清除。

（4）對(duì)口間隙控制：高過、高再管子組對(duì)焊接時(shí)，對(duì)口間隙應(yīng)控制在2.7～3.1mm。作用如下：首先TP347HFG鋼焊縫熔池中熔融的鐵水粘度較大，如采用從外側(cè)填絲的單面焊雙面成型法，不能保證根部焊縫的成型，焊接時(shí)容易出現(xiàn)根部焊縫及坡口未熔合等缺陷，因此焊接第一層時(shí)應(yīng)采用內(nèi)加焊絲法（如圖1）；其次，如果管子對(duì)口間隙超過3.1mm，易造成焊縫局部熱輸入過高產(chǎn)生“燒枯”現(xiàn)象，易出現(xiàn)仰焊位置根部內(nèi)凹、平焊位置焊瘤等缺陷。

圖1 對(duì)口間隙及內(nèi)加絲示意圖

（5）管子內(nèi)部充氬保護(hù)：TP347HFG鋼焊接時(shí)焊縫金屬中的Cr及其他合金元素極易與空氣接觸發(fā)生氧化，因此需采用自管子進(jìn)口側(cè)向出口側(cè)持續(xù)充氬的方式（如圖2），現(xiàn)場(chǎng)采取的具體措施為：組合場(chǎng)地面組合管排在其管子出口處用端蓋封住，高空的安裝焊口采取出口處內(nèi)部塞水溶紙，然后由管子進(jìn)口側(cè)沖入氬氣，充入的氬氣首先排空管子內(nèi)的空氣，并在坡口處用打火機(jī)驗(yàn)證管子內(nèi)部的空氣是否排完，然后再進(jìn)行打底焊接，整個(gè)焊接過程要持續(xù)充氬直至該焊口焊接結(jié)束，以防止第一次焊縫根部氧化和過燒。

圖2 從管子一側(cè)沖氬方式示意圖

（6）焊接工藝參數(shù)：a.采用鎳基焊絲ERNiCr-3焊接時(shí)。焊接電流：（打底：75～90A；填充、蓋面75～86A）；焊接電壓：9～12V；焊接速度：66～77mm/min；氬氣流量：8～13L/min。b.采用焊絲ER347焊接時(shí)。焊接電流：（打底：70～85A；填充、蓋面70～80A）；焊接電壓：9～11V；焊速：65～75mm/min；氬氣流量：8～12L/min。

（7）層間溫度控制：焊接過程應(yīng)采用小電流、薄焊層、間斷焊、盡量減少熱輸入，用遠(yuǎn)紅外線測(cè)溫儀控制層間溫度在150℃以下，以提高熔池鐵水流動(dòng)性和焊接的易操作性，防止熱裂紋等缺陷的發(fā)生。

焊接時(shí)為防止層間溫度超溫，每一只焊口焊完后不允許連續(xù)焊接第二層，應(yīng)焊接另外相鄰焊口，待該焊口測(cè)定層間溫度小于150℃后，方可重新進(jìn)行焊接。必要時(shí)可采取輔助降溫措施冷卻焊縫，增加熔敷金屬轉(zhuǎn)變速度，防止合金元素高溫區(qū)氧化。

（8）由于不銹鋼的熱導(dǎo)系數(shù)較低極易產(chǎn)生局部過熱變形，需要?dú)寤『复虻浊暗狞c(diǎn)固間隙設(shè)置和焊接過程動(dòng)態(tài)調(diào)整控制以避免管子產(chǎn)生變形或彎折。

4 結(jié)語

對(duì)TP347HFG鋼分別選用ERNiCr-3/ER347兩種焊材形成的焊接試件委托電力研究院進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用鎳基焊接材料ERNiCr-3得到的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度與采用匹配焊接材料ER347得到的焊接接頭的強(qiáng)度值相差無幾，屈服強(qiáng)度比匹配焊材還要稍高，拉伸試樣的斷裂處均在焊縫一側(cè)的母材上，并且沖擊試驗(yàn)得出的沖擊功值也符合技術(shù)要求。因此認(rèn)為采用ERNiCr-3和ER347焊材焊制的TP347HFG管道對(duì)接接頭室溫下的綜合力學(xué)性能均符合技術(shù)要求。

從工程現(xiàn)場(chǎng)高溫過熱器和再熱器焊口焊接完成到鍋爐機(jī)組點(diǎn)火啟動(dòng)前，焊接接頭經(jīng)過了長達(dá)將近4000h的常溫時(shí)效，并且自2015年9月該機(jī)組完成168試運(yùn)及商業(yè)投產(chǎn)發(fā)電以來，經(jīng)過了約5000h的高溫時(shí)效，該批焊接接頭的各項(xiàng)性能已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)受住了超臨界鍋爐高溫、高壓工況的考驗(yàn)，在機(jī)組的例行檢修時(shí)TP347HFG焊接接頭未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問題。目前機(jī)組在正常穩(wěn)定運(yùn)行中。

參考文獻(xiàn)：

［1］楊富,章應(yīng)霖,任永寧等.新型耐熱鋼焊接［M］.北京：中國電力出版社,2006.

［2］李亞江.特殊及難焊材料的焊接［M］.北京.化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

［3］DL/T869-2012,火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程［S］,北京：中國電力出版社,2012.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.031

作者簡介：殷智（1982-），男，山東鄆城人，碩士研究生，工程師，主要從事發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接施工及管理工作。