王沛（蘭州西固熱電有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730060）

火電廠TP347H與T91異種鋼現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝研究

王沛
（蘭州西固熱電有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730060）

根據(jù)火電廠現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)采用兩種不同的工藝，進(jìn)行TP347H與T91異種鋼焊接工藝試驗(yàn)，通過對(duì)試樣接頭的性能試驗(yàn)分析，總結(jié)出了采用預(yù)熱但不進(jìn)行焊后熱處理的全氬弧焊接工藝是TP347H與T91異種鋼現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)既經(jīng)濟(jì)又可靠的焊接工藝，對(duì)火電廠異種鋼現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

異種鋼；現(xiàn)場(chǎng)焊接；工藝研究

近幾年隨著火電機(jī)組參數(shù)的不斷提高，對(duì)所使用金屬材料的性能要求也越來越高，材料成分越來越復(fù)雜，在鍋爐受熱面金屬壁溫高于580℃的再熱器、過熱器等中，大多選用蠕變強(qiáng)度和抗氧化性能較好的奧氏體不銹鋼（如TP347H等）、馬氏體耐熱鋼（如T91等）等；并且已投入運(yùn)行的老機(jī)組為解決由于運(yùn)行超溫導(dǎo)致的受熱面管頻繁爆管問題，也開始逐步選用耐高溫、抗氧化性能好的馬氏體高強(qiáng)鋼（如T91等）和奧氏體不銹鋼（如TP347H等）替代低合金耐熱鋼；電站鍋爐奧氏不銹鋼TP347H與馬氏體耐熱鋼T91異種鋼焊接接頭數(shù)量越來越多，為了解決此類異種鋼焊接問題，我們結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，開展TP347H和T91異種鋼焊接工藝試驗(yàn)工作。通過對(duì)TP347H與T91異種鋼焊接接頭進(jìn)行可焊性分析，確定焊接方法和焊接材料，研究不同焊接工藝下接頭性能，制定出安全、經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝。

1　母材性能及焊接性分析

1.1TP347H鋼母材性能及焊接性分析

TP347H為奧氏體不銹鋼，具有較高的蠕變強(qiáng)度、抗蒸汽氧化、耐煙氣腐蝕性能，這種材料具有較好的可加工性，主要應(yīng)用于600℃以上的過熱器、再熱器等受熱面管。TP347H鋼焊接時(shí)易產(chǎn)生熱裂紋，使用過程中有晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕傾向，其化學(xué)成分組成見表3。

T91屬于馬氏體耐熱鋼，組織結(jié)構(gòu)為回火馬氏體，它有很好的沖擊韌性和高且穩(wěn)定的持久塑性，有很好的抗氧化性和熱強(qiáng)性，具有較高的抗高溫腐蝕的性能，具有良好的工藝性能和物理性能。這種鋼具有較大的淬硬傾向，焊后空冷得到馬氏體組織，焊后極易產(chǎn)生冷裂紋。其化學(xué)成分組成見表3。

1.2TP347H和T91異種鋼焊接特點(diǎn)

TP347H和T91兩者焊接性存在較大差異。兩者其接頭化學(xué)成分、金屬組織和機(jī)械性能均相差較大，T91鋼的線膨脹系數(shù)為12.5×10/℃，TP347H鋼的線膨脹系數(shù)為18.9×10/℃，兩者相差較大，焊接時(shí)由于應(yīng)力和變形較大易造成開裂等缺陷。由于熔合線兩側(cè)合金元素含量不同，在焊接過程中，熔合區(qū)存在C的擴(kuò)散遷移，形成脫碳層和增碳層，奧氏體鋼側(cè)生成碳化鉻，使晶界貧鉻，在腐蝕介質(zhì)作用下產(chǎn)生晶間腐蝕，造成該區(qū)抗蠕變能力、持久強(qiáng)度和塑性等的下降，造成接頭的早期失效。因此選用合適的焊接材料與焊接工藝，對(duì)確保設(shè)備安全運(yùn)行至關(guān)重要。

1.3焊接方法及焊材的選取

T91的主要問題是接頭的冷裂紋和過熱脆化，焊接時(shí)需要采用小的焊接規(guī)范，并采取預(yù)熱措施；TP347H由于其導(dǎo)熱系數(shù)小而線膨脹系數(shù)大，焊接時(shí)易于產(chǎn)生較大的焊接變形，為此，焊接時(shí)應(yīng)快速焊，使線能量保持在較低水平，采取較小的焊接規(guī)范。T91和TP347H異種鋼接頭焊接工藝采取全氬弧焊接，焊接時(shí)管內(nèi)部要充氬進(jìn)行保護(hù)，防止焊縫背部氧化。

T91和TP347H焊接材料的選擇，應(yīng)該盡量避免焊縫熔合區(qū)產(chǎn)生脆性層，提高焊縫塑性和韌性；防止碳的遷移，減小擴(kuò)散層；線膨脹系數(shù)在兩母材之間并接近T91，減小異種鋼焊接接頭應(yīng)力，滿足接頭使用性能要求。鎳是一種能降低碳化物穩(wěn)定性的元素，并削弱碳化物形成元素對(duì)碳的結(jié)合能力，因而提高焊縫中鎳含量，是抑制熔合區(qū)碳遷移的最有效手段，所以焊接時(shí)選用焊絲INCONEL82。

2　TP347H與T91異種鋼焊接工藝試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)內(nèi)容

選用鎳基焊絲INCONEL82，在兩種不同焊接工藝條件下，TP347H與T91異種鋼進(jìn)行焊接試驗(yàn)。對(duì)焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能及金相試驗(yàn)，評(píng)定焊接接頭性能，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，制定一種安全經(jīng)濟(jì)的焊接工藝。

2.2焊接工藝

焊接第1種工藝包括焊前預(yù)熱和焊后熱處理。焊接第2種工藝包括焊前預(yù)熱和焊后不熱處理，如表1所示。

2.2.1評(píng)定條件

表1　焊接工藝編號(hào)

1）試件規(guī)格：Ф63×4mm。

2）坡口型式：V型（如圖1所示）。采用較大的坡口角度35°。

圖1　坡口形狀及尺寸

2.2.2焊接方法與材料

采用全氬弧焊接方法，絲牌號(hào)：INCONEL82，規(guī)格Φ2.0mm。

2.2.3焊前準(zhǔn)備

1）焊工應(yīng)具備T91和不銹鋼小管焊接培訓(xùn)考核合格的資格證書，并進(jìn)行焊前模擬練習(xí)，以掌握焊材、母材及焊機(jī)的性能。

2）焊前將坡口及附近內(nèi)外壁鋼材15～20mm打磨見金屬光澤。

3）對(duì)口及點(diǎn)固焊

（a）試件對(duì)口錯(cuò)邊量≤0.4mm，對(duì)口間隙見圖1所示。

（b）采用根部直接點(diǎn)焊固定。

（c）點(diǎn)固焊前氧乙炔火焰加熱點(diǎn)固焊區(qū)100～150mm，范圍100～150℃。

（d）施焊過程中嚴(yán)禁在非焊接部位母材上引弧，焊接臨時(shí)固定物。

2.2.4焊前預(yù)熱及層間溫度

1）用電腦控制加熱器進(jìn)行加熱，采用第2種工藝時(shí)可用火焰進(jìn)行預(yù)熱。

2）預(yù)熱升溫參數(shù)：速度150℃/h，預(yù)熱溫度100～150℃，焊接層間溫度200～300℃。

2.2.5焊接工藝參數(shù)

1）工藝參數(shù)見表2。

表2　焊接工藝參數(shù)

2）氬弧焊打底焊厚度2.5≤δws≤3.0；管內(nèi)充氬氣流量8～12（L/min）

3）采用兩層三道排列，單道焊道寬度小于所用焊材直徑的3倍，如圖2所示。

2.2.6焊后熱處理

1）第一種工藝采用遠(yuǎn)紅外履帶式加熱片（小管專用），設(shè)備能自動(dòng)記錄曲線。

對(duì)兩種工藝下完成的焊接接頭試樣進(jìn)行外觀檢查，檢查結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；進(jìn)行射線檢驗(yàn)（RT）和滲透檢驗(yàn)（PT），檢驗(yàn)結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

圖2　焊道（層）排列順序

2）第一種工藝焊接完成后進(jìn)行730～750℃×0.5h回火處理，加熱和冷卻速度≤150℃/h，300℃以下不再控制。

3　異種鋼接頭質(zhì)量檢驗(yàn)及性能試驗(yàn)

3.1母材和焊絲化學(xué)成分分析

按照標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)鍋爐管TP347H、T91及選用的INCONEL82焊絲進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果合格。鋼管化學(xué)成分見表3，焊絲化學(xué)成分見表4。

表3　T91和TP347H鋼化學(xué)成分

表4　焊絲的化學(xué)成分

3.2焊接接頭外觀檢查及無損檢測(cè)

根據(jù)承壓設(shè)備無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015

3.3焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)

1）按照GB/T228.1～2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，兩種焊接工藝下的試樣拉伸試驗(yàn) Re0.2為305MPa，Rm為620～633MPa，斷后伸長率44.5%～46.5%，均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2）按照GB/T2653～2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)裂紋，試驗(yàn)結(jié)果合格。

3）按照GB/T231.1～2009標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接接頭進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，T91側(cè)焊縫鄰近母材及熱影響區(qū)的硬度在190～210HB之間，TP347H側(cè)焊縫鄰近母材、焊縫及熱影響區(qū)的硬度在150～182HB之間，均滿足DL/T438-2009標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料的要求。

3.4焊接接頭金相檢驗(yàn)

焊接試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，在OLYMPUSGX51金相顯微鏡下觀察組織，金相組織無裂紋、無過燒組織、無淬硬性馬氏體組織，符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4　工藝試驗(yàn)結(jié)論

1）外觀檢查、射線檢驗(yàn)（RT）和滲透檢驗(yàn)（PT）無損探傷結(jié)果均合格；

2）不同工藝得到的異種鋼接頭的拉伸試樣均斷于TP347H側(cè)母材，拉伸強(qiáng)度較接近，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試驗(yàn)結(jié)果合格；

3）兩種焊接工藝的試樣彎曲試驗(yàn)結(jié)果合格；

4）不同工藝得到的焊接接頭焊縫鄰近母材、焊縫及熱影響區(qū)的硬度均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，檢驗(yàn)結(jié)果合格；

5）不同工藝得到的焊接接頭的金相組織均符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，檢驗(yàn)結(jié)果合格。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果可知，兩種焊接工藝均滿足要求，但采用預(yù)熱但不進(jìn)行焊后熱處理的焊接工藝，不但焊前預(yù)熱工序簡單，而且不包括焊后熱處理程序，省力省時(shí)，效率較高，符合機(jī)組檢修周期特點(diǎn)，比較適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際焊接作業(yè)要求，故此工藝為火電廠TP347H與T91異種鋼焊接作業(yè)理想的現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝。

［1］火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程DL/T869-2012.

［2］火力發(fā)電廠焊接工藝評(píng)定規(guī)程DL/T868-2004.

［3］承壓設(shè)備無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015.

［4］火力發(fā)電廠異種鋼焊接技術(shù)規(guī)程DL/T752-2010.

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