劉 輝

（1.中國(guó)電建集團(tuán)河北工程有限公司，河北 石家莊 050021；2.河北省大型電站機(jī)爐安裝技術(shù)創(chuàng)新中心（籌），河北 石家莊 050021）

新時(shí)期下，各行業(yè)對(duì)能源的需求越來越大，如何提高電站鍋爐的熱效率、減少煤耗已經(jīng)成為科學(xué)界重點(diǎn)關(guān)注的課題。從上世紀(jì)20年代開始，電站鍋爐便從以往的中壓、高壓與超高壓（14~15 MPa）發(fā)展到亞臨界（16~19 MPa）、超臨界（24~26 MPa）和超超臨界（＞27 MPa）鍋爐。主蒸汽的溫度也提高到566℃、593℃和625℃。相應(yīng)的，電站鍋爐的運(yùn)行參數(shù)也在不斷提高，鍋爐承壓部件的壁厚不斷增加，一方面提高了制造成本，另一方面也增加了焊接施工難度。以往在高壓、超高壓電站鍋爐中廣泛應(yīng)用的鋼材，因?yàn)楦邷匦阅芘c抗氧化性能較差，已經(jīng)逐漸被淘汰，取而代之的是整體性能更加優(yōu)秀的奧氏體不銹鋼與回火馬氏體鋼。

1 SA213-TP304鋼的焊接工藝

1.1 TP304鋼材的性能分析

TP304鋼的Cr含量約為19%，Ni含量約9%。常溫環(huán)境便可形成單一的奧氏體組織，在高溫環(huán)境下，具有出色的熱強(qiáng)性以及耐腐蝕性。尤其是加入Cr后，可進(jìn)一步增強(qiáng)TP304鋼的抗酸腐蝕能力。Cr-Ni奧氏體的形成，顯著提升了剛才的焊接性能，而且沒有淬硬性的傾向，所以即使在熱影響區(qū)使用，也不會(huì)出現(xiàn)淬硬組織。由于碳含量大幅度減少，晶間腐蝕概率也隨之降低，但焊接時(shí)仍會(huì)存在一些問題。

1.1.1 熱裂紋

奧氏體不銹鋼雖然導(dǎo)熱系數(shù)較小，但熱膨脹系數(shù)大。在局部加熱、冷卻的焊接過程中，接頭在冷卻期間可能會(huì)出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，而且焊縫中存在方向性較強(qiáng)的柱狀晶組織會(huì)加快有害雜質(zhì)的偏析速度，從而形成晶間液態(tài)夾層，主要以FeS、NiP、NiS和FeP等低熔點(diǎn)的物質(zhì)為主，最終形成熱裂紋。熱裂紋通常出現(xiàn)在正在焊接中的焊道與前一道焊道，焊接完并不會(huì)馬上開裂，但在第二次熱循環(huán)后就會(huì)出現(xiàn)熱裂紋。

金屬間化合物的脆性相會(huì)提高鋼材的脆性，奧氏體不銹鋼焊縫中不僅存在一些碳化物，如果在650~850℃的環(huán)境中停留太長(zhǎng)時(shí)間，還會(huì)出現(xiàn)含有Fe、Cr、Ni-σ相的無磁性金屬間化合物，其與溫度、時(shí)間均有關(guān)聯(lián)，尤其容易出現(xiàn)在焊后再加熱的過程中，在650~850℃的高溫下加熱，這種金屬間化合物的沖擊韌性會(huì)顯著下降。所以應(yīng)該盡量避免焊接后再次加熱，否則會(huì)讓晶間失去聯(lián)系，降低焊接部位的塑性與韌性，導(dǎo)致鋼材脆化，而且還會(huì)影響抗晶間的腐蝕能力。

1.1.2 晶間腐蝕

在450~850℃范圍內(nèi)，如果焊縫的停留時(shí)間太長(zhǎng)，或者在焊接熱循環(huán)過程中，加熱到500~850℃的熱影響區(qū)，鋼材中的碳與鉻會(huì)發(fā)生反應(yīng)，形成碳化鉻（CrC），Cr源自晶粒表面，會(huì)讓晶粒邊界的奧氏體局部缺少Cr，導(dǎo)致其抗腐蝕性能下降。晶粒受到腐蝕介質(zhì)的作用，邊界會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。腐蝕后，晶粒的外觀并沒有完全喪失金屬光澤，但晶粒之間卻已經(jīng)失去聯(lián)系，敲擊后發(fā)現(xiàn)沒有金屬音質(zhì)，鋼質(zhì)變脆，鋼材的強(qiáng)度下降。晶間腐蝕的敏感溫度是650℃，在此溫度下，焊縫或者熱影響區(qū)只需要短短數(shù)十秒就會(huì)出現(xiàn)晶間腐蝕。

1.1.3 根部氧化

使用氣體保護(hù)焊的過程中，如果沒有對(duì)焊縫根部采取隔離空氣措施，表面就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象，并產(chǎn)生黑色的渣狀氧化物，導(dǎo)致焊縫的抗腐蝕性能嚴(yán)重下降。

1.2 TP304鋼材的焊接工藝

鑒于TP304鋼材的性能，在焊接鍋爐再熱器小徑管時(shí)，應(yīng)用線能量相對(duì)集中的手工鎢極氫弧焊工藝進(jìn)行打底、填充以及蓋面，該工藝能夠充分?jǐn)_亂柱狀晶體方向以及雜質(zhì)匯集，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的內(nèi)應(yīng)力以及偏析，有助于減輕晶間腐蝕，減少熱裂紋的出現(xiàn)。選擇低碳不銹鋼焊絲ER308H作為焊接材料，這種材料中的S、P含量較少。焊接工藝要求如下：

（1）材料和一般結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)該分開存儲(chǔ)、運(yùn)輸，以免鋼材被鐵銹污染。

（2）焊接之前，使用不銹鋼專用的砂輪片或者鋼絲刷將焊件表面打磨干凈，刷掉油漆、雜質(zhì)和污垢等。組裝焊件之前，先清理干凈焊口表面和兩側(cè)10 mm區(qū)域內(nèi)母材內(nèi)壁與外壁的污漬，使其完全呈現(xiàn)金屬光澤。禁止鋼件表面暴露于火焰焊接處，否則鋼件會(huì)被碳污染，損害耐腐蝕性能。

（3）氬弧焊的焊接場(chǎng)所應(yīng)充分做好防風(fēng)、防雨及防雪措施，加強(qiáng)對(duì)氫氣的保護(hù)。

（4）手工鎢極氫弧焊打底過程中，焊縫的背面應(yīng)做好充氬保護(hù)，保證背面能夠正常成形，以免合金元素出現(xiàn)氧化和燒損。充氬保護(hù)過程中，在氬氣皮管的輸出接頭上焊接d（1.0~3.0）mm的碳鋼管或細(xì)銅管，并把較細(xì)的金屬管經(jīng)過焊口的對(duì)口間隙置入管中，然后開啟氬氣開關(guān)，對(duì)焊縫的根部采取充氫保護(hù)。

（5）焊接之前不需要預(yù)熱。

（6）TP304鋼材的焊接收縮變形較大，因此要設(shè)置夾緊裝置，做好定位焊。

（7）使用較小的線能量進(jìn)行快速焊接，在條件不變的情況下，與普通碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼相比，焊接電流要小10%~20%，通常為80~100 A，所以應(yīng)盡可能采用短弧焊焊接工藝。

（8）焊接速度控制在80~120 mm/min，打底焊時(shí)，略加快速度；蓋面焊時(shí)，略減慢速度?？刂茪鍤饬髁?~10 L/min。

（9）焊接時(shí)，控制層間溫度不超過150℃，焊后立刻澆冷水進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，以控制層間溫度以及焊后溫度，在450~850℃的溫度區(qū)間內(nèi)，應(yīng)盡量縮短停留時(shí)間。

（10）焊接后不需要采用熱處理。

（11）錯(cuò)開焊接的接頭處。

（12）禁止亂打弧現(xiàn)象，防止飛濺以及工件坡口出現(xiàn)電弧擦傷母材的痕跡。

（13）保持焊縫表面的光潔度，增強(qiáng)焊接接頭的抗腐蝕能力。用砂輪打磨焊縫表面的殘?jiān)?，用石英砂紙磨刷焊縫的顏色。

2 SA213T91鋼的焊接工藝

2.1 T91鋼材的性能分析

上世紀(jì)70年代，美國(guó)最先研制出T91鋼。如今，T91鋼在我國(guó)大機(jī)組鍋爐中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。T91鋼的化學(xué)成分是經(jīng)過調(diào)整的，具有優(yōu)越的高溫性能。T91鋼中加入了一些強(qiáng)碳化物元素，比如Cr、V和Mo等，焊接過程中，在高溫空冷的情況下，很容易產(chǎn)生淬硬馬氏體組織。T91鋼的焊接性比傳統(tǒng)的鐵素體鋼有了顯著改善，并且塑性和韌性良好。所以，盡管T91鋼也含有容易產(chǎn)生再熱裂紋的沉淀強(qiáng)化元素，但由于C、S、P含量較低，因此對(duì)再熱裂紋的敏感性不高。T91鋼是一種空冷馬氏體鋼，并不具備優(yōu)秀的焊接性，焊接過程中很容易出現(xiàn)冷裂紋，而且熱循環(huán)會(huì)降低焊縫的韌性。

2.2 T91鋼材的焊接工藝

2.2.1 雙層TIG打底焊

TIG如果只打底一層，很容易因焊層太薄而被擊穿，降低根層焊縫的質(zhì)量。此外，TIG焊第二層時(shí)，會(huì)一定程度地降低第一層背面焊縫的氧化，因此應(yīng)該一邊打底一邊解開充氬保護(hù)膠布，以免焊縫內(nèi)進(jìn)入空氣，降低打底質(zhì)量。

2.2.2 合理設(shè)置管內(nèi)保護(hù)氬氣的流量

T91鋼根層焊接的根部氧化問題比較嚴(yán)重，所以應(yīng)采取管內(nèi)充氬保護(hù)措施。首先調(diào)節(jié)氬氣的流量，大管徑以20~30 L/min的流量為宜，同時(shí)還要保證管內(nèi)氬氣可以流動(dòng)，提高氬氣純度。其次是要充分考慮焊接根部的第二層焊縫會(huì)影響第一層焊縫的高溫氧化，所以管內(nèi)的保護(hù)氣體應(yīng)該持續(xù)到第二層焊縫焊接結(jié)束為止。

2.2.3 多層多道焊

5月2日，“江山清暉——紀(jì)念譚建丞先生誕辰120周年譚建丞山水畫冊(cè)頁特展暨譚建丞藝術(shù)座談會(huì)”在湖州市博物館舉行。

能夠有效控制焊接線的能量，后層的焊道對(duì)前層焊道的熱處理能夠細(xì)化晶粒，提高焊接接頭性能。

2.2.4 雙人焊接

如果T91鋼的管徑較大，則焊接時(shí)需要兩人相互配合。打底時(shí)，由一名工作人員負(fù)責(zé)焊接，另一名從旁監(jiān)測(cè)打底焊情況。母材與焊材中含有的合金元素較多，影響液態(tài)金屬的流動(dòng)性，因此焊接時(shí)需要做好以下幾點(diǎn)：

（1）嚴(yán)格按照說明書的要求，焊條需要在300~350℃溫度下放置2 h，然后烘干。保證焊條充分干燥。如果烘干不徹底，則會(huì)更容易出現(xiàn)焊接缺陷。

（2）液態(tài)金屬的流動(dòng)性不佳，安裝對(duì)口時(shí)，應(yīng)該增加3~4 mm的對(duì)口間隙。

（3）焊條的引弧電流太小，容易粘上焊條，反之，則可能導(dǎo)致熔池不清，很容易在坡口邊緣出現(xiàn)夾渣缺陷。所以，應(yīng)該合理調(diào)節(jié)焊接電流，提高焊接質(zhì)量。

（4）針對(duì)冷裂紋問題，焊接時(shí)要填滿弧坑，可通過逐漸減小電流的方式，或應(yīng)用斷弧疊加法來收弧。

（5）焊條焊渣的清理難度較大，應(yīng)該層間清理，尤其是接頭的位置需要用砂輪機(jī)打磨，以提高接頭質(zhì)量。

（6）每層焊條的厚度應(yīng)該與焊條的直徑一致，焊道的寬度最好比焊條直徑大2倍，最寬不能超過4倍。

3 SA335P91鋼的焊接工藝

以某電廠施工為例，導(dǎo)汽管材料為P91鋼材，焊接與熱處理結(jié)束后，在超聲波檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，部分焊口存在超標(biāo)缺陷，焊口的回波能量與長(zhǎng)度不足，確認(rèn)為是點(diǎn)狀缺陷。返修打磨時(shí)，某些部位的缺陷沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，某些部位挖出小氣孔與夾渣，繼續(xù)打磨發(fā)現(xiàn)，氣孔與夾渣中貫穿了5~10 mm長(zhǎng)的細(xì)小裂紋。一部分靠近根部的缺陷所引起的裂紋已經(jīng)穿透了焊縫的根部，經(jīng)過打磨后，無法在第一時(shí)間用肉眼發(fā)現(xiàn)，而是放置一段時(shí)間，在著色檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)缺陷。形成弧坑裂紋的原因有（1）內(nèi)因：P91鋼材的淬硬傾向較大。（2）主因：焊條的工藝性能較差。（3）外因：焊接過程中線能量較大，弧坑較深，成形不理想，更換焊條的間隔時(shí)間太長(zhǎng)，收弧區(qū)的冷卻速度太快。

經(jīng)過綜合考量，決定重新優(yōu)化焊接材料以及焊接工藝：

（1）P91鋼材包含了各種牌號(hào)的焊接材料，不同焊材有不同的工藝性能。經(jīng)焊接工藝評(píng)定實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)自德國(guó)蒂森公司的CHROMO9V焊條以及MTS-3焊絲，無論是焊接的操作工藝性能，還是焊接接頭的沖擊韌性都非常出色。因此，應(yīng)選擇S、P熱裂紋敏感元素較低、操作性能好、ω（Mn）/ω（S）比值較大的焊材來焊接P91鋼。

（2）將坡口溫度作為預(yù)熱溫度標(biāo)準(zhǔn)，電阻加熱過程中，如果在加熱片正中設(shè)置熱電偶，那么測(cè)量的溫度和坡口位置的實(shí)際溫度會(huì)相差50~80℃，因此應(yīng)該在靠近坡口邊緣的一側(cè)設(shè)置熱電偶，將溫度控制在250℃左右。如果溫度太高，焊接過程中，中間層可能會(huì)超溫；反之，坡口的實(shí)際溫度可能會(huì)在200℃以下，更容易形成裂紋。

（3）不可單純地通過減小焊接電流的方式來降低焊接線能量，P91鋼材中的焊材合金含量較大，熔池鐵水的粘度大，如果電流太小很容易形成夾渣和未熔合現(xiàn)象。所以需要在較大電流的基礎(chǔ)上配合快速移動(dòng)，以提高焊接質(zhì)量，保證焊接線能量。運(yùn)條收弧時(shí)，需要引到坡口一側(cè)，可防止出現(xiàn)大弧坑，也能避免焊縫熔池金屬因收縮而形成弧坑裂紋。

4 結(jié)束語

綜上所述，發(fā)電機(jī)組的容量越大，對(duì)耐熱鋼的要求就越高。因此，應(yīng)選擇具有良好耐熱性能的鋼材，并采用科學(xué)的焊接工藝，以保證電站運(yùn)行的安全性與可靠性。