中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力建設(shè)二公司（朔州 036011）范如杞 楊 慧 楊翠林

1.概述

在山西平朔發(fā)電有限責(zé)任公司2×300MW二期擴(kuò)建工程中，主蒸汽管道堵閥焊口材質(zhì)為SA335P91/10CrMo910，即M+P類(lèi)異種鋼接頭，于2008年7月24日焊接完畢。本部件焊口采用本文所述的工藝方法焊接完畢后，外觀工藝優(yōu)良，無(wú)損檢驗(yàn)一次合格率100%，經(jīng)水壓試驗(yàn)，焊口無(wú)泄漏。

2.異種鋼的焊接性分析

（1）SA335P91鋼與10CrMo910鋼簡(jiǎn)介 SA335P91鋼屬于馬氏體耐熱鋼（M），該鋼具有較高的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度、低的熱膨脹性、良好的導(dǎo)熱性、較好的加工性和抗氧化性能，SA335P91鋼合金元素高、碳當(dāng)量高，因此該鋼材焊接時(shí)有強(qiáng)烈的淬硬傾向，冷裂紋敏感性強(qiáng)。加之SA335P91鋼用于大直徑、厚壁管，結(jié)構(gòu)剛性大，拘束應(yīng)力大，焊后冷卻過(guò)程接頭處組織應(yīng)力大也增加了冷裂傾向；10CrMo910作為珠光體耐熱鋼（P），其淬硬及冷裂傾向性較小，焊接性相對(duì)較好。

（2）SA335P91與10CrMo910異種鋼的焊接性 由于SA335P91鋼和10CrMo910鋼的化學(xué)成分及熱性能差異較大，使碳和合金元素的相互擴(kuò)散極不均勻，從而導(dǎo)致了組織和性能的極不均勻，熔合區(qū)作為焊縫和母材的過(guò)渡地帶，也易在熔合線附近產(chǎn)生焊接缺陷。因此，SA335P91/10CrMo910異種鋼的焊接比同種鋼的焊接難度要大，要復(fù)雜的多，對(duì)焊工的操作要求也比較嚴(yán)格，必須采取合適的焊接工藝措施，以確保此類(lèi)異種鋼焊接的質(zhì)量。

3.焊接材料及焊接機(jī)具的選擇

（1）采用ZX7—400STG型逆變弧焊機(jī)，焊機(jī)電流大小穩(wěn)定，并能連續(xù)可調(diào)；熱處理機(jī)型號(hào)為HLJW—C—360kW型；設(shè)備上附帶的儀表及氬氣表須在校驗(yàn)有效期內(nèi)。

（2）氬弧焊用的鎢極、氬氣質(zhì)量應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（或有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)），鈰鎢極φ2.5mm，在使用前應(yīng)將端部磨成圓錐形，氬氣的純度應(yīng)＞99.95%。

（3）選用上海電力修造廠生產(chǎn)的TIG—R40焊絲和R407焊條，規(guī)格為φ2.5mm、φ3.2mm；焊材須有廠家提供的質(zhì)量合格證；焊材應(yīng)存放在干燥、通風(fēng)良好、溫度＞5℃且相對(duì)空氣濕度＜60%的庫(kù)房?jī)?nèi)；焊絲在使用前應(yīng)將其表面的水分、鐵銹、油污等清理干凈，并露出金屬光澤；焊條使用前應(yīng)按其說(shuō)明書(shū)要求進(jìn)行烘焙，重復(fù)烘焙不得超過(guò)兩次；烘焙后的焊條使用時(shí)，應(yīng)裝入溫度保持在80～110℃的專用保溫筒內(nèi)，保溫筒應(yīng)插上電源，隨用隨取。

（4）焊工應(yīng)配備扁鏟、榔頭、保溫筒、焊條筒、小手電及專用不銹鋼鋼絲刷等工器具，還應(yīng)配備電磨頭、小銼刀等。

（5）氬氣表應(yīng)選用氣壓穩(wěn)定、調(diào)節(jié)靈活的表計(jì)；輸送氬氣管應(yīng)質(zhì)地柔軟、耐磨且無(wú)漏氣現(xiàn)象。

4.施工工藝流程及操作要點(diǎn)

（1）施工工藝流程 施工準(zhǔn)備→焊前預(yù)熱→充氬→點(diǎn)焊及氬弧焊打底→焊條電弧焊填充蓋面→焊后熱處理。

（2）操作要點(diǎn) 焊口組對(duì)要求：焊口組對(duì)時(shí)，應(yīng)對(duì)坡口及其內(nèi)外壁附近15mm范圍內(nèi)進(jìn)行清理和打磨，無(wú)油漆、水分、油脂及鐵銹，并露出金屬光澤；坡口及附近不能有裂紋等缺陷（可用放大鏡檢查），施焊前還應(yīng)檢查坡口形狀、尺寸及清潔度；對(duì)焊管口端面應(yīng)與管子中心線垂直，其偏斜度不超過(guò)DL/T869—2004的規(guī)定要求；焊件組裝時(shí)，一般應(yīng)做到內(nèi)壁齊平，如有錯(cuò)口，其錯(cuò)口值≤1mm；焊口局部間隙過(guò)大時(shí)，應(yīng)設(shè)法修整到規(guī)定尺寸，嚴(yán)禁在間隙內(nèi)加填塞物，可采用堆焊的方法修補(bǔ)坡口；焊接組裝時(shí)，應(yīng)將待焊工件墊置牢固，以防止在焊接過(guò)程中產(chǎn)生變形和附加應(yīng)力。

充氬：為防止焊縫根部氧化，焊前應(yīng)在管內(nèi)充氬保護(hù)。充氬時(shí)用可溶紙折疊成圓錐狀，圓錐底面直徑應(yīng)比鋼管內(nèi)徑大10mm左右，以坡口軸向中心為基礎(chǔ)，每側(cè)300～400mm的位置。為確保充氬質(zhì)量，可溶紙應(yīng)加裝兩層，并用漿糊粘住，做成密封氣室。然后將扁管插入焊縫內(nèi)，充氬流量為20～30L/min，整個(gè)焊縫可用膠條或保溫條堵嚴(yán)，焊一段撥開(kāi)一段。向內(nèi)充氬時(shí)，應(yīng)在感覺(jué)氬氣從焊縫間隙輕微返出時(shí)，方可焊接（見(jiàn)圖1）。也可用打火機(jī)測(cè)試氬氣是否充滿。

圖1 坡口充氬

（3）點(diǎn)焊及氬弧焊打底 嚴(yán)禁在被焊工件表面引燃電弧、試驗(yàn)電流或隨意焊接臨時(shí)支撐物，高合金材料表面不得焊接對(duì)口用夾具。

進(jìn)行點(diǎn)焊時(shí)新用的焊接材料、焊接工藝應(yīng)同正式施焊時(shí)相同，點(diǎn)焊必須由焊工本人進(jìn)行，嚴(yán)禁非專業(yè)人員代替。定位焊縫應(yīng)以15～20mm為宜，厚度≤3mm，定位焊數(shù)量≥4點(diǎn)。定位焊完畢后一定要檢查有無(wú)錯(cuò)口，對(duì)口間隙是否合適，定位焊縫有無(wú)缺陷，如有必須將缺陷磨掉重新定位。點(diǎn)焊完畢，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行打底焊，打底焊接時(shí)不允許采用將缺陷部位重新熔化的方法來(lái)消除缺陷，打底時(shí)送絲一定要均勻，不能靠送絲的力量來(lái)突出根部，避免造成根部焊絲未熔夾絲。

氬弧焊打底時(shí)焊前預(yù)熱溫度為180～200℃，而焊條電弧焊時(shí)預(yù)熱溫度為200～300℃，這樣當(dāng)由氬弧焊轉(zhuǎn)為焊條電弧焊時(shí)，中間必須進(jìn)行再次升溫。SA335P91鋼是一種高合金鋼，其異質(zhì)接頭焊接時(shí)背面也必須進(jìn)行充氬保護(hù)，考慮到打底及次層焊接時(shí)均可能造成背面氧化，均需要進(jìn)行充氬保護(hù)；做一層氬弧焊打底時(shí)，焊縫強(qiáng)度不夠，在外力作用下容易產(chǎn)生裂紋?；谏鲜鰞煞N因素的考慮，選擇了雙打底工藝，這樣既確保了充氬的連續(xù)性，也保證了焊縫的強(qiáng)度。

管子焊接時(shí)管內(nèi)不得有穿堂風(fēng)，氬弧焊打底的焊層厚度≥3mm。采用氬弧焊打底的根層焊縫檢查合格后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行次層焊縫的焊接，以防止產(chǎn)生裂紋。氬弧焊打底的焊接參數(shù)如表1所示。

表1 氬弧焊焊接參數(shù)

層間溫度控制在200～300℃。為確保焊接過(guò)程中的層間溫度，尤其是防止冬季施工焊口溫度下降太快，應(yīng)利用遠(yuǎn)紅外加熱器進(jìn)行全程溫度控制，在焊口兩邊包好履帶加熱器，以便及時(shí)升溫。采用兩根K型熱電偶作為溫度控制元件來(lái)監(jiān)控測(cè)溫。熱電偶應(yīng)在橫焊口對(duì)稱布置，吊焊口為上下布置。用鉛絲緊固于坡口管材表面距坡口25mm處，每支熱電偶采用1路控溫加熱線路，熱電偶布置如圖2所示。另外由質(zhì)檢員手持紅外線測(cè)溫槍對(duì)每層的層間溫度進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)溫度超出規(guī)定要求，及時(shí)通知焊工停止施焊，待層間溫度達(dá)到規(guī)定要求后再施焊。

圖2 熱電偶布置

（4）焊條電弧焊填充蓋面 打底完成后，將預(yù)熱溫度升至200～300℃，可以開(kāi)始焊條電弧焊。焊接過(guò)程中必須嚴(yán)格控制焊接熱輸入，要求焊接熱輸入值<30kJ/cm。這就要求操作中的焊層厚度、焊接速度、焊縫擺動(dòng)寬度均較為嚴(yán)格。焊接時(shí)，單層焊道厚度不能超過(guò)焊條直徑，焊道寬度不超過(guò)焊條直徑的4倍。具體焊接參數(shù)如表2所示。

表2 焊條電弧焊填充蓋面焊接參數(shù)

由于SA335P91材質(zhì)的鐵液流動(dòng)性差，容易產(chǎn)生夾渣、層間未熔合等缺陷，因此加強(qiáng)層間焊渣的清理至關(guān)重要。層間焊縫的清理應(yīng)采用機(jī)械打磨的方式，用角磨機(jī)或不銹鋼鋼絲刷徹底清理焊渣及飛濺，特別是焊縫接頭處和坡口邊緣處，層間焊縫清理干凈后方可進(jìn)行次層焊縫的焊接。

層間接頭應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi)，為便于層間接頭的熔合良好，可用砂輪機(jī)在焊縫接頭處打磨出斜坡，起弧和?；r(shí)均將電弧引在坡口內(nèi)壁上，收弧時(shí)減慢焊接速度，增加填絲，將弧坑填滿。

5.焊后熱處理及焊后檢測(cè)

（1）異種鋼焊接過(guò)程溫度曲線 如圖3所示。

圖3 SA335P91/10CrMo910異種鋼焊接過(guò)程溫度曲線

（2）焊后熱處理 熱處理溫度：720～750℃；熱處理恒溫時(shí)間：≥4h；升降溫速度：6250/δ且≤150℃；焊后溫度冷卻至100～120℃時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行至少1h的恒溫處理，以確保馬氏體轉(zhuǎn)變完成，降溫過(guò)程中，溫度在300℃以下可不再控制。

（3）加熱寬度 從焊縫中心算起，每側(cè)不小于管子壁厚的3倍，且≥60mm。

（4）加熱方法 應(yīng)力求管道內(nèi)外壁和焊縫兩側(cè)溫度均勻，恒溫時(shí)在加熱范圍內(nèi)任意兩側(cè)點(diǎn)間的溫度差應(yīng)＜50℃。

（5）保溫寬度 熱處理時(shí)的保溫寬度從焊縫中心算起，每側(cè)不得小于管子壁厚的5倍，且每側(cè)應(yīng)比加熱器的安裝寬度增加≥100mm。

（6）焊后檢測(cè) 焊后焊接接頭無(wú)損檢測(cè)一次合格率為100%。焊接接頭熱處理完畢做100%硬度測(cè)定，焊縫硬度平均值為180～270HBW，硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)。做焊縫及兩側(cè)熱影響區(qū)的金相微觀測(cè)定：10CrMo910側(cè)熱影響區(qū)組織為粒狀貝氏體，焊縫區(qū)為柱狀晶分布的粒狀貝氏體，SA335P91側(cè)熱影響區(qū)組織為回火索氏體＋少量粒狀貝氏體，且組織性能良好，如圖4所示。

圖4

6.結(jié)語(yǔ)

對(duì)SA335P91/10CrMo910異種鋼的焊接，通過(guò)選用低匹配的焊條（焊絲），焊接預(yù)熱，在焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制層間溫度，選用合適的焊接工藝，焊接后高溫過(guò)熱器出口聯(lián)箱與主蒸汽管道連接過(guò)渡段焊縫外觀質(zhì)量?jī)?yōu)良，無(wú)損檢測(cè)、硬度檢驗(yàn)及焊縫的力學(xué)性能都符合要求，金相組織性能良好，取得了令人滿意的效果。