电站锅炉低压高温再热器异种钢吊挂管焊接工艺

宁亮亮

（哈尔滨华德学院，黑龙江 哈尔滨 150025）

0 引言

600 MW超临界机组锅炉受热面低压高温再热器多为水平布置，其受热面在炉膛内从上到下都需要采用吊挂管进行串联吊挂。根据管子内蒸汽温度和炉膛的烟气温度，吊挂管的管子材质为马氏体耐热钢SA-213T91，管子连接的夹块为06Cr25Ni20钢板焊接而成[1]。但由于吊挂管在焊接过程中容易产生气孔、未熔合和裂纹等焊接缺陷，会影响焊接产品的使用寿命，从而对电站锅炉的运行造成安全隐患[2]。近来有些火电厂由于此类异种钢接头失效而造成非计划停机。为此，在焊接生产前，针对马氏体耐热钢与奥氏体不锈钢焊接的异种钢焊接性[3]，根据NB／T 47014—2011标准中对承压设备焊接工艺的评定，制定了合理的焊接工艺，选取了合理的参数，从而确保低压高温再热器接头的焊接质量。

1 SA-213T91钢和06Cr25Ni20钢成分及焊接性介绍

1.1 SA-213T91钢成分及焊接性

SA-213T91抗拉强度大于等于585 MPa，布氏硬度小于等于250 HB。其对应GB 5310—2017规定的10Cr9Mo1VNb钢号，它是在9Cr1Mo钢基础上添加了0.06%～0.10%Nb和0.18%～0.25%V等合金元素，具有高的抗氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀性能，广泛应用于电站锅炉高温再热器小口径钢管。工作压力一般在9.8 MPa以上，工作温度在450～650℃之间。SA-213T91钢成分如表1所示。

SA-213T91钢中各合金元素分别起到固溶强化、弥散强化，提高钢的抗氧化、抗腐蚀性能的作用。SA-213T91钢中含微量N，还含有少量Al，N能与其形成AlN。AlN在1 100℃以上溶入基体，在较低温度下又重新析出，能起到较好的弥散强化效果。加入Cr主要是提高耐热钢的抗氧化和抗腐蚀性能，含Cr量小于5%时，600℃开始剧烈氧化。SA-213T91钢含Cr量提高到9%左右，使用温度能达到650℃，其目的主要是使基体中溶有更多的Cr。V与Nb都是强碳化物形成元素，加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物，有很强的弥散强化效果。加入Mo主要是为了提高钢的热强性，起到固溶强化的作用。

表1 SA-213T91钢化学成分 （%）

1）SA-213T91钢的淬硬和冷裂倾向大。粗大的马氏体组织脆而硬，接头又处在复杂应力状态下。同时，焊缝冷却过程中氢由焊缝向近缝区扩散，氢的存在促使了马氏体脆化，其综合作用的结果，很容易在淬硬区产生冷裂纹。

2）应力腐蚀裂纹。SA-213T91钢在焊后热处理之前，冷却温度一般不低于100℃，如果在室温下冷却，而环境又比较潮湿时，容易出现应力腐蚀裂纹。

1.2 06Cr25Ni20钢成分及焊接性

06Cr25Ni20抗拉强度大于等于520 MPa，布氏硬度小于等于187 HB。其数据来源于标准 GB/T 3280—2007，其化学成分如表2所示。

表2 06Cr25Ni20钢化学成分 （%）

06Cr25Ni20钢合金元素含量较高，属于高合金耐热不锈钢系列，是奥氏体CrNi不锈钢，具有好的抗氧化性和耐腐蚀性。因为Cr和Ni含量较高，使其拥有良好的蠕变强度，在高温下能持续作业，具有良好的耐高温性。焊接过程中出现的问题主要是焊接热裂纹、脆化、晶间腐蚀、应力腐蚀和表面氧化等现象。

1.3 异种钢焊接性分析

异种钢SA-213T91与06Cr25Ni20焊接时，由于两者成分、金相组织存在差异，不论选择与哪一侧成分相近的焊接材料，均会在非奥氏体钢熔合线附近形成较宽的脆化过渡层 （多为马氏体组织 ），也就是在SA-213T91侧熔合区附近容易产生脆化过渡层，而焊接接头06Cr25Ni20侧熔合区为单一的奥氏体组织。脆化过渡层严重影响焊接接头的抗裂性能。为此，选用镍基合金焊材大大提高了奥氏体形成元素镍的含量，可显著减小脆化过渡层的宽度，改善焊接接头的抗裂性能。

2 SA-213T91钢和06Cr25Ni20钢焊接工艺

2.1 焊接设备及材料

2.1.1 焊接设备

采用ZX7-400手工直流弧焊机、氧乙炔气焊热处理设备、缝隙炉、吊挂管焊接胎具等。

2.1.2 焊接材料

按吊挂管取样做成焊接试板，经NB／T 47014—2011焊接工艺评定后，选择型号为ENiCrFe－2的镍基焊条进行焊接。ENiCrFe－2对应的牌号为Ni307－2，该焊条是低氢钠型药皮的Ni70Cr15型耐热合金电焊条。由于焊缝中有一定的Mo、Nb等合金元素，所以焊缝具有良好的抗裂性能，焊缝抗拉强度大于等于550 MPa，特别适用于异种金属的焊接。焊条使用前烘干温度为300～350℃，烘干时间为1 h。放入保温桶内随取随用。ENiCrFe－2焊条焊后熔敷金属成分如表3所示。

表3 ENiCrFe-2熔敷金属的化学成分 （%）

2.2 焊接工艺

2.2.1 与ASME标准不符的原因和实施效果

在低压高温再热器部件吊挂管的焊接生产中，国内电站锅炉企业普遍采用手工钨极氩弧焊进行打底层焊接，焊丝选用ASME标准焊接工艺规程中规定的AWS ER90S-B9焊丝，盖面层的焊接采用焊条电弧焊，焊条选用直径D为3.2 mm的AWS E9015-B9焊条。焊前预热温度为200～250℃，严格控制层间温度200～300℃，焊后进行后热和热处理。

本文采用的焊接工艺与ASME标准不符的地方在于采用焊条电弧焊进行施焊，工艺方法不同、焊材不同。选择的原因如下：

1）车间生产线上手工氩弧焊班组和焊条电弧焊班组跨距远，在吊挂管进行焊接时，中途需要吊车工吊运，因此难以控制工件的焊接接头发生变形。加上东北冬季特别寒冷，吊运时难以保证层间温度，甚至需要二次加热和吊挂管的热矫正。

2）ASME焊接工艺规程中规定的AWS ER90SB9焊丝和AWS E9015-B9焊条，主要是从日本神钢焊条厂空运，焊材价格昂贵，同时高纯氩气的成本很高。国有企业在保证焊接质量的前提下完全可以采用国产焊材，节约成本。

3）采用ENiCrFe-2镍基焊条进行焊接，能显著减小脆化过渡层的宽度，焊缝抗裂性能提高，而且韧性好，焊缝硬度低于290 HB。采用AWS E9015-B9焊接，由于焊接热输入过大、进口焊材成分的不确定性等因素经常使焊缝硬度高于300 HB，出现脆硬组织而引起爆管。

实施效果：按照NB/T 47014—2011国家焊接工艺评定标准规定，制订了吊挂管采用ENiCrFe-2镍基焊条进行焊接的焊接工艺规程，焊后经过无损检验、力学性能试验和水压试验等均达到了ASME标准规定，同时满足产品的使用要求。焊接工艺参数如表4所示。

表4 焊接工艺参数

2.2.2 焊接操作

1）焊前准备。对SA-213T91管进行清理，除去油污等杂质，使材料露出金属表面光泽。该锅炉采购的夹块06Cr25Ni20钢板带有30°的单边V型坡口。将两根SA-213T91管和若干个白色的夹块06Cr25Ni20钢板在吊挂管专用胎具上进行放置。由于SA-213T91钢有较大的脆硬和冷裂倾向，因此采用氧乙炔火焰对焊接部位进行预热。在200～250℃温度下预热，层间温度控制在200～300℃，以有效防止冷裂纹产生。吊挂管焊前胎具装配如图1所示。

图1 吊挂管焊前胎具装配

2）进行定位焊接。将白色的夹块06Cr25Ni20钢板点固，定位焊缝采用对称焊接，保证夹块不会翘曲变形，焊后彻底清理焊渣和焊接飞溅物，采用VT目视检查定位焊缝质量，防止出现咬边、裂纹等缺陷。

3）定位焊接结束后，采用氧乙炔火焰对焊接位置进行预热，红外测温仪显示温度为200～250℃后进行焊接。按照焊接工艺规程要求焊脚尺寸为5 mm，因此采用的焊接层数为两层。焊接参数与定位焊一致，焊接接头为角接，焊接位置为平焊，焊接方法为连弧焊接。第一层打底焊接时焊条不做横向摆动，焊条与管板垂直，与焊接方向成75°，焊接完毕之后检查第一层是否有咬边、裂纹等缺陷。采用红外测温仪检测第一层焊缝表面的温度下降到300℃时，进行第二层的盖面焊接，焊接中要求焊缝与SA-213T91管之间圆弧过渡，避免咬边、焊瘤造成焊接接头应力集中，焊后彻底清理焊接飞溅物并检查焊缝质量。

4）冷却与保温。SA-213T91合金管焊后热处理前，必须冷却至100～150℃，保温1 h。因此吊挂管焊后应立即采取石棉保温措施，使焊缝缓慢冷却。

5）焊后外观检验。采用100%的渗透探伤方法进行无损检验。首先，将焊缝表面施加清洗剂进行清洗，并用干燥的抹布擦干，利用熔剂去除型的着色渗透剂进行渗透，时间为10 min。其次，用清洗剂将焊接接头表面多余的渗透剂清除干净，并用干燥的抹布擦干，直到肉眼看不到红色的渗透剂为止。最后，将白色的显像剂施加在焊缝接头的表面，一定要覆盖两侧熔合区。10 min之后，通过观察白色背景下的焊缝和熔合区表面是否有红色的渗透剂形成的图像来判断焊缝表面是否有裂纹、气孔等缺陷。经检查焊缝表面质量符合NB／T 47013.6—2015国家承压设备无损检测标准要求。

6）焊后热处理。将焊接好的低压高温再热器吊挂管按照编号分层放置，按要求进行热处理，热处理工艺为回火。回火温度为730～780℃，保温时间不少于1 h。SA-213T91侧熔合区组织为板条状回火马氏体，晶粒尺寸细小而均匀。热处理之后未发现焊接裂纹等缺陷。

7）力学性能试验和水压试验。依据NB／T 47014—2011标准对焊接接头进行常温拉伸试验，抗拉强度为630 MPa，远高于母材要求的515 MPa。试样的断裂位置均为06Cr25Ni20侧的母材焊缝，具有较高的强度，符合标准要求。经水压试验，焊缝处未发现有水珠、水雾等现象，产品未出现变形及异常的响声，管子内部通球合格，满足技术要求。

3 结语

本文介绍了某600 MW超临界机组锅炉受热面低压高温再热器部件吊挂管SA-213T91管和06Cr25Ni20板的焊接生产工艺。异种钢焊接时，由于两者成分、金相组织差异，通常在SA-213T91侧熔合区附近容易产生脆化过渡层。焊接时采用合理的焊接工艺，减小热输入，焊条不做横向摆动，控制焊缝的熔合比，严格按照电站锅炉工艺规程进行焊前预热和控制温度，焊后进行后热和焊后热处理，检测证明采用镍基合金焊条ENiCrFe-2进行焊接是正确的。依据NB/T 47014—2011标准进行常温力学性能检测试验和水压试验，结果表明焊接接头的性能良好，该工艺方法已经在低压高温再热器部件吊挂管上使用，费用低，质量好。