刘 辉

（1.中国电建集团河北工程有限公司，河北 石家庄 050021；2.河北省大型电站机炉安装技术创新中心（筹），河北 石家庄 050021）

新时期下，各行业对能源的需求越来越大，如何提高电站锅炉的热效率、减少煤耗已经成为科学界重点关注的课题。从上世纪20年代开始，电站锅炉便从以往的中压、高压与超高压（14~15 MPa）发展到亚临界（16~19 MPa）、超临界（24~26 MPa）和超超临界（＞27 MPa）锅炉。主蒸汽的温度也提高到566℃、593℃和625℃。相应的，电站锅炉的运行参数也在不断提高，锅炉承压部件的壁厚不断增加，一方面提高了制造成本，另一方面也增加了焊接施工难度。以往在高压、超高压电站锅炉中广泛应用的钢材，因为高温性能与抗氧化性能较差，已经逐渐被淘汰，取而代之的是整体性能更加优秀的奥氏体不锈钢与回火马氏体钢。

1 SA213-TP304钢的焊接工艺

1.1 TP304钢材的性能分析

TP304钢的Cr含量约为19%，Ni含量约9%。常温环境便可形成单一的奥氏体组织，在高温环境下，具有出色的热强性以及耐腐蚀性。尤其是加入Cr后，可进一步增强TP304钢的抗酸腐蚀能力。Cr-Ni奥氏体的形成，显著提升了刚才的焊接性能，而且没有淬硬性的倾向，所以即使在热影响区使用，也不会出现淬硬组织。由于碳含量大幅度减少，晶间腐蚀概率也随之降低，但焊接时仍会存在一些问题。

1.1.1 热裂纹

奥氏体不锈钢虽然导热系数较小，但热膨胀系数大。在局部加热、冷却的焊接过程中，接头在冷却期间可能会出现较大的拉应力，而且焊缝中存在方向性较强的柱状晶组织会加快有害杂质的偏析速度，从而形成晶间液态夹层，主要以FeS、NiP、NiS和FeP等低熔点的物质为主，最终形成热裂纹。热裂纹通常出现在正在焊接中的焊道与前一道焊道，焊接完并不会马上开裂，但在第二次热循环后就会出现热裂纹。

金属间化合物的脆性相会提高钢材的脆性，奥氏体不锈钢焊缝中不仅存在一些碳化物，如果在650~850℃的环境中停留太长时间，还会出现含有Fe、Cr、Ni-σ相的无磁性金属间化合物，其与温度、时间均有关联，尤其容易出现在焊后再加热的过程中，在650~850℃的高温下加热，这种金属间化合物的冲击韧性会显著下降。所以应该尽量避免焊接后再次加热，否则会让晶间失去联系，降低焊接部位的塑性与韧性，导致钢材脆化，而且还会影响抗晶间的腐蚀能力。

1.1.2 晶间腐蚀

在450~850℃范围内，如果焊缝的停留时间太长，或者在焊接热循环过程中，加热到500~850℃的热影响区，钢材中的碳与铬会发生反应，形成碳化铬（CrC），Cr源自晶粒表面，会让晶粒边界的奥氏体局部缺少Cr，导致其抗腐蚀性能下降。晶粒受到腐蚀介质的作用，边界会出现腐蚀现象。腐蚀后，晶粒的外观并没有完全丧失金属光泽，但晶粒之间却已经失去联系，敲击后发现没有金属音质，钢质变脆，钢材的强度下降。晶间腐蚀的敏感温度是650℃，在此温度下，焊缝或者热影响区只需要短短数十秒就会出现晶间腐蚀。

1.1.3 根部氧化

使用气体保护焊的过程中，如果没有对焊缝根部采取隔离空气措施，表面就会出现严重的氧化现象，并产生黑色的渣状氧化物，导致焊缝的抗腐蚀性能严重下降。

1.2 TP304钢材的焊接工艺

鉴于TP304钢材的性能，在焊接锅炉再热器小径管时，应用线能量相对集中的手工钨极氢弧焊工艺进行打底、填充以及盖面，该工艺能够充分扰乱柱状晶体方向以及杂质汇集，避免出现严重的内应力以及偏析，有助于减轻晶间腐蚀，减少热裂纹的出现。选择低碳不锈钢焊丝ER308H作为焊接材料，这种材料中的S、P含量较少。焊接工艺要求如下：

（1）材料和一般结构钢应该分开存储、运输，以免钢材被铁锈污染。

（2）焊接之前，使用不锈钢专用的砂轮片或者钢丝刷将焊件表面打磨干净，刷掉油漆、杂质和污垢等。组装焊件之前，先清理干净焊口表面和两侧10 mm区域内母材内壁与外壁的污渍，使其完全呈现金属光泽。禁止钢件表面暴露于火焰焊接处，否则钢件会被碳污染，损害耐腐蚀性能。

（3）氩弧焊的焊接场所应充分做好防风、防雨及防雪措施，加强对氢气的保护。

（4）手工钨极氢弧焊打底过程中，焊缝的背面应做好充氩保护，保证背面能够正常成形，以免合金元素出现氧化和烧损。充氩保护过程中，在氩气皮管的输出接头上焊接d（1.0~3.0）mm的碳钢管或细铜管，并把较细的金属管经过焊口的对口间隙置入管中，然后开启氩气开关，对焊缝的根部采取充氢保护。

（5）焊接之前不需要预热。

（6）TP304钢材的焊接收缩变形较大，因此要设置夹紧装置，做好定位焊。

（7）使用较小的线能量进行快速焊接，在条件不变的情况下，与普通碳钢和低合金高强钢相比，焊接电流要小10%~20%，通常为80~100 A，所以应尽可能采用短弧焊焊接工艺。

（8）焊接速度控制在80~120 mm/min，打底焊时，略加快速度；盖面焊时，略减慢速度。控制氩气流量6~10 L/min。

（9）焊接时，控制层间温度不超过150℃，焊后立刻浇冷水进行强制冷却，以控制层间温度以及焊后温度，在450~850℃的温度区间内，应尽量缩短停留时间。

（10）焊接后不需要采用热处理。

（11）错开焊接的接头处。

（12）禁止乱打弧现象，防止飞溅以及工件坡口出现电弧擦伤母材的痕迹。

（13）保持焊缝表面的光洁度，增强焊接接头的抗腐蚀能力。用砂轮打磨焊缝表面的残渣，用石英砂纸磨刷焊缝的颜色。

2 SA213T91钢的焊接工艺

2.1 T91钢材的性能分析

上世纪70年代，美国最先研制出T91钢。如今，T91钢在我国大机组锅炉中的应用已经非常广泛。T91钢的化学成分是经过调整的，具有优越的高温性能。T91钢中加入了一些强碳化物元素，比如Cr、V和Mo等，焊接过程中，在高温空冷的情况下，很容易产生淬硬马氏体组织。T91钢的焊接性比传统的铁素体钢有了显著改善，并且塑性和韧性良好。所以，尽管T91钢也含有容易产生再热裂纹的沉淀强化元素，但由于C、S、P含量较低，因此对再热裂纹的敏感性不高。T91钢是一种空冷马氏体钢，并不具备优秀的焊接性，焊接过程中很容易出现冷裂纹，而且热循环会降低焊缝的韧性。

2.2 T91钢材的焊接工艺

2.2.1 双层TIG打底焊

TIG如果只打底一层，很容易因焊层太薄而被击穿，降低根层焊缝的质量。此外，TIG焊第二层时，会一定程度地降低第一层背面焊缝的氧化，因此应该一边打底一边解开充氩保护胶布，以免焊缝内进入空气，降低打底质量。

2.2.2 合理设置管内保护氩气的流量

T91钢根层焊接的根部氧化问题比较严重，所以应采取管内充氩保护措施。首先调节氩气的流量，大管径以20~30 L/min的流量为宜，同时还要保证管内氩气可以流动，提高氩气纯度。其次是要充分考虑焊接根部的第二层焊缝会影响第一层焊缝的高温氧化，所以管内的保护气体应该持续到第二层焊缝焊接结束为止。

2.2.3 多层多道焊

5月2日，“江山清晖——纪念谭建丞先生诞辰120周年谭建丞山水画册页特展暨谭建丞艺术座谈会”在湖州市博物馆举行。

能够有效控制焊接线的能量，后层的焊道对前层焊道的热处理能够细化晶粒，提高焊接接头性能。

2.2.4 双人焊接

如果T91钢的管径较大，则焊接时需要两人相互配合。打底时，由一名工作人员负责焊接，另一名从旁监测打底焊情况。母材与焊材中含有的合金元素较多，影响液态金属的流动性，因此焊接时需要做好以下几点：

（1）严格按照说明书的要求，焊条需要在300~350℃温度下放置2 h，然后烘干。保证焊条充分干燥。如果烘干不彻底，则会更容易出现焊接缺陷。

（2）液态金属的流动性不佳，安装对口时，应该增加3~4 mm的对口间隙。

（3）焊条的引弧电流太小，容易粘上焊条，反之，则可能导致熔池不清，很容易在坡口边缘出现夹渣缺陷。所以，应该合理调节焊接电流，提高焊接质量。

（4）针对冷裂纹问题，焊接时要填满弧坑，可通过逐渐减小电流的方式，或应用断弧叠加法来收弧。

（5）焊条焊渣的清理难度较大，应该层间清理，尤其是接头的位置需要用砂轮机打磨，以提高接头质量。

（6）每层焊条的厚度应该与焊条的直径一致，焊道的宽度最好比焊条直径大2倍，最宽不能超过4倍。

3 SA335P91钢的焊接工艺

以某电厂施工为例，导汽管材料为P91钢材，焊接与热处理结束后，在超声波检测中发现，部分焊口存在超标缺陷，焊口的回波能量与长度不足，确认为是点状缺陷。返修打磨时，某些部位的缺陷没有及时发现，某些部位挖出小气孔与夹渣，继续打磨发现，气孔与夹渣中贯穿了5~10 mm长的细小裂纹。一部分靠近根部的缺陷所引起的裂纹已经穿透了焊缝的根部，经过打磨后，无法在第一时间用肉眼发现，而是放置一段时间，在着色检验中发现缺陷。形成弧坑裂纹的原因有（1）内因：P91钢材的淬硬倾向较大。（2）主因：焊条的工艺性能较差。（3）外因：焊接过程中线能量较大，弧坑较深，成形不理想，更换焊条的间隔时间太长，收弧区的冷却速度太快。

经过综合考量，决定重新优化焊接材料以及焊接工艺：

（1）P91钢材包含了各种牌号的焊接材料，不同焊材有不同的工艺性能。经焊接工艺评定实验发现，产自德国蒂森公司的CHROMO9V焊条以及MTS-3焊丝，无论是焊接的操作工艺性能，还是焊接接头的冲击韧性都非常出色。因此，应选择S、P热裂纹敏感元素较低、操作性能好、ω（Mn）/ω（S）比值较大的焊材来焊接P91钢。

（2）将坡口温度作为预热温度标准，电阻加热过程中，如果在加热片正中设置热电偶，那么测量的温度和坡口位置的实际温度会相差50~80℃，因此应该在靠近坡口边缘的一侧设置热电偶，将温度控制在250℃左右。如果温度太高，焊接过程中，中间层可能会超温；反之，坡口的实际温度可能会在200℃以下，更容易形成裂纹。

（3）不可单纯地通过减小焊接电流的方式来降低焊接线能量，P91钢材中的焊材合金含量较大，熔池铁水的粘度大，如果电流太小很容易形成夹渣和未熔合现象。所以需要在较大电流的基础上配合快速移动，以提高焊接质量，保证焊接线能量。运条收弧时，需要引到坡口一侧，可防止出现大弧坑，也能避免焊缝熔池金属因收缩而形成弧坑裂纹。

4 结束语

综上所述，发电机组的容量越大，对耐热钢的要求就越高。因此，应选择具有良好耐热性能的钢材，并采用科学的焊接工艺，以保证电站运行的安全性与可靠性。