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【摘 要】针对高压蝶粉锅炉过热器换管改造过程中，对影响SA213-T91钢管焊接接头质量的因素进行了讨论，分析了产生的原因，并提出了相应的焊接工艺措施，确保了焊接质量。
【关键词】过热嚣；T91钢；焊接性；焊接缺陷；焊接工艺措施
【Abstract】Change management transformation for high pressure boiler superheater Butterfly process， the factors affecting the SA213-T91 steel welded joint quality were discussed， analyzed the causes， and the corresponding welding process measures to ensure the quality of welding.
【Key words】Welding；Welding process measures；Welding defects overheated clamor；T91 steel
1. 前言
（1）某热电厂高压煤粉锅炉高温过热器（末级过热器），原设计材质为12CrlMoV，规格为42mm*5mm，由于长期过热，致使过热器蛇形管排尤其是弯头部分材质恶化，经取样分析，珠光体球化平均4～5级，严重处5级以上。随着运行时间增加，管子越来越脆弱，爆管越来越频繁，换管改造已是刻不容缓。经过调研，决定全部更换为新型耐热钢SA213-T91钢，规格为42 mmx5 mm。T91钢由于抗高温性能好，目前被广泛采用，其高温强度、抗氧化性较12CrlMoV钢有较大的提高，推荐使用温度为650℃以下。为了便于现场安装，蛇形管排由厂家制作，并制作一端材质为SA213-T91，一端材质为12CrlMoV的直管段；现场安装时，直管段12CrlMoV一端与原管排拆除后联箱上管接头对接，SA213-T91一端与新换的SA213-T91蛇形管排对接，如图1所示。共有66组，SA213-T91焊口264个。12CrlMoV焊口264个。
（2）在实际工程应用中出现一些焊接问题，如焊接工艺参数选择不当，焊接工艺措施不到位等，导致焊缝根部氧化，出现未焊透、气孔等缺陷，探伤一次合格率偏低，返修量大，造成成本增加和产品质量下降。
（3）本文从SA213-T91钢化学成分着手，讨论SA213-T91钢管焊接过程中氩气保护机理以及提出出现问题的解决方法。
2. SA213-T91 钢管性能及焊接性
2.1 SA213-T91 钢管性能。
2.1.1 SA213-T91钢的化学成分。
（1）SA213-T91钢是一种改良型的9Cr-1Mo钢，在原9Cr-1Mo马氏体钢通过降低C含量，增加V，Nb等合金元素。具有良好的抗高温氧化和抗蠕变性能，Acl为830～850℃。Ac3为900-940℃，可在650℃温度下连续工作。其化学成分见表1。
（2）从表1中可以看出，SA213-T91合金元素总含量接近13%，T91钢中各合金元素分别起到固溶强化弥散强化和提高钢的抗氧化性、抗腐蚀性能，为防止合金素在焊接过程中烧损，特别是防止根部氧化，必须采用管内壁充氩保护的措施。
2.1.2 T91钢室温力学性能。
（1）表2为笔者对T91钢和12CrlMoV钢所进行的室温力学性能比较。
（2）通过比较可以看出，T91钢的抗拉强度和屈服强度明显高于12CrlMoV，T91钢的室温抗拉强度最大值可大于770 MPa，而且塑性也较好。
2.1.3 T91钢的高温性能。
（1）T91钢限制了C含量，加入了V，Nb，使它比12CrlMoV具有较高的的持久强度和许用应力，表3列出了T91与12CrlMoV高温性能比较。
（2）从表3可以看出：在540～610℃范围内T91钢的许用应力明显高于12CrlMoV，当温度达600℃以上时.T91钢的许用应力下降较快，这表明末级过热器材质改为T91钢后，在运行过程中壁温应尽可能控制在600℃以下。
2.2 T91钢的焊接性。
SA213-T91钢焊接性差，淬硬倾向大，快速冷却容易产生冷裂纹。而冷却速度过慢又会使综合力学性能下降。
2.2.1 冷裂敏感性。
从表1可知，T91钢合金元素总含量超过13%，根据钢材化学成分及IIW推荐的碳当量计算公式，可计算出其加w（C）eq=1.94%～2.38%，远大于0.6%，这说明该钢的淬硬倾向很大.冷裂纹敏感性很大。
2.2.2 再热裂纹敏感性。
与9Cr-1Mo钢相比，T9l钢中加入了V，Nb，N等元素，精细的V.Nb碳氮化合物沉淀析出以及V的存在，阻止了Cr元素的移动，故T91钢的再热裂纹敏感性低于9Cr-1Mo钢的再热裂纹敏感性。
2.2.3 热裂纹敏感性。
T91钢中由于含有促进热裂的合金元素C，Nb等，故该钢有一定的热裂倾向。
3. 存在的问题及原因
在锅炉高温过热器改造焊接施工中易产生的缺陷有：焊缝表面氧化、气孔、未焊透、裂纹等。本文结合改造过程中的情况，主要介绍了产生几种缺陷的原因及焊接工艺措施。
3.1 焊缝表面氧化。
焊缝历经高温时间长、氩气保护效果不好，使焊缝表面的化学元素被严重烧损是焊缝表面氧化的主要原因。在现场施焊时由于管道是整屏的，背面熔池高度氧化使焊缝很难成形.容易产生咬边、夹渣和部分未熔合等缺陷，使一次探伤合格率很低。尤其在返修时，管道上端已经与联箱接口，从管口无法充气保护。经多次分析及试验，找出了主要原因是由于焊接条件的影响，即内部充气保护不好，这是由于焊口上端的管子长度在4m左右，致使充气时氩气保护效果不好。
3.2 气孔。
焊材和工件受潮、电弧过长、保护气体流量不合适等均是产生气孔的主要原因。如在现场施工中。由于高温过热器为垂直整屏排列，管子之间的间隙仅10mm左右，其属于障碍焊，施焊时限制了焊枪角度的位置，使焊枪倾角过大，电弧过长，造成了电弧不稳定，导致氩气保护不好，从而易产生气孔。此外，在检修时，由于氩弧焊枪的连接线长60～70 m，而连接线回路内焊接时是低电压、大电流运行.势必造成了较大的电压降和电流损耗，特别是稳弧脉冲电流的损耗造成电弧不稳定。致使空气侵入氩气保护区而产生气孔。
3.3 未焊透。
根部间隙过小、钝边过大、坡口角度偏小、焊接电流过小、焊接速度过快等是产生未焊透的主要原因。由于SA213-T91材料在焊接过程中，熔池铁液的流动性不好，也使焊口焊透有一定的困难。
3.4 裂纹及热影响区淬硬组织的产生。
图2为T9l钢的连续冷却曲线，从图2可以看出，T91的临界冷却速度低，奥氏体稳定性很大，冷却时不易发生正常的珠光体转变，从而冷却到较低温度时会发生马氏体转变。正由于此，T91的淬硬和冷裂倾向很大。由于热影响区的各种组织具有不同的密度、膨胀系数和不同的晶格形式，在加热和冷却过程中必然会伴有不同的体积膨胀和收缩：另外又由于焊接具有不均匀加热和温度高的特点，故而T91焊接接头内部应力很大。对于T91，奥氏体十分稳定，只有冷却到较低温度（约400℃）才转变为马氏体。由于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.故氢的存在促使了马氏体脆化，其综合作用的结果.就很容易在淬硬区产生冷裂纹。
4. 焊接工艺措施
4.1 焊前准备。
焊接前，需将坡口两侧母材各25 mm宽的范围内的油污、铁锈、油漆及毛刺清理干净，同时需对坡口尺寸进行适当地调整。将钝边由2 mm改为l mm。在焊接过程中将电弧压丝焊接改为熔孔焊接（就是在焊接过程中，先在焊口上熔一个大于坡口间隙的熔孔，焊丝不放入熔池.放在焊口的上边缘，距熔池1～2 mm处，利用电弧力及熔池的张力把铁液带人熔池，期间需要氩气一直保护熔孔，直至焊接完成），以保证焊透。
4.2 焊前预热和道间温度控制。
T91钢的Ma点约为400℃，为防止焊缝冷却过快形成淬硬组织以及高温停留时间过长形成粗大晶粒，焊前需预热，预热温度一般为100～150℃。预热温度不能太高，否则接头冷却速度降低，可能在焊接接头中引起晶界处碳化物析出和形成铁素体组织，从而大大降低该钢材焊接接头在室温时的冲击韧性。道间温度不得低于预热温度下限，但也不能过高，其不得大于300 ℃。
4.3 加强充氩保护。
充气时，尽量把充气的管子插入距焊缝处越近越好。如图3所示，且需将氩气流量由原来的6～7 L/min改为14～16 L/min；在充气端用可溶纸堵好，另一端不堵，以使管道内压力不是很高，同时又能很好地保护好焊缝不被氧化。从而得到优质的焊缝，这一点往往容易被人忽视。该因素消除后，可使检修焊逢的一次探伤合格率上升到98%以上。
4.4 采用大口径喷嘴。
（1）将原来使用的长为40 mm、直径为5 mm的喷嘴改为长为60 mm、直径为8 mm的喷嘴，将氩气流量由原来的7 L/min增大到8～9 L/min。以使从喷嘴喷出的氩气流均匀镇静，从而减少涡流，容易保持层流，使保护区增大，改善氨气保护效果。从操作方面，需改变引弧位置。由于引弧时电弧是最不稳定的，如果在始焊位置直接引弧。焊枪倾角将很大（与焊接位置的切线夹角在30°以下），使空气侵入熔池的可能性大大增加。从而容易产生密集性气孔。因此需在能保证焊枪角度垂直的位置处引弧，再以较快的速度（保证电弧稳定燃烧的条件下）进行正常焊接，如图4所示，这样可使得电弧燃烧稳定，并可改善氩气保护效果，从而减少气孔的产生。
（2）焊枪连接线和地线选用横截面积在75 mm2以上的铜质电缆，同时，改公用地线为专用地线，即每台氩弧焊机各配1条地线，且需将地线直接接在焊口附近，而不要用其他构件代替。目的是把焊接回路的电能损失控制在最小，使电弧稳定，从而减少气孔产生的可能性。
4.5 选择合理的焊接工艺参数。
打底层的焊接工艺参数见表4。为了保证淬火区性能要用小的热输入。但过小的焊接热输入会降低生产效率，故要选择合理的热输入。可采用窄焊道技术以及高的焊接速度和多层焊。尽量减少焊缝在高温区的停留时间，以获得良好的焊缝组织。
4.6 其他措施。
层道问必须仔细清理，即下一道焊缝焊接前应对前一道焊缝表面的氧化层进行彻底清理，可利用钢锯条或角向磨光机清理，但不可使用榔头、錾子过重敲击，以免产生裂纹。TIG焊是一种低氢焊接方法，不强力对口，按规范预热温度一般不会产生冷裂纹。对热裂纹、再热裂纹也不敏感，但是往往在熄弧时产生熄弧裂纹，这种裂纹的防止措施是在坡口侧面引弧熄弧，合理控制焊接电流的衰减，在熄弧前加1滴铁液。并在收尾时应填满弧坑。
4.7 确保焊接接头后热处理的温度和时间。
T91钢的冷裂倾向较大，在一定条件下，容易产生延迟裂纹.故焊接接头必须在焊后24 h内进行回火处理。在100～150 ℃区间，T91钢焊接接头中马氏体量较多，且不出现冷裂，故在焊缝整体焊接完毕，需冷却到120℃以下恒温1 h，待马氏体转变完成后进行热处理，如不能立即热处理时则应进行350 ℃恒温l h热处理，否则容易引起冷裂纹。T91焊后状态的组织为板条状马氏体，经过回火可变为回火马氏体，其性能较板条状马氏体的好。回火温度偏低时.回火效果不明显，焊缝金属容易时效而脆化：回火温度过高（超过Ac1线），接头又可能再次奥氏体化.并在随后的冷却过程中重新淬硬。因此.T91回火温度为750～760 ℃，热处理时采用电加热的方法，升、降温度速度需控制在150 ℃/h，恒温30 min。
5. 结论
（1）SA213-T91钢管由于合金元素含量高.总含量接近13%，在焊接过程中为了防止合金元素烧损，并防止根部氧化，必须加强管内充氩保护。
（2）锅炉高温过热器氩弧焊接主要的难题是焊缝背面保护不好，容易产生气孔和背面成形不好。为了防止气孔的产生和改善背面成形，必须考虑到检修条件的影响因素，使检修条件尽量与试件施焊的条件相近，才能取得良好的效果。
（3）T91钢有较大冷裂倾向，选取预热温度为100～150℃。严格控制道间温度200～300℃。以及焊后及时进行热处理可有效防止冷裂纹产生，使焊缝获得良好的显微组织和力学性能。
（4）适当地增加氩气保护范围，调整操作方法，做好细致的防护措施是减少气孔和改善背面成形的根本保证。充氩保护等焊接工艺措施有效地解决了过热器换管焊接质量问题，适应现场施工条件，焊接接头一次合格率近99%以上，获得了综合性能良好的焊接接头，取得了良好的经济效益及安全效益。该焊接工艺方法在锅炉过热器制造与改造检修中具有普遍的借鉴意义。
参考文献
[1] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册：第2卷[M].北京：机械工业出版社.2001.
[2] 张应力.新编焊工实用手册[M].北京：金盾出版社，2004.
[文章编号]1619-2737（2015）06-20-631