电力行业新型耐热钢的焊接现状

一、前言

　　锅炉机组参数的提高依赖于新型钢材的出现。世界各国在六十年代有过提高机组参数的尝试，后因为钢材问题又都陆续将参数退回到了540℃左右这一典型参数。直到九十年代，以T/P91钢为标志的新型耐热钢的出现，机组参数的提高才成为可能。这些新型耐热钢的出现，是焊接工作者的新课题。

　　二、我国超超临界机组新型耐热钢的焊接

　　我国电站中应用新型9Cr-1MoVNb钢(P91)在九十年代中期，经过十余年的摸索，对该钢材的焊接有了较深刻的了解，据此也认识到新型耐热钢的一些焊接特点，为我国锅炉机组参数的提高积累了一些经验。2006年投产的华能浙江玉环发电厂单机容量1000MW超超临界火力发电机组中，除去T/P91钢外，还使用了P92钢、Super304H钢、HR3C钢等，其中，Super304H钢和HR3C钢属于奥氏体耐热钢，其焊接只局限在锅炉制造厂，锅炉安装现场焊接工作中焊接T/P91钢和P92钢都属于铁素体耐热钢，是目前电力行业焊接工艺进步和取得突破的重点，以下简单介绍它们的焊接。

　　1、T/P91钢的焊接

　　T/P91钢是ASME标准SA213-T91/SA335-P91钢的简称，是八十年代美国的树岭试验室开发的新型耐热钢，称为9Cr-1MoVNb钢。9Cr-1MoVNb钢的焊接经我国电力行业多年的研究与应用，其性能与焊接特点有以下几点：

　　(1)对焊接热输入极为敏感。

　　9Cr-1MoVNb钢的焊接过程的热输入包括两方面，即预热和层间温度、焊接热输入量。①预热和层间温度，理论上应保证在300℃以下，实际焊接中控制得更低些为好。有资料证明，预热和层间温度对焊接接头的室温冲击韧性关系密切，当保持在350~380℃时，室温冲击值在28~50J之间；而保持在250℃左右时，室温冲击值可以达到60~100J(标准值为41J)。②焊接热输入量(旧称焊接线能量)，应该控制在25J/cm以下，当焊接热输入量大于此值或更高时，室温冲击值将不会达到41J的标准。

　　(2)对焊接热处理敏感。

　　9Cr-1MoVNb钢的合金元素含量较高，需要进行焊后热处理，标准规定热处理温度为760℃±10℃。由于9Cr-1MoVNb钢是多元素强化，该钢理论AC1温度在800~830℃之间，其下限距标准规定热处理温度上限比较接近，热处理过程的允许偏差就有可能超过钢材的AC1温度。与此同时，在9Cr-1MoVNb钢焊接接头的热处理工作中，还有焊接材料的AC1温度问题同样影响接头性能，现有的焊接材料为了获得较好的工艺性能和较好的接头塑韧性，都在材料中加入镍，镍元素是扩大奥氏体区元素，会降低焊缝的AC1温度，使热处理更具危险。实践证明，当焊后热处理温度超过AC1温度时，室温冲击韧性急剧下降，冲击值甚至有不到10J的情况。

　　(3)不同焊接材料获得的结果悬殊。电力行业应用9Cr-1MoVNb钢已经多年，前期使用的焊接材料几乎都靠进口，主要有英国的曼彻特、德国的蒂森、日本的神钢、法国的萨福、瑞士的奥林康和奥地利的伯乐等，近年来，国家电力建设研究生产的“科建牌”也在应用，上海电力修造总厂也生产出9Cr-1MoVNb钢使用的焊接材料。经验证明，这些焊接材料的性能悬殊很大，特别是AC1温度差别很大，这就要求焊接工作者一定要关注这一点，特别是选定焊接材料后，一定要研究厂家的说明书，否则，焊接接头发生问题的责任将要自己承担。如某进口焊接材料热处理温度在760℃时，恒温4小时；750℃时，恒温8小时，这一参数与DL/T869-2004火力发电厂焊接技术规程推荐的参数相差很多。

　　(4)改变了焊接观念。

　　在焊接常规耐热钢时，预热和层间温度和焊接热输入量是重要参数，但对材料冲击韧性的影响，远不如新型耐热钢这样大。这种情况的出现，使焊接工艺的概念有了根本性的变化。过去谈到焊接工艺，往往指焊接操作工艺，今天的新型耐热钢焊接工艺，往往与操作工艺无关，而主要指对焊接参数和工艺要求。与此同时，焊接检验的观念也带来变化，即：经过焊接检验合格的焊接接头，其性能不见得是合格的。也就是说，当焊接或焊后热处理参数出现问题时，导致的焊接接头室温冲击韧性不合格是不能被现有的焊接检验手段在现场检测出来的。所以，新型耐热钢的焊接过程在现代质量管理中被称为“需要确认的过程”，这种过程的实现必须进行焊接质量影响因素的预先鉴定和确认，包括人、机、料、法、环诸方面，这种“预先”也就是指焊接质量控制的时机必须提前，必须实施全过程控制。

　　9Cr-1MoVNb钢的焊接在电力行业有较为完整的依据和标准，即：二○○二年十月国家电力公司电源建设部颁发的《T91/P91钢焊接工艺导则》和DL/T869-2004火力发电厂焊接技术规程。

　　2、P92钢的焊接

　　继T/P91钢以后，日本于九十年代开始对T/P91钢实施改进，以期进一步提高蠕变断裂强度和使用温度，1996年至1998年开发出了9Cr-0.5Mo-2W为主要成分的NF616钢，后纳入ASTM和ASME标准。在ASTM中，NF616钢的编号为ASMESA213T92、ASMESA335P92，在欧洲的编号为X10CrMoWVNb9-2，在日本的编号为STBA29和STPA-29。

　　与T/P91钢相比，它们的抗腐蚀性和抗氧化性相同，但是具有更高的高温强度和蠕变性能。与TP347H相比，价格低廉，且热膨胀系数小、导热率高和抗疲劳性能强，可加工性和可焊性好。

　　自P92钢纳入ASME并进入火力发电设备领域以来，世界范围内应用并不是很广，欧洲九十年代只在丹麦和德国的5个发电厂有应用，而日本则只在三个发电厂应用。国内第一台采用P92钢的火力发电机组是浙江玉环发电厂，自此拉开我国应用P92钢的序幕。截至今天，我国超超临界火力发电机组的锅炉联箱和蒸汽管道几乎都使用了P92钢，国内的火电建设单位也有十几家完成了焊接工艺评定。

　　由于合金元素含量近似，T/P92钢的焊接特点、要求与T/P91钢近似，但从目前进行的焊接工艺评定过程发现，T/P92钢的焊接工艺裕度比T/P91钢要小，对焊接参数的要求比T/P91钢还要严格，也更要注意焊接和焊后热处理参数的严格控制及焊接材料厂家的选定。

　　电力行业对T/P92钢的进入给予了高度重视，由焊接学会组织的研讨会议召开多次，并准备制定T/P92钢的焊接工艺导则指导安装现场的焊接工作。现将T/P92钢的焊接要求大大致介绍如下：

　　1、坡口制备及组对要求

　　(1)对于壁厚不小于40mm且不大于的78mm焊口推荐采用DL/T869表1序号4的双V形坡口；对于壁厚超过78mm的焊口，推荐采用DL/T869表1序号6的综合形坡口。

　　(2)对口间隙宜小不宜大。

　　(3)应采取措施确保对口的错口值不超过1mm。

　　(4)对口定位焊可采用普通钢材表面堆焊不少于4mm厚的P92钢焊材的定位块，定位焊应该在预定的预热条件下进行。

　　2、焊接工艺

　　(1)预热温度推荐为(150～200)℃。

　　(2)采用焊条电弧焊的施焊过程中，层间温度不宜超过250℃；采用埋弧焊方法焊接时，其道间温度也不宜超过250℃，否则应在焊后采用部件整体炉内调质处理，调质处理参数应与钢材的调质处理参数相同。

　　(3)对于壁厚超过40mm的焊口的根层焊接推荐采用钨极氩弧焊方法，焊接2层，总厚度为(3～5.5)mm。

　　(4)采用焊条电弧焊进行填充和盖面的，推荐采用直径为3.2mm的焊条焊接，焊接电流为(110～125)A。每根完整的焊条所焊接的焊缝长度与该焊条的熔化长度之比应大于50%。

　　(5)除非确有必要，不推荐安排后热处理。后热处理应该在焊件温度降至100℃，保温1小时进行。

　　(6)焊后热处理应该在焊件温度降至100℃，保温1小时后立即进行。推荐焊后热处理参数为：a)以200℃/h的加热速度升温至500℃，此后按照100℃/h升温至770(+0，-5)℃；b)保温时间的计时时刻为任一测温热电偶达到设定的温度值。恒温时间以壁厚每8mm，1小时计算，且不少于1.5小时。c)降温速度为150℃/h，当焊件温度降到300℃时可不控制，自然冷却至室温。

　　、质量控制与检验

　　(1)P92钢的焊接施工应该根据规程、标准和本规定制定详细的作业指导文件，并对工作所涉及岗位人员进行技术交底。

　　(2)推荐采用加强焊工培训，严格工艺纪律，杜绝焊工随意调整工艺的情况，以旁站监督的方式，严格控制焊接工艺来确保焊接接头的质量。

　　(3)对于壁厚超过70mm的焊口，在满足(2)的规定，并得到工程焊接监理的确认的条件下，推荐采用从预热到焊接热处理一次连续完成的作业程序，否则，应该安排中间无损检验。

　　(4)P92钢的焊接施工应该具备紧急预案和措施，防止意外失电导致焊接或焊接热处理中断。

　　三、现场T/P91和T/P92钢焊接要点

　　综合上述T/P91和T/P92钢焊接要求，现将这类铁素体耐热钢的焊接要点总结分析如下：

　　1、钢材的焊接性

　　这类铁素体耐热钢都采用先进的冶炼和轧制技术，钢材的纯净度得到极大提高(如S、P含量在千分级)；多元素强化，成分控制严格；在强化机理方面采用了固溶强化、高位错密度强化、铁素体晶内的析出强化、晶界强化、加入防止M23C6的粗大化和防止向M6C转变元素等多种手段，钢的高温性能、常温冲击韧性与焊接性较早期的P9、F11、F12好得多。但是毕竟属高合金钢，还是要预热到150℃以上再开始焊接。

　　2、焊后热处理的要点

　　这类铁素体耐热钢希望获得全部的回火马氏体组织，焊后热处理参数极为重要，要从两方面注意。

　　(1)冷却到100-150℃，保持1-2小时，保证过冷奥氏体完全转变为马氏体后再升温开始焊后热处理，这与早期的P9、F11、F12的要求是一样的。

　　(2)在采用多元素强化的过程中，往往添加Ni来提高室温塑韧性，而Ni与钢材中必有的Mn共同作用下回使焊缝金属的AC1下降，有时会下降到危险的程度(DL/T869推荐值为760℃±10℃)，如：某进口焊接材料AC1的实测值已经下降到768℃，因此，在制定焊后热处理参数时必须要参照焊接材料制造商的说明书。

　　3、焊接热输入量(焊接线能量)

　　由于采用多种方法使钢材的综合性能获得极大提高，使这类钢的焊接形成全新的局面，即①无论采用何种措施，焊缝金属的综合性能都将达不到母材的性能指标；②现有的焊后检验手段(无损检测)无法证明焊缝金属综合性能合格。因此，必须严格控制焊接过程。

　　(1)焊接规范参数。必须采用小的焊接热输入量，经验证明，T/P91钢不超过25J/cm、T/P92钢不超过20J/cm为好。此时特别要注意，小的焊接热输入量不单指小的焊接电流，如果一味采用小的焊接电流，将会在焊缝中形成未熔合等缺陷，反而不好，国内就有电力行业单位吃过亏。正确有效的做法是提高焊接速度减薄单道焊厚度。

　　(2)预热和层间温度。这类钢的MS点在400℃左右，控制焊接热输入量也包括控制预热和层间温度。必须使每一焊道的温度降至300℃以下时，才可以焊接下一道焊缝。经验证明，如果降到更低温度，可以获得更好的室温冲击韧性，但要与生产效率综合考虑。这一现象的机理至今还不很清楚，这是许多单位的经验证明，也被波兰焊接工作者所报道。

　　附《T91/P91钢焊接工艺导则》

　　1、制订依据

　　本导则是根据电力工业焊接有关规程、规范、技术条件和相关资料，以国家电力公司火电建设部制订的“T91/P91钢管焊接工艺暂行规定”为版本，结合近年来积累的实践经验进行了修订。

　　2、适用范围

　　2.1本导则适用于火力发电设备，以T91/P91钢管及与其它钢种相连接的各类焊接接头的制作、安装、检修工程的焊接工作。

　　2.2适用于手工钨极氩弧焊和焊条电弧焊的焊接方法。

　　3、总则

　　3.1 T91/P91钢的焊接工艺评定，应遵守SD340-89《火力发电厂焊接工艺评定规程》(现为DL/T868-2004焊接工艺评定规程，下同。编者注)的规定，并以确定焊接工艺，编制作业指导书。

　　3.2焊接T91/P91钢焊工技术能力的验证，应按DL/T679-1999《焊工技术考核规程》的规定考核，取得合格证书后，方可参加焊接工作。

　　3.3焊接接头质量检验应遵照DL/T820-2002和DL/T821-2002两本检验规程的规定进行，其质量标准应符合DL5007-92(现为DL/T869-2004火力发电厂焊接技术规程，下同。编者注)规定。

　　3.4对国外引进设备的T91/P91钢焊接工作，应按合同规定进行，如无规定时，其焊接工艺评定、焊工技术考核、焊接工程的技术规定和焊接质量检验等均应执行电力工业焊接相关规程和本导则规定。

　　3.5焊接T91/P91钢的场所其环境温度和条件以及防护设施应符合DL5007-92的规定。

　　3.6实施T91/P91钢焊接工作应遵守国家和电力工业安全、防火、环保和施焊中其它相关条件的有关规定。

　　4、焊接机具和焊接材料

　　4.1焊接T91/P91钢的焊接设备，应选用焊接特性良好、稳定可靠的逆变式或整流式焊机。其容量应满足焊接规范参数的要求。

　　4.2氩弧焊工器具

　　4.2.1氩弧焊枪选用气冷式。

　　4.2.2氩气减压流量计应选择气压稳定、调节灵活的表计，其产品质量和特性应符合国家或部颁标准。

　　4.2.3输送氩气的管线应选用质地柔软、耐磨和无裂痕的胶管，且无漏气现象。

　　4.2.4氩弧焊导电线应采用柔软多股铜线，其坏蛋夹具应接触良好。

　　4.3焊条电弧焊工器具

　　4.3.1焊机引出电缆线可选用截面为50mm2焊接专用铜芯多股橡皮电缆；连接焊钳的把线，可选用截面为25mm2焊接专用铜芯多股橡皮软电缆。电缆线外皮绝缘应良好、无破损。

　　4.3.2选用的焊钳应轻巧、接触良好不易发热，且便于焊条的更换。

　　4.3.3测量坡口和焊缝尺寸时，应采用专用的焊口检测器。

　　4.3.4修整接头和清理焊渣、飞溅，宜采用小型轻便的砂轮机。

　　4.4焊接材料

　　4.4.1选用的氩弧焊丝、焊条应与钢材匹配。选用中应注意化学成分的合理性，以获得优良的焊缝金属成分、组织和力学性能，并要求工艺性能良好。

　　4.4.2氩弧焊丝、焊条、氩气和钨极等焊接材料的质量，应符合国家标准或有关标准的规定。如需考察其工艺性能，必要时，可进行焊接材料的工艺性能试验。

　　4.4.3氩弧焊丝使用前应除去表面油、垢等脏物。焊条除按国家标准规定保管外，于使用前按使用说明书规定，置于专用的烘焙箱内进行烘焙。推荐的烘焙参数为：温度350~400℃，时间或~2小时，使用时，应放在80~120℃的便携式保温筒内随用随取。

　　4.4.4氩气使用前应检查瓶体上有无出厂合格证明，以验证其纯度是否符合国家或部颁标准规定。

　　4.4.5氩弧焊用的钨极宜选用铈钨极或镧钨极，直径为Ф2.5mm。钨极于使用前切成短段，并在其端头处磨成适于焊接的尖锥体。

　　5、焊前准备

　　5.1坡口制备

　　5.1.1坡口形状和尺寸按设计图纸和供货方提供的资料加工。

　　5.1.2坡口加工应采用机械法，坡口修整时，可使用角向砂轮机等轻便工具。

　　5.1.3坡口及其内外壁两侧15~20mm范围内应将油、漆、垢和氧化皮等杂物清理干净，直至露出金属光泽。

　　5.1.4为保持管子内壁齐平，遇有管子内壁错口值超过1mm或两侧壁厚不同时，应按DL5007-92规定处理。

　　5.2对口装配

　　5.2.1对口装配前应认真检查被焊接部位及其边缘20mm范围内有无不允许缺陷(裂纹、重皮等)，确认无缺陷后方可组装。

　　5.2.2对口装配时，应选定管子的支撑点，并垫置牢固，以防焊接过程中产生位移和变形。

　　5.2.3对接管口端面应与管子中心线垂直，其偏斜度△f不得超表1的规定。

　　5.2.4严禁在管子上焊接临时支撑物。

　　5.3对口点固焊

　　5.3.1点固焊用的焊接材料、焊接工艺和选定的焊工技术条件应与正式焊接时相同。

　　5.3.2点固焊和施焊过程中，不得在管子表面引燃电弧试验电流。

　　5.3.3小径薄壁管点固焊时，可在坡口内直接点固，点固焊不少于2点；大径厚壁管点固焊时，可采用“定位块”法点固在坡口内，见图书馆，点固焊不少于3点，点固焊用的“定位块”应选用含碳量小于0.25%钢材为宜。

　　5.3.4焊接过程中，施焊至“定位块”处时，应将“定位块”除掉，并将焊点用砂轮机磨掉，不得留有焊疤等痕迹。并以肉眼或低倍放大镜检查，确认无裂纹等缺陷后，方可继续施焊。

　　6、焊接工艺

　　6.1 T91/P91钢必须严格执行经评定合格的工艺所编制的作业指导书规定进行施焊。为使焊接作业指导书严格实施，强化工艺纪律，必要时，应对该类钢材焊接全过程进行完整的监控，以保证焊接质量。

　　6.2 T91钢管及P91小径薄壁钢管推荐采用全氩弧焊方法；P91钢大径厚壁管采用氩弧焊打底、焊条电弧焊填充及盖面的组合焊接方法。

　　6.3氩弧焊(Ws)打底焊接

　　6.3.1为防止根层焊缝金属氧化，氩弧焊打底及焊条填充第一层焊道时，应在管子内壁充氩气保护。

　　6.3.2充氩保护可参照下列要求进行：a、充氩保护范围以坡口中心为准，每侧各200~300mm处，以可溶纸或其它可溶材料，用耐高温胶带粘牢，做成密封气室。b、采用“气针”从坡口间隙或“探伤孔”中插入进行充氩，开始时流量可为10~20L/min，施焊过程中流量应保持在8~10L/min。

　　6.3.3氩弧焊打底时，焊接规范参数推荐如下：焊丝选用Ф2.5mm，钨极为Ф2.5mm，氩气流量为10~15L/min。焊前预热温度为100~150℃，焊接电弧电压为10~14V，焊接电流为80~110A，焊接速度为55~60mm/min。

　　6.3.4氩弧焊打底的焊层厚度控制在2.8~3.2mm范围内。

　　6.4焊条电弧焊(Ds)填充、盖面焊接

　　6.4.1施焊前的预热温度推荐为200~300℃。宽度以坡口边缘算起每侧不少于壁厚的3倍，预热力求均匀。对于壁厚大于10mm的管子应采用电加热方法进行。

　　6.4.2小径薄壁管最低焊接层数为2层，大径厚壁管应采取多层多道焊接。

　　6.4.3施工过程中，应注意层间温度的保持，推荐的层间温度为200~300℃。

　　6.4.4为保证后一焊道对前一焊道起到回火作用，焊接时每层焊道厚度的控制约为焊条直径。

　　6.4.5焊条摆动的幅度，最宽不得超过焊条直径的4倍。

　　6.4.6大径厚壁管水平固定焊盖面层的焊道布置，焊接一层至少三道焊缝，中间以有一“退火时道”为宜，以利于改善焊缝金属组织和性能，焊道布置见图2。

　　6.4.7焊条电弧焊各层焊道的主要工艺参数参考值见表2。

　　6.4.8为减少焊接应力与变形，直径>194mm的管道和锅炉密集排管(管子间距≤30mm)的焊口，宜采用两人对称焊接。同时，注意到不得两人同时在一处收头，以免局部温度过度影响施焊质量。

　　6.4.9焊接中应将每层焊道接头错开10~15mm，同时注意尽量焊得平滑，便于清渣和避免出现“死角”。

　　6.4.10焊工操作技术要熟练，认真观察熔化状态，注意熔池和收尾接头质量，以避免出现弧坑裂纹。

　　6.4.11每层每道焊缝焊接完毕后，应用砂轮机或钢丝刷将焊渣、飞溅等杂物清理干净(尤其注意中间接头和坡口边缘)，经自检合格后，方可焊接次层。

　　6.4.12焊缝整体焊接完毕，应将焊缝表面焊焊渣、飞溅清理干净，自检合格后，做出代表焊工本人的标记，并应按工艺规定要求进行焊后热处理。

　　7、焊后热处理

　　7.1当焊缝整体焊接完毕，对T91钢和P91钢小径薄壁管的焊接接头可冷却至室温，而对P91钢大径厚壁管的焊接接头冷却到100~200℃时，应及时进行焊后热处理。

　　7.2当焊接接头不能及时进行热处理时，应于焊后立即做加热温度为350℃、恒温时间为1小时的焊后热处理。

　　7.3焊接接头的焊后热处理，应采用高温回火。

　　7.4焊后热处理的升、降温速度以≤150℃/h为宜，降温至300℃以下时，可不控制，在保温层内冷却至室温。

　　7.5 T91/P91钢焊后热处理加热温度为760±10℃。对于T91/P91钢与珠光体、贝氏体负的异种焊接接头，加热温度应按两侧钢材及所用焊丝、焊条等综合确定，不应超过合金成分含量低材料的下临界点AC1。

　　7.6恒温时间：P91钢焊接接头按壁厚每25mm，1小时计算，但最少不得小于4小时；对T91钢焊接接头可按壁每毫米，5分钟计算，且不小于0.5小时。

　　7.7为保证焊后热处理质量，热处理的加热宽度、保温层宽度和厚度应符合DL/T819-2002的规定。

　　7.8焊接热处理过程曲线(P、W、H、T)参见图形。

　　8、质量检验和标准

　　8.1焊工自检和专检均应重视焊接接头外观质量，除焊缝均整、尺寸符合规定外，应尽量消除咬边缺陷，以减缓焊接接头应力水平。

　　8.2外观符合规定的焊接接头，方可按规定比例进行无损检验。

　　8.3壁厚≥70mm管子焊口，焊至20~25mm时，应停止焊接，立即进行后热处理，然后做“RT”或“UT”探伤检验，确认合格后，再按作业指导书规定程序施焊完毕。

　　8.4管道上开有探伤孔做100%“RT”检验，如无探伤孔则做100%“UT”检验。

　　8.5焊接接头热处理完毕，应做100%硬度测定，测定部位为焊缝区和热影响区(异种钢为两侧，同种钢可选一侧)，每个部位测定不少于三点。硬度测定平均值的标准不超过母材的布氏硬度加100HB，且应≤350HB为合格。

　　9、焊缝返修

　　9.1焊接接头外观检查不符合标准时，轻者打磨焊补，严重者应割掉重新焊接。

　　9.2经无损检验不合格的焊接接头，其缺陷可进行焊补，但必须在确认缺陷已经彻底消除的基础上，按正常焊接工艺或焊补工艺规定进行。

　　9.3返修焊补的焊接接头，一般同一焊口不得超过两次，否则应割掉重新对口焊接。

　　9.4返修焊补的焊接接头，必须重新进行焊后热处理和无损检验。

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