摘 要：新型耐热钢的焊接是电站安装工程中的一个技术难关，随着电站设备参数的不断提高，新型耐热钢不断发展，焊接技术难度更大。焊接工艺是影响工程质量的关键环节，直接关系到机组的安全运行。本文阐述广东国华粤电台山发电厂一期工程5×600MW机组工程锅炉末级过热器在现场安装焊接中遇到的难点，以及解决这些难点所采取的工艺、措施和方法。实践证明该工艺措施和方法切实可行，为以后工程安装中遇到类似的情况能起到一定的参考作用。
关键词：SA213-T91钢 小管全氩焊接 单面焊双面成型 焊接工艺 方法
中图分类号：TG136+.2 文献表识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（b）-0071-02
广东国华粤电台山发电厂5×600MW燃煤发电机组锅炉是由上海锅炉有限公司设计制造的2093T/H亚临界压力控制循环锅炉。锅炉受压件安装焊口数量约27000个，末级过热器集箱管排采用SA213-T91钢制造。设计压力为16.6Mpa，工作温度为540 ℃，焊口属同种钢焊接，焊口规格为φ57×8 mm，共576道焊口（每排管有6根管子，共96排管）。鉴于末级过热器部件材质用T91钢的管排为联箱结构，管排与管排、管与管之间空间较狭窄，如果采用GTAW+SMAW
的焊接方法，手工焊条电弧焊盖面时焊条受空间位置的阻挡，直接影响焊接质量。因此，为了保证T91钢的焊接质量，决定此部件采用GTAW焊接工艺，并制定了相应切实可行的焊接工艺规范、措施、方案。安装完成后，两台锅炉的该部件T91钢焊口经检验一次合格率达到97.83%。在此将该部件T91钢的焊接技术和方法写出来，与同行共勉。
1 SA213-T91钢的化学成分及焊接要点
1.1 T91钢的化学成分及焊接性能
T91钢是马氏体型耐热钢，是在9Cr1Mo钢的基础上降低含碳量，严格限制硫、磷的含量，添加少量的钒、铌元素进行合金化，具有良好的热强性和高温抗氧化性。T91钢的供货状态为1040～1090 ℃正火加765～795 ℃回火，组织为回火马氏体。由表1可知，T91钢的主要元素为Cr和Mo，Cr是提高钢材淬透性元素，其在T91钢中含量较高，大大促进了T91钢的淬硬倾向。因此，焊接T91钢时，如果不采取一定的工艺措施，T91钢有冷裂纹倾向。T91钢合金总含量为10.534%，根据相关资料显示，对T91钢进行冷裂纹敏感性试验，结果表明：T91钢具有一定的冷裂纹敏感性，焊接前必须进行预热。同时T91具有较敏感的热裂倾向，焊接时必须控制焊接线能量，层间温度不能过高。
2 现场设备安装状况及焊接要点
上海锅炉厂设计的末级过热器联箱属炉膛悬吊结构。施工中考虑到炉膛结构与吊装方案，决定先将管排和母管吊装到位固定。焊口为垂直位置固定焊（即横焊）。现场对接管排较密集，管与管间距仅20 mm，管排与管排间距为150 mm，对口间距存在不均匀现象，因此，这些不利因素在一定程度上增加了焊工施焊操作的难度。焊接过程中，“盲区”位置使得焊枪角度极难控制，电弧热量较难于输送至“盲区”。如果这时仍就按常规的对口工艺和焊接操作方法，势必会使焊工视线被焊枪瓷嘴和焊丝挡住。这样导致的后果将会出现“盲区”接头未熔合和根部未焊透，甚至在填充层盖面焊接过程中也会出现层间未熔合。管排的焊接“盲区”。
由于T91钢合金含量高，焊接时焊缝受热温度过高，若不采取必要的工艺措施，必然导致根层氧化或“过烧”；其焊接性及熔池本身流动性较差，熔池粘度很大，焊口根部间隙过小时极易造成根部未焊透现象。针对此类缺陷，焊接过程前后采取如下措施。
（1）由于T91钢液态金属流动性差，安装对口时应适当加大对口间隙（2.5～3.5 mm）、钝边0.5～1.0 mm，防止焊口根部未焊透。
（2）焊枪尽量使用短瓷嘴（长度45 mm），保证钨棒尖端锐度。在“盲区”位置适量将钨棒（正常约5 mm）多伸出2 mm，这样在焊接过程中，能正常的将电弧热量输送至“盲区”，使接头熔合良好。
（3）焊缝根部打底焊时，选用合适的焊接电流和焊接速度，采用“内加丝法”，即在坡口两边熔化后，再沿坡口内加焊丝熔化，使坡口与焊丝充分熔合形成良好的接头。这样既能清晰地看到“盲区”接头，又可以看到坡口的熔化程度，同时又可以保证焊缝根部完全焊透。填充焊和盖面焊时，采用侧面送丝，这时焊工视线能看到“盲区”接头处层间熔合的良好程度。
（4）焊缝根部打底焊接时，要注意不能象焊接一般钢材那样，送丝要均匀，不能靠送焊丝的力量来突出根部。铁水过渡最好采用自由过渡，否则容易造成根部焊缝出现未熔化的焊丝头。收弧时特别要注意把弧坑填满后，等焊接电流衰减下来，才移向坡口边收弧，防止产生弧坑裂纹。
（5）T91钢合金含量高，淬硬倾向大。按焊接工艺卡要求，在焊接前先将管口均匀预热至150～200 ℃，施焊时严格控制焊接参数和焊接线能量，注意接头收弧质量，减少裂纹倾向；层间温度控制在250～300 ℃，根据焊接规程规定，合金含量高的耐热钢（Cr≥3%或合金总含量>5%）在焊接过程中，为防止根层氧化或“过烧”，要对管口进行充氩保护措施。具体实施的步骤如下：
①在对接管口内两侧各200 mm处用水溶性纸封住，使管壁内腔形成一个气室，为隔绝空气做准备。
②按焊接工艺卡要求，在焊接前应预热至150～200 ℃，用高温可粘胶布将待焊管口封住，然后利用充氩装置（皮管端装上球针）往管口内充氩气。充氩时间不少于10 min，待气室内有氩气流出时开始打底，焊一段把胶布拔开一段。为保证焊缝根部质量，最好先将焊口根部打底1/2后，仔细检查已焊部分确保无缺陷出现，再进行管口另外1/2打底。
③当打底至充氩孔（在焊口的最好位置预留约8 mm），并继续往管内充氩，待已打完底的填充层焊完，将充氩球针拉出，然后焊上预留孔，并利用气室内的剩余氩气完成其填充层，最后完成盖面层。
3 焊接工艺
（1）焊接方法：钨极氩弧焊（GTAW），单面焊双面成型（钨极为铈钨棒，直径为φ2.5 mm，焊枪瓷嘴直径为φ8 mm）。
（2）焊接设备：时代逆变式WS-400（PNE13-400），直流弧焊机，高频引弧，衰减灭弧。
（3）焊接材料：选用日本神钢生产的TGS-9cb（φ2.4 mm）焊丝，必须具备出厂合格证书，无锈斑，其化学成分（见表2）。
（4）保护气体：氩气，纯度≥99.99%。
（5）焊工：两名技术稳定、经验丰富的持证焊工，并且在施工前经过焊前练习检验合格。
（6）坡口形式：V型坡口70°，钝边0.5～1.0 mm，间隙2.5～3.5 mm，坡口内外管壁10～15 mm处打磨出金属光泽，清除氧化物、铁锈、油污、油漆等对焊接有害的物质。
（7）焊接规范参数：根据现场组合焊口管材、规格和焊接位置，进行一次与实际相同的模拟试焊，将试样进行外观检查及无损检验。经过反复实践，不断摸索，使练习试样合格，从而得到适合于现场操作的焊接规范参数。具体的焊接规范参数如表3所示。
4 焊接操作过程
4.1 T91钢焊接前需进行如下的准备工作
（1）施工技术资料的准备：开工前应准备施工作业指导书、焊口编口、焊接工艺卡、技术交底详情。
（2）施工现场的准备：施工现场必须提供充足的动力电源，做好防风挡雨措施，有足够数量的WS-400逆变电焊机。
（3）充氩的准备：必须提供充足的氩气，T91钢小径管的焊接施工中根层焊接需要充氩保护；需要准备可溶纸、钢针管或球针及氩气管、高温胶带、氩气流量计（包括减压表）、打火机等。
4.2 作业内容
（1）坡口加工及检查：坡口制备用机械加工的方法，不允许使用火焰切割。由于末级过热器为联箱结构，应仔细检查整排管口的打磨质量以及管内预制充氩区封堵情况，避免出现重新对口的返工现象。
（2）预制充氩区：根据焊接钢管的内径，裁剪可溶纸，折叠成圆锥状，圆锥底面的直径应比钢管的内径稍大，填塞进钢管里。
（3）对口：对口时应采用专用夹具（对口钳），严禁强力对口。对口错口不得超过 1.0 mm，坡口间隙应修整到规定尺寸。遇到有错位的管口用预置的木尖来调整，对口尺寸如图1所示。
（4）预热：根据工艺卡要求，点焊前应预热到150～200 ℃（履带式加热器）。
（5）充氩：坡口处母材温度符合要求后，开始充入氩气。充氩针头采用球针，使用时将球针弯成90°，探进坡口，顺坡口内壁进行充氩。焊口环周用高温胶带将焊口封住。
（6）点焊固定：往管内充氩时间不少于10 min后进行根层点焊，点焊焊缝长15～20 mm，厚度3 mm，点焊位置在11点到1点之间，为了避免其它管子由于前面焊接后的收缩而影响对口质量，先把一整排管（6根）全部焊口点焊定位好，以防止对口间隙变化。点焊处若焊缝背面呈亮白色，则保护效果良好；若颜色发暗没有光泽，则需要完善充氩工作。此时将被氧化的点焊缝磨掉，重新进行点焊。
（7）打底层焊接：点焊自检合格后进行打底焊接。为了保证根层焊缝质量，采用前后各一名焊工进行对焊。一人打底焊，一人充氩，这样有利于相互检查。管径规格φ57×8mm为控制层间温度，保证焊接接头质量优良，一次预热3个焊口为宜。焊接顺序，由1-2-3-4或1-4-2-3顺序进行。
（8）填充盖面焊接：完成打底后，仔细检查底层焊缝，确认无缺陷后，按表3焊接工艺参数来完成填充层、盖面层的焊接。焊工在焊接所有后一道焊缝前，都应确认层间温度，可用远红外测温仪辅助验证，待层间温度降到250～300 ℃的温度后才可以开始焊接。为了提高工作效率，采用焊完一道焊口的一个焊道后，停下来进行第二道焊口的一道焊道的焊接，以后依次类推。在焊接过程中，焊枪与工件的角度保持在80～85°之间，焊丝与工件的角度保持在10°左右。同时要注意焊道接头和收弧质量，收弧时应将熔池填满，各层焊接接头应错开，盖面层焊道应圆滑过渡到母材。
5 检验结果
按检验规程DL/T821、DL/T820-2002规定和DL/T869-2004质量标准要求，对T91钢焊缝进行100%射线检测并加50%超声波检测，1#、2#锅炉末级过热器T91钢焊口一次合格率分别为：97.57%和98.09%，达到了预期的目标。具体检验结果如表4所示。
6 结论
检验结果表明：末级过热器T91钢只要采用合理的焊接参数，严格控制对口间隙、预热温度、层间温度、焊接热输入量，运用正确的操作方法，合理安排焊接顺序，采取必要的工艺措施，严格执行焊接工艺规范，最大限度的减少了焊接“盲区”未熔合、焊缝根层“过烧”和根部未焊透接头的出现，并能获得优质的焊接接头，保证机组的运行可靠性和稳定性。
参考文献
[1]邹勇，梁亚军，薛龙，等.焊接机器人管道全自动打底焊研究[J].电焊机，2008（8）.
[2]樊立奎，邓伟.提高钨极氩弧焊不锈钢薄壁管质量的分析研究[J].钢管，2000（5）.
[3]王中文，姚智远.管道焊接中手工钨极氩弧焊（TIG）单面焊双面成形技术[J].平顶山工学院学报，2007（2）.
