SA213—SUPER304H超級(jí)不銹鋼焊接工藝

隗祖民

摘 要：該文通過(guò)對(duì)SA213-SUPER304H超級(jí)不銹鋼在超超臨界機(jī)組安裝焊接過(guò)程中的技術(shù)管理經(jīng)歷，結(jié)合自己從事火力發(fā)電廠焊接技術(shù)工作積累的豐富經(jīng)驗(yàn)及一定的工藝實(shí)驗(yàn)和理論知識(shí)，對(duì)該SA213-SUPER304H鋼材進(jìn)行了材料物理化學(xué)性能分析、焊接工藝難點(diǎn)分析以及相應(yīng)的措施制定，從而對(duì)該超級(jí)不銹鋼小徑管的焊接工藝的選擇、現(xiàn)場(chǎng)焊接施工中應(yīng)注意的事項(xiàng)及應(yīng)采取的措施等均有一定的探索，給往后火電安裝工程中該類鋼材的焊接積累和總結(jié)了一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：SA213-SUPER304H鋼 超級(jí)不銹鋼 焊接工藝

中圖分類號(hào)：TG457.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

為提高電站機(jī)組熱效率、降低煤耗和發(fā)電成本，減少SO2、CO2等污染氣體的排放量，世界各國(guó)均以發(fā)展大容量、高效率的超臨界甚至超超臨界機(jī)組為主要方向，以適應(yīng)環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源的要求。超超臨界機(jī)組是當(dāng)代火力發(fā)電廠的共同發(fā)展趨勢(shì)，鍋爐是火電機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備，其蒸汽參數(shù)達(dá)到26.25 MPa、600℃，這就要求開發(fā)出耐高溫性能更好的耐熱鋼，目前，世界先進(jìn)國(guó)家普遍采用的是新型細(xì)晶強(qiáng)韌化鐵素體耐熱鋼和新型細(xì)晶奧氏體耐熱鋼，SUPER304H就屬于新型細(xì)晶奧氏體耐熱鋼，主要應(yīng)用于超超臨界鍋爐高溫過(guò)熱器、高溫再熱器等重要部件。

1 材料物理化學(xué)性能的分析

SUPER304H鋼是日本在TP304H鋼中添加了3%Cu、0.4%Nb和一定量的N開發(fā)出的新型鋼種，該鋼種具有極高的蠕變斷裂強(qiáng)度，在600～650℃下的許用應(yīng)力比TP304H高30%，而且組織性能和力學(xué)性能穩(wěn)定，是超超臨界鍋爐過(guò)熱器、再熱器的首選材料。SUPER304H鋼的化學(xué)成分（%）為：C 0.07～0.13，Mn ≤1.0，Si≤0.03 ，S ≤0.01，P ≤0.04，NI 7.5～10.5，Cr 17～19，Cu 2.5～3.5，W 1.52，Nb0. 3～0.6 ，N0.05～0.12。其主要力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)≥235 MPa，抗拉強(qiáng)度≥590 MPa縱向延伸率（%）≥35硬度（HB）≤219。

SA213-SUPER304H鋼的化學(xué)成分，在鋼中加入適量的銅和鈮，是為了提高其持久強(qiáng)度、持久塑性、韌性和抗腐蝕性；而對(duì)高溫抗拉強(qiáng)度有較大影響的氮含量上限控制在0.12%，主要是考慮到運(yùn)行溫度下長(zhǎng)期時(shí)效后塑性下降。

2 焊接工藝難點(diǎn)分析

SA213-SUPER304H鋼在供貨狀態(tài)下是單一的奧氏體組織，焊接Cr、Ni純奧氏體鋼的主要問(wèn)題有三個(gè)，分別是焊接裂紋、接頭腐蝕和時(shí)效脆化。焊接純Cr、Ni奧氏體鋼容易出現(xiàn)高溫裂紋，他們是結(jié)晶裂紋、高溫液化裂紋、高溫脆性裂紋。若Cr、Ni奧氏體鋼在焊接以后經(jīng)過(guò)敏化，接頭可能發(fā)生晶間腐蝕；Cr、Ni奧氏體鋼的應(yīng)力腐蝕發(fā)生在含有CL-的介質(zhì)中，而且介質(zhì)溫度愈高，愈容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕，最容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕的溫度范圍是50～300℃。

2.1 焊縫熱裂紋問(wèn)題

力學(xué)因素：SUPER304H屬于奧氏體型不銹鋼，由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱性差，其電阻率是低碳鋼的4倍，而線膨脹系數(shù)卻很大，約是低碳鋼的2倍，所以焊后在接頭中會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。

冶金因素：奧氏體不銹鋼中的Ni與P，S等雜質(zhì)在熔池中易形成低熔點(diǎn)共晶，此外，奧氏體不銹鋼的液相線與固相線的距離較大，結(jié)晶時(shí)間較長(zhǎng)，且奧氏體結(jié)晶的枝晶方向性很強(qiáng)，所以雜質(zhì)偏析現(xiàn)象嚴(yán)重。

2.2 晶間腐蝕

冶金因素：Cr與C結(jié)合，在晶間形成碳化鉻，結(jié)果使晶界附近的含鉻量大為減少，形成貧鉻區(qū)，當(dāng)晶界附近的金屬含鉻量低于12%就失去了耐腐蝕的能力，在腐蝕介質(zhì)的作用下，即產(chǎn)生晶間腐蝕。

力學(xué)因素：產(chǎn)生晶間腐蝕的材料當(dāng)受到外力作用的時(shí)候，就會(huì)沿晶界斷裂，幾乎完全喪失強(qiáng)度。這是奧氏體不銹鋼最危險(xiǎn)的一種破壞形式，但是奧氏體不銹鋼不是任何時(shí)候都會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕，它與鋼的加熱溫度和加熱時(shí)間有關(guān)，產(chǎn)生晶間腐蝕的溫度為450～850℃（敏化溫度），尤其以650℃最為危險(xiǎn)。

3 焊接工藝難點(diǎn)的措施選擇

3.1焊接材料的選擇

選擇一種焊接工藝性能良好、焊縫金屬性能優(yōu)異的焊接材料是保證焊接接頭質(zhì)量的前提，采用了日本住友公司SUPER304H生產(chǎn)商開發(fā)的SUPER304H鋼的焊接材料YT-304H。其化學(xué)成分（%）為：

C 0.1， Mn 3.23，Mn 0.19， Si 0.19 ，S 0.003， P 0.008， NI 15.96， Cr 18.63 ，Cu 3.07， Mo 0.89， Nb+Ta 0.65，N 0.21。

采用的YT-304H焊材，含有Ta和Nb添加劑，可有效避免焊接熱裂紋的產(chǎn)生。Ta和Nb與C的結(jié)合力比Cr更強(qiáng)，從而使焊縫金屬獲得雙相組織：奧氏體+鐵素體，少量的鐵素體可以細(xì)化晶粒、打亂柱狀晶的方向和防止雜質(zhì)的聚集，鐵素體還可以比奧氏體溶解更多的雜質(zhì)，從而可以減少偏析現(xiàn)象，因此雙相組織的焊縫比單相奧氏體的焊縫具有較高的抗裂紋能力。

3.2層間溫度：防止晶間腐蝕的措施

采用小電流、快速、短弧多道焊，待先焊一層完全冷卻后再焊下一層，或用冷水澆等措施加速焊縫的冷卻，以盡量降低層間溫度，可有效防止晶間腐蝕。層間溫度不宜太高，控制在100℃以下最好。層間溫度過(guò)高將嚴(yán)重影響焊縫的沖擊韌性，為了控制層間溫度，不宜在同一地點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)施焊，而且焊接速度不能太慢。

3.3焊接電流、焊接速度

焊接電流是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，尤其是對(duì)于該類存在合金元素?zé)龘p及影響焊接接頭沖擊韌性的高合金鋼的焊接。焊接電流降得過(guò)低，由于熔池的鐵水黏度大，流動(dòng)性差，易造成未焊透、未熔合、夾渣等缺陷。焊接電流過(guò)大易造成合金元素的燒損，且關(guān)系的焊接線能量的輸入，而焊接線能量輸入大，焊縫金屬在高溫（1100℃以上）停留時(shí)間長(zhǎng)，晶粒長(zhǎng)大變脆，致使焊縫韌性降低。

3.4 背面保護(hù)

由于SA213-SUPER304H高合金材料存在根部層燒焦的現(xiàn)象，所以在焊接過(guò)程中我們要進(jìn)行焊口背面強(qiáng)制性充Ar保護(hù)，以確保焊接質(zhì)量。背面保護(hù)Ar氣流量為8～12 L/min。

4 現(xiàn)場(chǎng)焊接注意事項(xiàng)

由于是全氬弧焊接，而且該類材料主要用于高溫高壓部件，對(duì)焊接質(zhì)量要求很高，所以對(duì)各種影響焊接質(zhì)量的因素都應(yīng)高度重視，在具體的施工中以下幾點(diǎn)值得注意。

4.1坡口清理

對(duì)坡口上的油、漆、水份等特別敏感，一旦清理不干凈，很容易產(chǎn)生氣孔。

4.2沖氬封堵

實(shí)踐證明，在SA213-SUPER304H的焊接中，許多缺陷往往出現(xiàn)在沖氬封堵不嚴(yán)實(shí)、漏氣、氣體不純，缺陷多為燒焦、未熔合、未焊透等，所以充氬封堵后一定要認(rèn)真檢查。

4.3 打底焊

也是焊接的一個(gè)難點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)實(shí)際焊接位置差，不易看到整個(gè)管口，焊槍角度不易擺動(dòng)，所以如焊接規(guī)范不合適是很容易出現(xiàn)焊接缺陷的，特別是氣孔、燒焦、未焊透等。

4.4填充及蓋面層

如焊接時(shí)層間溫度達(dá)到超出上限，應(yīng)暫停焊接，等溫度下降到規(guī)定的溫度范圍內(nèi)后，才重新開始施焊，這樣雖然對(duì)生產(chǎn)率有一定的影響，但焊接質(zhì)量卻可得到保證。

參考文獻(xiàn)

[1]楊富.1000MW級(jí)超超臨界火電機(jī)組鍋爐用新型耐熱鋼的焊接[J].中國(guó)電力，2005，38（8）：48-52.

[2]王榮濱.18-8型奧氏體不銹鋼晶間腐蝕原因分析[J].材料保護(hù)，1999（11）：31-32.

[3]劉云朋.超級(jí)奧氏體不銹鋼904L的焊接[J].河南化工，2006，23（12）：39-40.