屏式過熱器SA213T91管屏膜流焊接技術(shù)

錢 丹，沈海峰，俞 苗，劉富家，朱力鋼

（杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司，浙江杭州310016）

屏式過熱器SA213T91管屏膜流焊接技術(shù)

錢 丹，沈海峰，俞 苗，劉富家，朱力鋼

（杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司，浙江杭州310016）

SA213T91鋼管制成的膜式壁管屏膜流焊接結(jié)束后在收弧位置出現(xiàn)了較多的收弧裂紋，在局部焊縫中心MT探傷發(fā)現(xiàn)縱向線性顯示，并在后續(xù)手工氣保焊返修后焊縫收弧位置MT探傷又發(fā)現(xiàn)了大量的線性顯示。針對(duì)上述問題進(jìn)行分析，找到缺陷產(chǎn)生原因，并提出解決措施，為SA213T91鋼管制成的膜式壁管屏在大型循環(huán)流化床鍋爐中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

SA213T91管屏；膜流焊接；裂紋缺陷

0 前言

SA213T91鋼是在9Cr-1Mo鋼化學(xué)成分基礎(chǔ)上適當(dāng)降低C、S、P含量并添加微量的V、Nb、N等合金元素的一種改進(jìn)型馬氏體耐熱鋼[1]，具有高溫強(qiáng)度高、抗蠕變性能和抗氧化性能好等優(yōu)點(diǎn)。與T22及12Cr1MoVG等傳統(tǒng)合金耐熱鋼相比，在相同的溫度、壓力條件下，鋼管壁厚大幅降低，材料用量可大為減少，并且還能提高設(shè)備使用的安全性[2]。近年來(lái)隨著電站機(jī)組容量的增大，設(shè)備參數(shù)不斷提高，SA213T91鋼越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于電站鍋爐的高溫過熱器等核心部件。

杭州鍋爐集團(tuán)公司設(shè)計(jì)的某型號(hào)循環(huán)流化床鍋爐，其屏式過熱器部件采用膜式壁窄節(jié)距結(jié)構(gòu)，管屏管子采用SA213T91材料，扁鋼采用SA387Gr91Cl2材料。在該屏式過熱器的制造過程中有兩大問題：一是膜流埋弧自動(dòng)焊結(jié)束后在收弧位置出現(xiàn)較多的收弧裂紋，在局部焊縫中心MT探傷發(fā)現(xiàn)了縱向線性顯示；二是在后續(xù)氣保焊返修后焊縫收弧位置MT探傷又發(fā)現(xiàn)了大量的線性顯示。針對(duì)上述兩個(gè)問題，從原材料、管屏結(jié)構(gòu)、制造過程以及缺陷特征等方面展開分析，找到缺陷產(chǎn)生原因，提出解決措施。

1 管屏制造過程簡(jiǎn)述

1.1 管屏材料及結(jié)構(gòu)形式

管屏結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 管屏結(jié)構(gòu)示意

管子材料SA213T91；管子規(guī)格為φ38.1 mm× 6.4 mm；管子數(shù)量為31支（一片管屏）；扁鋼材料SA387Gr91Cl2；扁鋼規(guī)格為6 mm×19.9 mm（不開坡口）。

1.2 膜流焊接及退火過程

1.2.1 管屏SAW膜流焊接

管屏采用1 600 mm埋弧拼排焊機(jī)焊接，由于管屏寬度超過焊機(jī)設(shè)備極限，分成兩個(gè)單元片制作，1個(gè)單元片由16根管子、15根扁鋼組成，另一單元片由15根管子、14根扁鋼組成，兩個(gè)單元片采用手工藥芯焊絲氣保焊拼接而成。焊前采用人工火焰預(yù)熱，工藝要求200℃～250℃，實(shí)際預(yù)熱溫度160℃～200℃，但個(gè)別位置存在過低（100℃）和過高（400℃）的情況，焊接工藝及參數(shù)見表1。SAW焊接完成后立即采用火焰繼續(xù)加熱，工藝要求后熱溫度為300℃～350℃，實(shí)際后熱溫度230℃～280℃，個(gè)別位置也存在過低和過高的情況，采用硅酸鋁纖維包裹緩冷。

表1 管屏SAW拼排焊接工藝及參數(shù)

1.2.2 退火工藝及過程

單元片管屏焊接完成后當(dāng)天進(jìn)爐進(jìn)行去應(yīng)力退火熱處理，退火工藝曲線如圖2所示。

圖2 退火工藝曲線

1.3 管屏探傷

單元片管屏退火完成后，經(jīng)外觀檢查和100% MT探傷發(fā)現(xiàn)主要存在以下問題，也就是“問題一”：

（1）90%的埋弧焊焊縫收弧位置都存在收弧裂紋缺陷，如圖3所示。

（2）埋弧焊焊縫中心局部位置出現(xiàn)MT縱向線性顯示，長(zhǎng)度20～30 mm，如圖4所示，其中最邊緣外側(cè)有一條焊縫斷斷續(xù)續(xù)都出現(xiàn)MT縱向線性顯示，其外觀表現(xiàn)如圖4所示。

2 “問題一”埋弧焊焊縫缺陷分析與解決

針對(duì)上述膜流埋弧自動(dòng)焊焊接缺陷，主要從原材料、管屏結(jié)構(gòu)、制造過程以及焊接缺陷特征等方面進(jìn)行原因分析，并提出解決方案。

圖3 埋弧焊焊縫收弧裂紋

圖4 埋弧焊焊縫中心MT縱向顯示

2.1 母材性能

SA213T91/SA387Gr91Cl2材料是中合金耐熱鋼，Cr、Mo、V等強(qiáng)碳化物元素含量高，具有高溫強(qiáng)度高、抗蠕變性能和抗氧化性能好等優(yōu)點(diǎn)，具體化學(xué)成分見表2，常溫力學(xué)性能見表3。根據(jù)國(guó)際焊接協(xié)會(huì)推薦的碳當(dāng)量公式[3]CE＝C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+ Cu）/15（單位：%）得出，SA213T91/SA387Gr91Cl2材料的碳當(dāng)量約為2.27%，因此該材料的可焊性較差。具體表現(xiàn)為：焊接時(shí)焊縫從高溫冷卻時(shí)易產(chǎn)生脆而硬的馬氏體組織，并且焊縫中的組織主要為柱狀晶，相較于母材的超細(xì)晶粒，焊縫組織的韌性明顯下降，在焊縫區(qū)擴(kuò)散氫和焊接殘余應(yīng)力的作用下，在焊縫金屬及熱影響區(qū)極易產(chǎn)生冷裂紋[4]。查閱該管屏使用的所有母材和焊材原材料質(zhì)保書和入廠驗(yàn)收資料，化學(xué)成分和機(jī)械性能均符合ASME相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 SA213T91/SA387Gr91Cl2材料的化學(xué)成分%

表3 SA213T91/SA387Gr91Cl2材料力學(xué)性能

2.2 管屏結(jié)構(gòu)

該管屏為膜式壁窄節(jié)距結(jié)構(gòu)，節(jié)距58 mm，焊縫密度高。在焊接過程中由于管子和扁鋼的收縮量和方向不同，在焊接這種管屏?xí)r，管子和扁鋼的交接處也就是焊縫根部存在較大的焊接殘余應(yīng)力。

2.3 制造過程

（1）采用人工火焰預(yù)熱，穩(wěn)定性不夠，導(dǎo)致管子受熱不均勻，存在局部溫度過熱和過低的現(xiàn)象，焊接和冷卻過程中容易產(chǎn)生粗大和淬硬的馬氏體組織，并且有較大的溫度應(yīng)力。

（2）埋弧焊焊接時(shí)，先焊接雙身管，再將雙身管拼成大排，管子與扁鋼在雙身管焊接后存在變形，在焊接后吊裝過程中只有一個(gè)支撐點(diǎn)，有彎曲變形，導(dǎo)致后續(xù)在拼大排過程中存在強(qiáng)制裝配的情況（特別是管屏與最外側(cè)雙身管焊接時(shí)，累計(jì)的焊接變形較大），產(chǎn)生較大的接頭拘束度，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。

2.4 焊接缺陷特征

（1）收弧裂紋缺陷。膜流埋弧自動(dòng)焊焊接時(shí)收弧較快，收弧處焊縫厚度較薄，冷卻速度相對(duì)較快，特別是SA213T91/SA387Gr91Cl2管屏因其母材特性和窄節(jié)距結(jié)構(gòu)特性，管屏的焊接應(yīng)力相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大，所以在埋弧焊焊縫收弧位置極易開裂。

（2）埋弧焊焊縫中心MT探傷縱向顯示，對(duì)此焊縫表面用角向砂輪進(jìn)行打磨，發(fā)現(xiàn)該處MT線性顯示為裂紋，并且發(fā)現(xiàn)該處裂紋已裂穿焊縫，如圖5所示。對(duì)該特征裂紋取樣進(jìn)行截面金相分析，焊縫截面如圖6所示，從50倍金相上來(lái)看（見圖7、圖8），根部位置的開口較大并伴有明顯的錯(cuò)位，焊縫表面的開口較小，該裂紋斷口具有發(fā)亮的金屬光澤的脆性斷裂特征，是一種無(wú)分叉的純斷裂；從100倍微觀金相上看（見圖9），該裂紋斷口為明顯的穿晶特征，伴隨有少量的沿晶特征，從500倍焊縫組織上看（見圖10），局部存在馬氏體組織粗大的情況；從焊縫外觀看，開裂處的焊縫外觀成形相對(duì)于沒有開裂的焊縫成形不夠飽滿，焊縫熔深較淺，厚度較薄。從上述特征判斷，該裂紋的起裂點(diǎn)應(yīng)該在焊縫根部，是由焊縫根部向焊縫表面擴(kuò)展。

圖5 打磨后外觀顯示為裂紋

圖6 裂紋焊縫截面

圖7 裂紋焊縫截面金相①

圖8 裂紋焊縫截面金相②

圖9 裂紋焊縫截面金相

圖10 裂紋焊縫組織金相

2.5 “問題一”解決方案

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)：（1）該實(shí)驗(yàn)管屏出現(xiàn)收弧裂紋是由于膜流埋弧焊焊接特性以及SA213T91/SA387Gr91Cl2管屏母材特性和窄節(jié)距結(jié)構(gòu)特性共同作用下產(chǎn)生的，按目前這種情況來(lái)說(shuō)只能控制收弧裂紋在后續(xù)不出現(xiàn)延伸和擴(kuò)展，無(wú)法完全根除。根據(jù)制作91管屏的經(jīng)驗(yàn)，管屏SAW焊接完成后24 h之內(nèi)進(jìn)行進(jìn)爐去應(yīng)力退火，可以有效地控制收弧裂紋長(zhǎng)度，完全做到不延伸和擴(kuò)展。（2）該管屏焊縫中心的裂紋是由硬而脆的馬氏體組織和焊接應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的冷裂紋。要避免這種裂紋的產(chǎn)生應(yīng)從控制焊接應(yīng)力和避免產(chǎn)生淬硬馬氏體組織入手，主要有以下措施：①焊接預(yù)熱盡可能均勻和到位，增加火焰加熱密度和寬度，增加測(cè)溫裝置，嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度范圍；②焊接完成后立即進(jìn)行有效的后熱緩冷處理，使馬氏體組織充分轉(zhuǎn)變，自由氫完全逸出，避免產(chǎn)生淬硬組織和自由氫殘留；③膜片吊裝過程中采用專用吊裝工裝保證管片平直，防止管片出現(xiàn)彎曲變形；④埋弧焊結(jié)束24 h內(nèi)進(jìn)行退火處理，能有效去除焊接應(yīng)力。

通過采用上述措施，采用膜流埋弧自動(dòng)焊制作的系列新SA213T91管屏成功解決了上述“問題一”，除埋弧焊收弧焊縫位置存在少量收弧裂紋外，其他焊縫MT探傷均一次合格，如圖11、圖12所示。

圖11 膜流焊縫退火后外觀形貌

圖12 膜流焊縫退火后100%MT探傷

3 管屏埋弧焊缺陷返修

針對(duì)上述管屏膜流埋弧焊缺陷，采用CO2藥芯焊絲氣保焊（FCAW）進(jìn)行返修。

3.1 CO2藥芯焊絲氣保焊（FCAW）返修過程

返修過程：①根據(jù)MT顯示位置，采用砂輪打磨去除缺陷，MT探傷確認(rèn)缺陷完全消除；②采用履帶式加熱器對(duì)管屏進(jìn)行整體預(yù)熱到200℃～250℃；③選派持證優(yōu)秀焊工，采用如表4所示的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接；④焊后立即加熱到300℃～350℃保溫2 h進(jìn)行后熱消氫處理。

表4 管屏FCAW返修焊接工藝及參數(shù)

3.2 FCAW返修焊縫探傷結(jié)果

FCAW返修完成24h后，對(duì)返修處進(jìn)行100%MT探傷，發(fā)現(xiàn)主要存在以下問題，也就是“問題二”。

（1）FCAW返修焊縫收弧位置出現(xiàn)典型的弧坑裂紋，其焊縫外觀形貌如圖13所示，其50倍截面金相如圖14所示。

圖13 FCAW返修焊縫收弧裂紋外觀形貌

圖14 收弧裂紋截面金相形貌

（2）FCAW返修焊縫收弧位置MT探傷為線性顯示，其焊縫外觀形貌如圖15所示，經(jīng)打磨后發(fā)現(xiàn)為氣孔，如圖16所示。

圖15 FCAW返修焊縫收弧位置MT線性顯示

圖16 MT線性顯示位置打磨為氣孔

3.3 “問題二”氣保焊返修焊縫缺陷分析

（1）FCAW返修焊縫弧坑裂紋主要原因是合金含量較高的SA213T91/SA387Gr91Cl2在焊接收弧位置容易產(chǎn)生成分偏析，加之焊接區(qū)域存在未清理干凈的雜質(zhì)，很容易在收弧位置形成低熔點(diǎn)共晶[5]，使弧坑位置成為脆弱區(qū)。若應(yīng)力處理不當(dāng)，則很容易造成弧坑區(qū)被拉裂的情況，所以類似這種合金含量比較高的材料特別是管屏結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大的情況，應(yīng)盡量避免采用藥芯焊絲氣保焊。

（2）FCAW返修焊縫收弧位置MT探傷為線性顯示、其實(shí)為氣孔缺陷，而在傳統(tǒng)觀念中普遍認(rèn)為MT探傷顯示為線性時(shí)應(yīng)該為裂紋缺陷，所以這個(gè)發(fā)現(xiàn)值得思考，特別是鍋爐汽包焊縫MT探傷時(shí)也會(huì)存在這種誤判。針對(duì)氣孔缺陷形成的原因，認(rèn)為主要是CO2藥芯焊絲氣體保護(hù)焊本身特性決定的，焊工在焊接收弧時(shí)若處理不當(dāng)，則在收弧區(qū)很容易產(chǎn)生氣孔缺陷[6]。

3.4 “問題二”氣保焊焊縫缺陷返修

針對(duì)上述FCAW返修焊縫收弧處缺陷，重新制定采用氬弧焊進(jìn)行返修的方案，返修過程為：①根據(jù)MT顯示位置，采用砂輪打磨去除缺陷，并MT探傷確認(rèn)缺陷是否完全消除；②清理返修焊縫，使該區(qū)域及周圍母材露出金屬光澤；③采用火焰對(duì)返修區(qū)域及周圍200mm范圍內(nèi)預(yù)熱200℃～250℃；④選派持證優(yōu)秀氬弧焊焊工，采用如表5所示的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接；⑤氬弧焊時(shí)注意將收弧收到扁鋼位置，如圖17所示，焊接完成后立即打磨去除該收弧點(diǎn)，如圖18所示；⑥焊后立即加熱到300℃～350℃硅酸鋁纖維覆蓋緩冷。

表5 管屏GTAW返修焊接工藝及參數(shù)

表17GTAW返修焊縫收弧位置

表18GTAW返修焊縫收弧位置打磨

3.5 氬弧焊返修探傷結(jié)果

GTAW返修完成24h后，對(duì)返修處進(jìn)行100%MT探傷，全部合格。

3.6 返修焊縫熱處理

管屏返修完成后再次進(jìn)爐進(jìn)行去應(yīng)力退火熱處理，其退火工藝曲線如圖19所示。

3.7 管屏熱處理后復(fù)探

熱處理完成后對(duì)整片管屏進(jìn)行100%MT探傷，全部合格。

圖19 返修后退火工藝曲線

3.8 管屏母材硬度檢測(cè)

經(jīng)過上述兩次退火過程，檢測(cè)該管屏SA213T91管子母材硬度，結(jié)果顯示母材布氏硬度為HB 200～210，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

在制作屏式過熱器SA213T91/SA387Gr91Cl2管屏?xí)r要注意以下問題：（1）膜流焊接時(shí)預(yù)熱應(yīng)均勻和到位，嚴(yán)格控制焊接預(yù)熱溫度；（2）焊后立即進(jìn)行后熱消氫處理；（3）膜片在吊裝過程中采用專用吊裝工裝保證膜片平直，防止膜片出現(xiàn)彎曲變形；（4）膜流埋弧焊結(jié)束24 h內(nèi)進(jìn)行退火處理，有效去除焊接應(yīng)力；（5）局部焊縫返修盡可能采用氬弧焊，并打磨收弧位置，防止出現(xiàn)收弧裂紋；（6）返修后及時(shí)進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，退火完成后進(jìn)行MT探傷檢測(cè)合格。目前，通過該方案制作的系列循環(huán)流化床SA213T91/SA387Gr91Cl2屏式過熱器已在工地現(xiàn)場(chǎng)順利運(yùn)行，并運(yùn)行良好。

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The membrance wall welding technology of SA213T91 platen superheater

QIAN Dan，SHEN Haifeng，YU Miao，LIU Fujia，ZHU Ligang
（Hangzhou Boiler Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310016，China）

There were amount of cracks appeared at quenching arc area of SA213TP91 membrance wall automatic submerged arc welding.The defect displayed in longitudinal linear checked by MT.The cracks appeared in the same place when the welding procedure had replaced by manual FCAW.Analysis and research were carried out to find the root reason for defects，and corrective actions were applied in the follow product successfully.It laid the foundation for the SA213TP91 membrance wall application in large circulating fluidized bed boiler.

SA213T91platen superheater；membrance wall welding；crack defect

TG457.1

B

1001－2303（2017）02－0041-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.08

2016-09-29；

2016-10-08

錢 丹（1984—），女，浙江嵊州人，工程師，學(xué)士，主要從事鍋爐和壓力容器焊接工藝的研究工作。

獻(xiàn)

錢丹，沈海峰，俞苗，等.屏式過熱器SA213T91管屏膜流焊接技術(shù)[J].電焊機(jī)，2017，47（02）：41-46.