火電廠管道異種鋼的焊接熱處理問題分析

劉子豪

（中國電建集團(tuán)山東電力建設(shè)第一工程有限公司，山東濟(jì)南 250102）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，機(jī)組容量也變得越來越大，合金鋼也因此得到廣泛應(yīng)用，這些都對(duì)焊接熱處理的工藝提出了更高要求。一旦焊件的焊后熱處理不適當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致工程的質(zhì)量缺陷，有一些缺陷可以通過再一次的新熱處理糾正，但是還有一些缺陷無法挽回，最后只能作為廢品處理。所以處理完善火電廠管道異種鋼的焊接熱處理工藝和問題有利于節(jié)約成本和資源，提高工程質(zhì)量。

1 異種鋼概述

顧名思義，異種鋼是有一定差異的2 種鋼種，這種差異體現(xiàn)在焊接接頭兩端的母材的組織、功能、化學(xué)構(gòu)成等方面，把這兩種不同的鋼種進(jìn)行焊接的接頭即為異種鋼接頭。這種異種鋼焊接的構(gòu)造在我國的大型火電站的高參數(shù)機(jī)組中有著廣泛的應(yīng)用。由于異種鋼的特殊性質(zhì)，所以其在進(jìn)行焊接熱處理時(shí)會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)一些問題，異種鋼焊接的接頭和同種鋼焊接的接頭的本質(zhì)上就存在著的差異，體現(xiàn)在2 個(gè)方面。

（1）二者的化學(xué)成分并不均勻，造成這一差異的原因主要原因是在進(jìn)行焊接加熱處理時(shí)，在兩側(cè)母材采取的熔敷金屬、母材熔化區(qū)的成分和融化量因“稀釋”作用發(fā)生了變化。除此之外，出現(xiàn)化學(xué)成分不均勻的原因還可能是焊接工藝造成的。

（2）二者的組織并不均勻，異種鋼在連接位置的區(qū)域性質(zhì)因?yàn)楹附訜嵫h(huán)效應(yīng)而有所不同。

2 火電廠管道的異種鋼焊接熱處理時(shí)出現(xiàn)的問題

2.1 影響碳元素

異種鋼在進(jìn)行焊接熱處理時(shí)會(huì)使碳元素由低合金一側(cè)向高合金一側(cè)遷移，進(jìn)而加大了碳前移層的寬度。具體表現(xiàn)為碳遷移和碳化物。

2.1.1 碳遷移問題

在進(jìn)行異種鋼的焊接過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)碳遷移的問題。熔合線周圍會(huì)因碳遷移而出現(xiàn)擴(kuò)散帶，珠光體一側(cè)會(huì)因此出現(xiàn)脫碳層，相鄰的奧氏體焊縫的一側(cè)也會(huì)有增碳層出現(xiàn)。如果脫碳層由珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，自身硬度就會(huì)因此降低并出現(xiàn)軟化的現(xiàn)象，進(jìn)而就很容易導(dǎo)致晶粒長大；此外，增碳層會(huì)因?yàn)殂t的碳化物的析出會(huì)而出現(xiàn)硬化的狀態(tài)，這樣一來就大幅度地降低了高溫強(qiáng)度，還會(huì)導(dǎo)致焊縫處的脆性增大。除此之外，擴(kuò)散帶擴(kuò)散的幅度會(huì)隨著熱處理的時(shí)間和溫度的提高而擴(kuò)大?；仡櫼酝难芯拷Y(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果異種鋼的熔合線四周有碳遷移問題，其接頭位置附近可能會(huì)出現(xiàn)低應(yīng)力蠕變，進(jìn)而發(fā)生斷裂，異種鋼接頭就會(huì)失效。

2.1.2 碳化物問題

回顧以往的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果進(jìn)行焊接熱處理的溫度＜650 ℃，異種鋼的碳化物析出的時(shí)間就會(huì)比較長，且時(shí)間越長，碳化物就越大；如果進(jìn)行焊接熱處理的溫度＞675 ℃，異種鋼的碳化物就會(huì)先長大，但是時(shí)間越長，其體積就會(huì)越來越小。所以說，在進(jìn)行火電廠管道的異種鋼焊接熱處理的過程中，要注意對(duì)熱處理溫度的控制，以避免異種鋼析出的碳化物對(duì)異種鋼的接頭位置產(chǎn)生影響并因此導(dǎo)致早期失效。

2.2 影響網(wǎng)狀組織

由于火電廠的一些工作需要在特殊的環(huán)境下運(yùn)行，這些環(huán)境下的管道采用的材料一般都是高合金鋼，在進(jìn)行焊接熱處理時(shí)會(huì)推動(dòng)形成這種鋼材的網(wǎng)狀組織。比如說，在進(jìn)行高合金鋼的熱處理時(shí)，其中的奧氏體鋼會(huì)在高溫條件下加速析出碳化物，這就會(huì)對(duì)奧氏體鋼接頭產(chǎn)生影響。如果碳化物是沿著奧氏體晶界而析出的，還很容易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，尤其是在母材熱影響區(qū)。

2.3 氣孔問題

一般來說，在進(jìn)行火電廠管道異種鋼的焊接熱處理時(shí)出現(xiàn)氣孔的問題的主要原因如下。

（1）對(duì)焊縫的清理不夠徹底，導(dǎo)致出現(xiàn)了氣孔。

（2）相關(guān)的焊接人員的技術(shù)不夠熟練，導(dǎo)致在焊接過程中人為地造成了氣孔。

（3）在異種鋼的焊接過程中使用的電流過大，異種鋼中的硅和錳大量被燒損，所以就只能在熔池中通過碳元素進(jìn)行脫氧反應(yīng)，但是碳元素會(huì)在熔池中和氧氣發(fā)生反應(yīng)形成一氧化碳，進(jìn)而產(chǎn)生了氣孔。

（4）在進(jìn)行異種鋼焊接時(shí)，所使用的熔池面積過大，對(duì)氣渣的保護(hù)不良，導(dǎo)致空氣進(jìn)入到熔池中出現(xiàn)了氣孔。

2.4 夾渣問題

夾渣也是異種鋼在進(jìn)行焊接熱處理時(shí)常見的問題，造成夾渣的主要原因如下。

（1）焊接時(shí)坡口的形狀不規(guī)則，很多的坡口過窄，熔渣不容易上浮，進(jìn)而導(dǎo)致焊接時(shí)出現(xiàn)夾渣。

（2）在進(jìn)行多層焊接時(shí)沒有清理干凈熔渣。

2.5 內(nèi)凹問題

異種鋼在進(jìn)行焊接熱處理時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)內(nèi)凹問題，造成內(nèi)凹的主要原因如下。

（1）焊接的對(duì)口的間隙過大，而鈍邊過寬過薄。

（2）焊接時(shí)的熔池溫度高，同時(shí)還在熔池的特定地區(qū)的時(shí)間過長，但是施工人員并沒有恰當(dāng)?shù)乜刂迫鄢販囟取?/p>

（3）由于進(jìn)行焊接熱處理時(shí)所用的電弧拉長，且推力不夠、沒有采用仰焊的位置增強(qiáng)推力，就形成了內(nèi)凹缺陷。

3 處理火電廠管道異種焊接的熱處理問題對(duì)策

3.1 提高技術(shù)

3.1.1 方法的選擇

進(jìn)行異種鋼焊接作業(yè)時(shí)選擇的焊接方法十分重要，會(huì)直接影響到作業(yè)的質(zhì)量。所以在選擇異種鋼焊接方法時(shí)要注意盡可能地滿足對(duì)焊接質(zhì)量的要求，還要盡可能地減小熔合比，避免裂紋的產(chǎn)生，并且還要盡量滿足選擇的焊接方法的經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性。比如，把焊條電弧焊當(dāng)作首選，因?yàn)槠浜笚l的種類比較多，適應(yīng)性比較強(qiáng)；如果是高鉻馬氏體鋼和珠光體鋼進(jìn)行焊接，就可以首先選擇二氧化碳的氣體保護(hù)焊；如果是高合金的異種鋼進(jìn)行焊接就可以選用氬弧焊；如果是比較簡單的異種鋼進(jìn)行焊接，則可以選擇釬焊或擴(kuò)散焊接。

3.1.2 優(yōu)選材料

在選擇異種鋼的焊接材料時(shí)，首先要考慮材料的塑性，焊接材料對(duì)塑性的要求比較高，只要焊縫金屬性能符合對(duì)其中一種母材屬性的要求，那么這種焊材被采用。在選擇異種鋼焊接的材料時(shí)要注意：

（1）要盡量不產(chǎn)生缺陷，如裂紋等，如果不能兼顧塑性和強(qiáng)度，就可以選擇韌性和塑性都比較好的材料。

（2）只要選擇了符合焊縫金屬性能的2 種母材之一，就認(rèn)為其滿足了使用性能的要求。

（3）在選擇不同強(qiáng)度的焊接用鋼時(shí)，要從強(qiáng)度比較低的母材中的材料中選擇。

（4）如果預(yù)熱等工藝的措施不同，進(jìn)行選擇時(shí)要根據(jù)高強(qiáng)度的母材來確定。

（5）選擇材料時(shí)要盡量選擇高抗裂性的材料，比如堿性焊條。

（6）在不能預(yù)熱或無法進(jìn)行焊后熱處理的情況下，可以通過奧氏體不銹鋼的焊條，優(yōu)化焊縫金屬的塑性、韌性等特性。

（7）如果進(jìn)行的是低、高合金鋼的異種鋼焊接，則首先要稀釋焊縫金屬。

（8）在盡量滿足使用性能的前提下，要盡量選擇工藝性能比較高且價(jià)低易得的性價(jià)比高的焊接材料。

3.2 優(yōu)化工藝

3.2.1 事前準(zhǔn)備

在進(jìn)行焊接之前，要將管道周圍的溫度計(jì)、孔板等相關(guān)的儀表拆除，還要注意保護(hù)拆出口；此外，還要檢查進(jìn)行焊接熱處理要用的設(shè)備如電加熱器、記錄儀、熱處理設(shè)備、補(bǔ)償導(dǎo)線等的質(zhì)量，在保障設(shè)備正常運(yùn)行的前提下，還要把這些檢校合格設(shè)備到監(jiān)理工程師處審核，再經(jīng)過審核后才可以投入使用，此外要對(duì)需要進(jìn)行焊接熱處理的焊縫數(shù)量有一個(gè)精準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)，如果異種鋼的材料是鎳基材料，還要在進(jìn)行焊接前做好清潔工作。

3.2.2 檢查工作

如果焊接的對(duì)象是室外的管道，則在進(jìn)行施工前要搭設(shè)好防風(fēng)雨棚，盡量減小天氣變化對(duì)異種鋼焊接熱處理的影響，同樣，還要注意檢查進(jìn)行異種鋼焊接熱處理的周圍環(huán)境條件，使之滿足相關(guān)的要求，保證環(huán)境內(nèi)沒有無關(guān)的物品。在進(jìn)行異種鋼熱處理之前，可以提前全面地檢查其準(zhǔn)備工作的情況，包括選擇的測溫點(diǎn)是否合理等，只有檢查通過了，焊接熱處理工作才能繼續(xù)；此外，還要進(jìn)行焊接熱處理焊縫的探傷，只有保證了前一步的焊接工作的尺寸、規(guī)格等都合格，才可以進(jìn)行下一步的工作，如果發(fā)現(xiàn)了不合格的問題，就必須返修，待完工后再次進(jìn)行探傷，技術(shù)人員切不可抱有僥幸心理。

3.2.3 預(yù)防缺陷

管道的焊后熱處理的關(guān)鍵是局部熱處理，且通常是通過高溫回火的方式實(shí)現(xiàn)的。熱處理的主要因素包括：升降溫的速度、保溫的時(shí)長、保溫的溫度。如果這些因素出現(xiàn)了錯(cuò)誤都會(huì)影響熱處理的效果。所以，想要預(yù)防缺陷就必須要嚴(yán)格深入地按照工藝標(biāo)準(zhǔn)施工，禁止自行改變工藝信息，以防止人為缺陷。此外，在進(jìn)行熱處理之前要做好如審核、測試、校對(duì)等準(zhǔn)備工作，這些準(zhǔn)備工作需要由有資質(zhì)的、專業(yè)的工作人員進(jìn)行，以保證校對(duì)、檢測的結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確。

3.2.4 對(duì)缺陷的熱處理

（1）過熱。如果焊件退火時(shí)在斷口上出現(xiàn)了粗大的晶粒，或者在淬火的斷口上出現(xiàn)了比較粗的馬氏體形狀，這大多是因?yàn)樵谶M(jìn)行加熱時(shí)的加熱工藝不熟練，如：因?yàn)榧訜岬臏囟忍?、處在高溫的時(shí)間太長，就導(dǎo)致構(gòu)造粗化，進(jìn)而降低了焊件的塑性、硬度和韌度，甚至?xí)?dǎo)致裂紋的出現(xiàn)。如果想要避免過熱的問題，就需要深入掌控加熱的溫度，還要盡量減少停留在高溫的時(shí)間，如果出現(xiàn)了嚴(yán)重的過熱，就要對(duì)此焊件進(jìn)行再次的退火。

（2）過燒。除了斷口出現(xiàn)了粗大的晶粒，如果在晶粒間匯集了低熔點(diǎn)的物質(zhì)和氧化物，就說明晶粒間的邊緣出現(xiàn)了熔化和氧化的現(xiàn)象。這是因?yàn)榧訜岬臏囟冗^大（＞1300 ℃），并且在高溫的狀態(tài)下保溫的時(shí)間過長，過燒后會(huì)短時(shí)間內(nèi)降低焊件的塑性、硬度和韌度。一旦出現(xiàn)過燒，焊件就無法補(bǔ)救，因此必須要落實(shí)熱處理的標(biāo)準(zhǔn)，還要禁止焊件接觸氧化性的火焰。

（3）變形和開裂。在焊接中焊件經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)宏觀裂紋和變形。造成變形和開裂的原因首先是出現(xiàn)了焊件的內(nèi)應(yīng)力，出現(xiàn)的原因是因?yàn)樵诩訜崂鋮s的過程中，焊件內(nèi)外的溫度失衡，導(dǎo)致焊件的體積膨脹或收縮，這些差異導(dǎo)致了熱應(yīng)力；其次是由于焊件體積的不均衡改變，導(dǎo)致出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)應(yīng)力，焊件屈服上限小于應(yīng)力，所以出現(xiàn)了變形，如果大于了焊件的強(qiáng)度上限，則會(huì)出現(xiàn)裂紋，此時(shí)就需要返工，這就增加了工作量和資金投入，還浪費(fèi)了資源。

（4）硬度升高。在回火結(jié)束后，如果檢測值不符合規(guī)定的范圍，這就是因?yàn)榛鼗鸬臏囟忍颓冶氐臅r(shí)間太短，如果溫度過高同樣會(huì)導(dǎo)致硬度升高。硬度上漲就會(huì)減弱韌度和塑性。想要解決這一問題就只能再次回火，嚴(yán)格控制回火多的溫度和保溫的時(shí)間。

（5）脫碳和氧化。脫碳和氧化是在高溫加熱鋼的過程中不容易進(jìn)行預(yù)防的問題，并且還可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。加熱的溫度越大、高溫下保溫的時(shí)間越久，脫碳和氧化的現(xiàn)象就會(huì)越明顯。想要避免脫碳和氧化的問題，就要在熱處理時(shí)精準(zhǔn)地掌控加熱的溫度和時(shí)間，如果選擇了火焰熱處理，就要選擇還原性、中性的火焰，還要注意禁止火焰的氧化性超標(biāo)。

4 結(jié)語

目前，隨著火電廠技術(shù)的不斷進(jìn)步和更新，異種鋼焊接熱處理技術(shù)作為火電廠的關(guān)鍵技術(shù)也有著發(fā)展，但是由于其特殊的性質(zhì)，在焊接熱處理時(shí)不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些問題，影響焊接的質(zhì)量，所以必須要深入掌握異種鋼焊接的技術(shù)，分析火電廠管道異種鋼的焊接熱處理問題，并提出提高焊接技術(shù)、優(yōu)化焊接水平的對(duì)策。希望可以提高異種鋼焊接的成效性和可靠性，保證焊接管道異種鋼的質(zhì)量，期望本文可以為火電廠管道異種鋼的更廣泛應(yīng)用和火電廠的順利運(yùn)行提供一些建議和參考。