火電廠管道異種鋼的焊接熱處理問題探討

鄧勇

【摘 要】機(jī)組容量越來越大的同時，合金鋼被也被廣泛的應(yīng)用，還對焊接熱處理工藝提出了更高的要求。焊件如果沒有恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)行焊后熱處理，可以引起很多的缺陷，部分缺陷能夠根據(jù)再一次新熱處理進(jìn)行糾正，然而部分缺陷不能挽回而形成廢品。

【關(guān)鍵詞】管道異種鋼；火電廠；焊接熱處理

引言

火電廠鍋爐和汽機(jī)管道都存在異種鋼的焊接，異種鋼焊接最關(guān)注的是可靠性和使用壽命問題。相對于同種鋼焊接而言，其焊接熱處理規(guī)范對異種鋼焊接接頭的組織、殘余應(yīng)力等會帶來更復(fù)雜的影響，熱處理不當(dāng)會加速火電站異種鋼焊接接頭的早期失效，甚至造成事故。本文主要就焊接熱處理對異種鋼焊接接頭的影響進(jìn)行討論。

1火電廠管道異種鋼焊接熱處理問題分析

1.1對碳元素的影響

（1）碳遷移

在異種鋼焊接中，若是出現(xiàn)碳遷移問題，則會導(dǎo)致熔合線附近出現(xiàn)擴(kuò)散帶，并在珠光體側(cè)形成脫碳層，同時，還會在相鄰?qiáng)W氏體焊縫側(cè)形成增碳層。當(dāng)脫碳層由原本的珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體之后，其本身的硬度會隨之減弱，進(jìn)而出現(xiàn)軟化，這樣一來極容易引起晶粒長大；而增碳層由于鉻的碳化物析出會表現(xiàn)出硬化狀態(tài)，從而使高溫強(qiáng)度大幅度下降，在這一過程中，焊縫位置處的脆性會隨之增大。此外，熱處理的時間越長、溫度越高，擴(kuò)散帶增大的幅度就越大。相關(guān)研究結(jié)果表明，當(dāng)異種鋼熔合線附近出現(xiàn)碳遷移時，其接頭位置處極有可能形成低應(yīng)力蠕變斷裂，由此會導(dǎo)致接頭失效。

（2）碳化物

相關(guān)研究結(jié)果表明，當(dāng)焊接熱處理的溫度≤650℃時，異種鋼碳化物的析出時間較長，并且會隨著時間的推移不斷長大；當(dāng)焊接熱處理的溫度≥675℃時，碳化物會先長大，并隨著時間的推移逐步變小。如果對異種鋼進(jìn)行焊接熱處理時溫度控制的不到位，則會對碳化物造成影響，這樣極有可能引起接頭早期失效。

1.2對網(wǎng)狀組織的影響

火電廠中有一些運(yùn)行環(huán)境較為特殊的管道采用的是高合金鋼，焊接熱處理會促進(jìn)此類鋼材網(wǎng)狀組織的形成。以高合金鋼中比較常見的奧氏體鋼為例，在焊接熱處理時，高溫會使碳化物的析出速度大幅度提升，由此會對奧氏體鋼的焊接接頭產(chǎn)生不利影響，若是碳化物沿著奧氏體晶界析出，則會形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種情況在母材的熱影響區(qū)比較常見。

2火電廠管道異種鋼的焊接熱處理要點

2.1熱處理工藝

（1）加熱和冷卻方法。第一，加熱方法需可以供給規(guī)定的金屬溫度和溫度的均衡性與溫度掌控，其主要是由封閉爐口加熱，局部火焰加熱，電阻、電感應(yīng)加熱等各種加熱方法所構(gòu)成；第二，冷卻方法需可以供給規(guī)定的冷卻速率，主要是由爐內(nèi)冷卻、空氣里冷卻、使用局部加熱及絕熱來掌控冷卻速率的方法所構(gòu)成。

（2）整體熱處理。焊后應(yīng)開展去掉應(yīng)力熱處理工作的管道組件，需盡量在熱處理爐里實施整體熱處理，然而此組件禁止配備有焊接閥門等構(gòu)件。

（3）分段熱處理。在焊接結(jié)束的管道組件應(yīng)實施去掉應(yīng)力熱處理，能進(jìn)行分段熱處理，在分段熱處理的過程中，不斷加熱的長度需要超過300mm。此外應(yīng)維護(hù)沒有進(jìn)行加熱的部分，從而避免不良的溫度梯度。

（4）局部熱處理。首先，在進(jìn)行接焊縫熱處理的過程中，需加熱其環(huán)形帶，加熱寬度是：把焊縫當(dāng)成是中心點，每端需要超過焊縫寬度的三倍，同時大于25mm。不在加熱區(qū)之內(nèi)的十米范圍以里需要進(jìn)行保溫，從而避免出現(xiàn)不良的溫度梯度。

其次，支管和主管間的焊縫熱處理，需緊扣主管環(huán)帶進(jìn)行加熱、同時需要涵蓋支管，到全部的管截面實現(xiàn)要求的溫度。加熱寬度由焊縫中心開始計算，需要超過六倍的主管壁厚，不在加熱帶之內(nèi)范圍的加以保溫，從而避免出現(xiàn)不良的溫度梯度。

2.2優(yōu)選焊接方法

在對異種鋼進(jìn)行焊接作業(yè)時，焊接方法的選擇至關(guān)重要，其除了與焊接質(zhì)量密切相關(guān)之外，還對焊接后的熱處理質(zhì)量有著一定影響。為此，應(yīng)當(dāng)遵循如下原則對異種鋼的焊接方法進(jìn)行選擇：應(yīng)當(dāng)確保所選的異種鋼焊接方法滿足相關(guān)的焊接質(zhì)量要求，最大限度地減小熔合比，借此來避免裂紋的產(chǎn)生，同時還應(yīng)充分考慮所選焊接方法的技術(shù)先進(jìn)性以及經(jīng)濟(jì)性。建議以焊條電弧焊作為首選，之所以選擇這種方法對異種鋼進(jìn)行焊接，主要是因為焊條的種類較多，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性；珠光體鋼與高鉻馬氏體鋼焊接，則可以二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊作為首選；高合金異種鋼的焊接盡量選用氬弧焊；比較簡單的異種鋼構(gòu)件，則可采用釬焊或是擴(kuò)散焊接等工藝。

2.3異種鋼焊接選材

異種鋼焊接選材原則：①在保證不產(chǎn)生裂紋等缺陷的前提下，若強(qiáng)度和塑性不能兼顧時，則應(yīng)選用塑性和韌性較好的焊接材料；②焊縫金屬性能只需要符合兩種母材中的一種，即可認(rèn)為滿足使用性能要求；③不同強(qiáng)度級別的強(qiáng)度用鋼焊接時，應(yīng)按強(qiáng)度較低的母材選用焊接材料；④工藝措施（如預(yù)熱、后熱等）則應(yīng)按強(qiáng)度高的母材要求來確定；⑤盡量采用好抗裂性能好的焊接材料，如堿性焊條；⑥如不能預(yù)熱或焊后熱處理時，可選用奧氏體不銹鋼焊條，以提高焊縫金屬的塑性和韌性；⑦為解決高合金鋼與低合金鋼焊接時對焊縫金屬的稀釋，可采用先堆焊隔離層、再焊接焊縫的方法；⑧在滿足使用性能要求的條件下，盡量選用工藝性能高價低且易得的焊接材料。

2.4火電廠異種鋼焊接

通俗的來講，即不同種材質(zhì)的鋼材通過焊接方法熔融在一起的過程成為異種鋼焊接。由于管道異種鋼在目前的火電廠異種鋼焊接中較為常見，其特殊性質(zhì)使得其在焊接熱處理過程中頻繁會出現(xiàn)各種問題。對異種鋼進(jìn)行焊接處理所使用的接頭與同種鋼焊接處理所使用的接頭有著本質(zhì)上的差異，其差異主要有。（1）化學(xué)成分的不均勻?；瘜W(xué)成分出現(xiàn)不均勻的主要原因在于進(jìn)行焊接加熱處理時，鋼管兩側(cè)母材的熔化量、熔敷金屬以及母材熔化區(qū)的成分由于“稀釋”作用而出現(xiàn)變化。再則鋼管的接頭處出現(xiàn)成分的不均勻除了受母材、填充金屬自身屬性的影響之外，還受到焊接工藝的影響。（2）組織的不均勻性。受焊接熱循環(huán)效應(yīng)的影響，導(dǎo)致異種鋼的連接處焊接區(qū)域的性質(zhì)出現(xiàn)不同，從而對個別區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。

2.5注意事項

①異種鋼的焊接必須在焊接工藝評定合格的前提下，依據(jù)該工藝的有關(guān)操作規(guī)程進(jìn)行作業(yè)，焊接現(xiàn)場的環(huán)境溫度應(yīng)當(dāng)與有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定要求相符，并且要設(shè)置有效的遮風(fēng)擋雨及防寒措施。②不允許在母材上的非焊接部位焊接臨時物、卡具等；在定位焊時，要檢查焊縫質(zhì)量，清除缺陷，對管材直徑較小的焊縫使用對口夾具，對管材直徑較大的焊縫使用臨時定位焊件。③在焊接之后，打磨好焊疤；合理確定定位焊縫的數(shù)量，控制好焊縫的厚度與長度，避免因定位焊過多而造成管材裂紋；若焊接選用鎳基材料，則要保證焊材清潔，并在焊接中控制好溫度，避免焊接面產(chǎn)生裂紋；在氬弧焊之后檢查焊縫的外觀是否存在缺陷，若無缺陷則繼續(xù)填充焊接。④在焊接過程中，嚴(yán)把收弧質(zhì)量，保證填滿熔池。若焊道接頭為多層，則要錯開接頭進(jìn)行焊接；在焊接中斷過程中，要采取后熱、緩冷、保溫等措施，有效避免裂紋的產(chǎn)生。

結(jié)束語

綜上所述，以對管道選擇恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚍榛A(chǔ)，管道焊接完成通過熱處理去掉金屬工件在冷熱加工階段里所制造的殘余應(yīng)力，可以有效保障管道的具體強(qiáng)度、抗疲勞度，最終防止變形、應(yīng)力腐蝕還有脆性斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。

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（作者單位：中國電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司）