大唐吉木萨尔五彩湾北一发电有限公司 新疆自治区昌吉州 831700
摘要：本文通过对T92钢的性能简介及焊接性的分析，提出了T92钢的焊接（热处理）工艺及焊接专项技术方案，并总结了T92钢现场焊接的质量控制要点，对T92钢的焊接具有一定的参考价值。
关键词：T92钢焊接 焊接工艺 质量控制
引言
大唐吉木萨尔五彩湾北一发电有限公司新建2X660MW机组是超超临界火力发电机组，由东方锅炉股份有限公司制造，锅炉型号为：DG1978.88/28.25-Ⅱ12，蒸汽出口温度为603℃，压力28.25MPa，高温过热器出口管排、高温再热器出口管排等管道的材质，采用的是T92钢材。本文针对T92钢的性能和焊接特点，制定了较为科学合理的焊接工艺及严格的质量控制措施。
1 T92钢的性能简介
1.1 T92钢是以SA-213T91钢为基础进行改进的，降低Mo、添加W，并在合理的W、Mo含量配比后添加一定的Ni，开发出了具有更高蠕变断裂强度的9Cr-0.5Mo-2W系列的NF616钢，欧洲实践经验表明，T92材料适用于锅炉外部的零部件，如管道和集箱，蒸汽温度可高达625℃。使用这种钢材，可以明显减轻锅炉和管道部件的重量。
1.2 T92钢为铁素体系列中的马氏体耐热钢，高温蠕变强度是T92钢最重要的性能，2005年欧洲蠕变委员会公布的T92钢600℃、10万小时蠕变断裂强度为113MPa，610℃、10万小时蠕变断裂强度为100MPa。
SA-213T91与T92钢化学成份范围见表1，母材热处理规范和常温机械性能要求见表2。
表1 SA-213T91与T92材料成份对比
表2 T92钢热处理规范及常温机械性能要求
2 T92钢焊接性分析
2.1 T92钢焊接的主要问题是如何避免产生焊接裂纹。此钢作为马氏体耐热钢，存在一定的焊接残余应力，焊接热循环条件下，冷却速度控制不当，易导致淬硬的马氏体组织的形成，焊接接头刚度过大或氢含量没得到严格控制，有可能产生冷裂纹。
2.2 T92钢焊缝韧性低，焊接过程中，焊缝金属由高温熔融状态冷却形成固态铸造组织，熔池从高温快速冷却凝固过程中，Nb、V等微合金化元素仍大量固溶在金属中，未来得及析出，降低了焊缝韧性，而W的存在加剧了焊缝金属韧性的降低倾向。
2.3 T92钢焊接接头热影响区存在一个蠕变断裂强度降低的区域，导致焊接接头的寿命低于母材的寿命。此钢在高温长期运行中，往往会在焊接热影响区的“细晶区和部分重结晶区”（AC3附近或AC3—AC1区间）出现一种无明显塑性变形的低应力蠕变断裂，造成焊接接头蠕变断裂寿命低于母材和焊缝的现象。断裂前产生的裂纹按位置分类称为Ⅳ型裂纹，一般是蠕变损伤造成，多数从靠近壁厚中心部位开始产生裂纹，最后扩展到表面。
3 焊接工艺控制
3.1 焊接材料选用
根据母材的化学成分和力学性能，我们选择了冲击韧性高、性能优良、易操作的MTS616焊材。焊缝金属化学成分应与所焊接的母材基本一致
表3 焊丝化学成分表
3.2严格的预热措施 合适的预热温度对于减小焊缝冷裂纹、特别是改善焊缝韧性很重要。T92钢的氩弧焊预热温度为150～200℃。预热方法采用电加热，加热片和保温棉的宽度必须满足要求，以便保证预热温度。
（1）预热温度的测量
为了测温更准确，实际预热温度采用现场测温，热电偶测定的温度只是作为升温的依据。温度测量工作由持证的热处理工负责，当温度升至设定温度时，热处理人员用远红外测温仪沿着坡口的根部均匀测量，并做好记录，焊接技术人员现场检查确认。测温在氩弧焊打底前和打底后及填充盖面前各实测一次，均达到预热温度要求后，方可进行焊接。
（2）热电偶的布置、加热器和保温棉绑扎
热电偶的布置、加热器和保温棉绑扎工作，由持证的热处理工，在热处理技术员的指导监督下完成。热电偶数量不少于两个，且对称分布于坡口两侧25-35mm处，加热宽度必须达到要求，并空出焊缝部位；保温材料包扎时必须覆盖整个加热器，并空出焊缝部位。水平管焊缝，保温材料下部包厚一点，上面薄一点，以便温度均匀。
3.3 采取有效的充氩保护措施
T92钢焊接过程中为防止根层焊缝金属氧化，焊接前在管道内进行充氩气保护，对口间隙用耐高温胶带粘贴。内充氩方法如下：
（1）充氩保护范围以坡口中心为准，对口前在每侧各200-300mm范围内，贴上3-4层可溶纸，用耐高温胶带粘牢，做成密封气室，进行层层保护。仔细检查确保可溶纸粘牢，然后用耐高温胶带纸，沿着管径由下往上把坡口间隙粘起来，在接头处留下一个小孔以便排空气，待密封气室内的空气排净后，方可施焊。检查时用打火机或小纸条点燃后移到排气孔处，如果火焰立即熄灭则表明空气排净，可以进行施焊，否则继续等待直至空气排净。
（2）充氩时，把充氩软管的端部从焊缝坡口处塞入管道内进行充氩，焊缝坡口处留的排气孔外都用耐高温胶带或者岩棉封严。开始的充氩流量可为（10～20）L/min，在氩弧焊施焊开始后，流量应保持在（8～10）L/min。在氩弧焊打底过程中，应经常检查气室中氩气的充满程度，随时调节充氩流量。氩弧焊施焊临近结束时，即氩弧焊封口时，应减小氩气流量，具体流量在实际施工中进行调节。
3.4 控制焊接线能量
如果焊接线能量大，焊缝金属在高温（1100℃以上）停留时间长，晶粒长大变脆，会导致焊缝韧性降低，焊接热影响区软化乃至产生Ⅳ型裂纹。因此T92钢焊接时尽可能的采用小线能量，以减少碳化物的析出量和铁素体含量，防止马氏体晶粒长大，从而提高焊缝的冲击韧性。T92钢的焊接线能量不得大于20KJ／cm。
焊层厚度和焊缝宽度是焊接线能量的直观反应，焊接过程中，技术人员对焊缝厚度和宽度进行测量，严格控制焊层厚度为2.5-2.8mm，焊缝的宽度为6-9.6mm，使后一焊道对前一焊道产生“回火效应”。通过严格控制焊接参数，减小焊接热输入量，从而提高焊缝韧性。
3.5 提高焊接速度
由焊接线能量公式 E＝IU／V（I、U、V—分别为焊接电流、电压和焊接速度）可以看出，当I、U固定时，提高焊接速度V（减小焊层厚度和焊缝宽度），从而降低线能量。在现场焊接中，在保证焊缝熔合良好的情况下，通过提高焊接速度，可以减小熔池体积、降低熔池温度来减小一次结晶的晶粒尺寸。
3.6 严格控制层间温度
过高的层间温度，对防止冷裂纹没有实际意义，而且还会因在焊接热循环的共同作用下，使焊缝金属在高温（1100℃以上）停留时间长，晶粒长大变脆，致使焊缝金属韧性降低。焊接过程中，要保证焊接线能量的最小化，此时测定的焊缝及相邻母材的瞬时温度应保证不超过250℃。每一焊道焊接完毕，应保证测定的温度在200℃～250℃之间，即每一焊道焊接完毕后，焊缝及相邻母材的测定温度，应下降到预热温度范围。这样就能保证层间温度在250℃附近上下波动，而不至过高，从而保证焊缝获得优良的冲击韧性。焊接过程中由持证的热处理人员，用远红外测温仪，现场测温并做好记录，焊接技术人员监督检查。当温度超过，立刻停焊，等缓冷到250℃以下后，再进行焊接；如果温度低于200℃，则用石棉布把焊缝包好，等温度升到200℃以上再进行焊接。
3.7 层间清理
根据以往SA-213T91钢的焊接经验：没有层间打磨的焊缝虽然无损检验合格，但是里面有大量的细微夹渣，经过层间打磨后，夹渣明显减少。填充及盖面焊丝的药皮薄、铁水粘，焊接时，层间打磨尤为重要，每焊完一层后，都要进行仔细打磨。打磨不仅清除了焊渣、飞溅、“死角”，更重要的是清除夹杂等。经无损检测后证明，打磨对减小缺陷是很有效的，所以我们推荐和支持层间打磨清理工艺措施，它可以明显提高焊缝的内部质量。
3.8 其它要求
（1）工器具准备齐全，仪表仪器经计量检验合格且都在有效期内。
（2）防风防雨保温棚：施焊区域周围和上部用苫布遮严，不得进风漏雨，尽量使现场的施焊环境，接近做工艺评定的环境。
（3）我们采取了焊材入库必须经过技术人员验收。认真检查质保书、批号、数量、合金成分以及力学性能等。严禁不合格的焊材进入仓库、流入施焊现场。
（4）加强自检：T92钢焊缝如有缺陷，返修难度很大，也比较麻烦。因此整个焊接过程中必须加强自检。
4 严格控制热处理温度及恒温时间
T92钢焊缝的硬度在180-250HB之间时能保证焊缝的使用性能，这对热处理提出了很高的要求：T92钢焊后热处理恒温温度为750℃～770℃，在均温过程中的最大温差不得超过40℃，这些都是在设备的极限误差范围内，稍有不慎将会导致硬度不合格，因此
热处理前，我们对热处理的各个环节严格把关检查，采取有效措施，减小测量误差，热处理时严格按照规范要求进行。
T92钢焊接和热处理按下列示意图进行。
图一 T92焊接和热处理温度曲线示意图
4.1 计量校验，减小仪器设备上的误差：
温度控制、记录仪表、补偿导线，热电偶等经过校验，并标出系统误差值。在设定温度时，扣除相应的数值；焊前根据实测温度的修正值，对打点机显示的温度应进行调整。热电偶每半年或累计使用200小时后需重新校验。
即热处理机设定温度T设=焊后热处理温度T +热电偶误差A +热处理机系统误差B
4.2合理布置热电偶和补偿导线：
热电偶丝压焊牢固，避免在安装加热器时碰落或移位；补偿导线单独设置成一路，不得将两根导线直接拧在一起。
4.3采取分区加热控温：
为了减小焊缝上下之间以及管道内外壁的温差，热处理时分3个区域加热，（在10：00、2：00、6：00位）控温，并在离焊缝边缘一倍壁厚处装一个监控热电偶。
4.4合理布置加热带和保温层：
尽可能减小管道内外壁、管道上下之间的温差；加热器和保温材料的覆盖宽度必须满足加热宽度的要求；垂直管加热器的加热中心适当下移，大约60%左右布置在焊缝的下部；保温材料厚度≥50mm。且包扎紧密、牢固、可靠。
图二 图三
4.5环境控制措施：
（1）热处理前仔细检查，确保加热器的绝缘材料完好无损；包扎时加热器不得重叠、交叉，且金属材料不得与加热丝相碰，与管壁紧密接触，不得有扭结或不平整情况。
（2）在管道热处理时，检查管子内部不得有穿堂风。
（3）从焊接结束到焊后热处理升温之前，焊缝不得受到冲击，焊缝两侧各150mm内不能接触油污、水等，不得用记号笔在上面涂写。焊接接头的防潮、防雨措施必须有效。
（4）配备独立的备用电源，当焊接或热处理过程中发生异常情况断电时，立即启用备用电源。
5 焊接举列
5.1 T92高温再热器出口管排焊接工艺（Φ57X4.5）
（1）焊接方法：手工钨极氩弧焊（GTAW）。
（2）坡口制备及清理。坡口按DL/T869-2012规程中表1、图2或技术图纸要求的形状和尺寸，采用机械方法进行加工。管道坡口端面应与管道中心线垂直，其偏斜度△f不得超过DL/T869-2012规程中表2的规定。
图四 坡口示意图 图五焊道布置图
坡口及其内外壁两侧15mm-20mm的油、漆、垢、锈等用角向磨光机打磨干净见金属光泽。
为保证钢管对口做到内壁齐平，在管内壁错口超过0.5mm或壁厚不等时，应DL/T869-2012规定处理。
（3）氩弧焊打底焊接。氩弧焊的推荐预热温度为150℃±10℃，推荐的层间温度为150℃-200℃，加热至规定的预热温度后至少恒温30min。
保温一定时间后对管内进行充氩，充氩可从探伤孔或坡口间隙插入气针进行，可同时从气室一端进气，另一端排气。
图六 坡口充氩示意图 图七 管端充氩示意图
确认空气排尽后打底焊接，两层氩弧焊累计厚度在4.0mm-5.0mm为宜。
GTAW焊工艺参数见表4所示
表4 氩弧焊焊接工艺参数
氩弧焊打底过程中应及时检查焊道表面和背面质量，发现焊接缺陷，应及时彻底去除，确保打底焊缝无内凹、未熔合、夹钨、焊瘤、背面氧化等超标缺陷。
6 焊接质量控制要点
6.1 严格控制预热温度和层间温度，由于T92钢焊接过程中采用小线能量焊接，而且采用GTAW方法打底，焊缝金属相对冷却较快，焊前预热和施焊过程中保持一定的层间温度可以减缓焊接过程中焊缝的冷却速度，防止淬硬组织的形成，同时降低拘束应力，从而改善焊接接头整体性能。
6.2 控制焊缝中的含氢量，焊接过程中的氢主要来源于母材和焊接材料，选用低氢焊丝，坡口区域严格清理，另外应同时检测并控制施焊环境温度，从而严格控制焊缝的含氢量，防止氢致延迟裂纹的产生。
6.3 降低焊接接头应力状态。焊接缺陷会导致应力集中，使应力成倍增长，进而使裂纹倾向加大；拘束应力是接头产生冷裂纹的条件之一。拘束应力增大，冷裂倾向加大；因此焊接过程中应尽量减少和避免焊接缺陷，同时严禁强力对口，降低焊接接头的应力。
6.4 焊接操作技术可以直接影响焊缝金属组织的晶粒细化程度和韧性水平，这是因为熔池凝固的一次晶粒会部分被随后施焊的焊道细化，而起决定性的影响因素，是焊道的几何形状。其中最重要的是焊道的厚宽比，焊道薄，显微组织的再热细化作用就明显，焊缝金属韧性就可以得到提高。因此，提高焊工的操作水平、培养良好的操作习惯非常重要。
7 焊接接头质量检验
表5 焊口表面质量检验标准
7.1 完成后，焊工应按相关规定的要求对焊接接头的外观质量进行100%自检。
7.2 热处理完毕，待焊件冷却至常温后，应对母材区、热影响区和焊缝区每个位置进行硬度测试，其平均值作为该区域的硬度值。要求焊缝硬度均值不低于母材硬度均值，各区域最高硬度不超过250HB，最低硬度不小于180HB。
7.3 硬度值偏低时，原则上应割口重新焊接，硬度值偏高，且能断定为回火不足造成的，应重新进行一次焊后高温回火处理。
7.4 无损探伤按DL/T821-2002或 DL/T820-2002做100%探伤均可。
8 结束语
通过对焊接全过程进行完整的监督、控制，使作业的每道工序符合要求。经测定，焊缝成型美观，尺寸达到Ⅰ级焊缝的尺寸标准；射线检验后，内部质量100%合格；焊缝硬度在195-235HB之间；经过金相复膜试验，金相组织为回火马氏体，非常理想。该钢种按以上工艺进行焊接，经各项试验、检验均符合相应标准。可给予相应范围内的焊接培训与现场施工进行参考。
参考文献:
[1]新型耐热钢焊接 杨福等编著
[2]T92钢焊接指导性工艺
[3]DL/T819-2010火力发电厂焊接热处理技术规程
[4]DL/T869-2012火力发电厂焊接焊接技术规程
论文作者:刘浩成
论文发表刊物:《建筑科技》2018年第1期
论文发表时间:2018/4/8
标签：温度论文; 裂纹论文; 过程中论文; 韧性论文; 热电偶论文; 硬度论文; 应力论文; 《建筑科技》2018年第1期论文;