摘要：分析了塔式光热电站热熔盐管道TP347H材料的高温性能和晶间腐蚀的影响因素。从焊材成份、参数控制、焊缝金相组织等方面对347H奥氏体不锈钢焊缝力学性能和耐腐蚀性进行了试验验证，形成了成熟的焊接工艺方案。结合工程实践总结了熔盐不锈钢管道焊接注意事项。
关键词：塔式光热 熔盐管道 TP347H 焊接工艺 晶间腐蚀
1 引言
摩洛哥努奥三期150MW塔式光热电站蓄热储能系统的导热介质为熔盐。冷熔盐储存罐中的液态冷熔盐（299℃）通过冷熔盐泵输送至光塔顶部的吸热器。若干定日镜反射和聚焦太阳辐射到吸热塔的吸热器上，熔盐吸热后温度升高到约565ºC。高温熔盐经热熔盐管道进入地面热熔盐罐被储存起来。由于熔盐存在高温分解和腐蚀问题，因此熔盐设备和管道的材料必须耐高温和耐腐蚀，通常可以选用0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、12Cr1MoV、12Cr1MoVG等作为熔盐设备和管道的制作材料。努奥三期热熔盐管道设计材料为TP347H无缝管。
2 TP347H材料的性能
TP347H是一种经过改良的18-8型的奥氏体不锈钢，具有良好的耐腐蚀性能，焊接性能和热强性能。347H不锈钢用于大型锅炉过热器﹑再热器﹑蒸汽管道﹑石油化工的热交换器管件。奥氏体不锈钢焊接性能优良，焊接接头也有较好的塑性和韧性，但是在焊接实践中也会产生热裂纹、晶间腐蚀、脆化、变形等问题。因塔式光热机组TP347H熔盐管道内介质为高温熔盐，下面主要讨论高温性能及晶间腐蚀问题。
2.1 碳含量对高温性能的影响
在ASME II-C标准中TP347H与TP347的力学性能相同，主要化学成分基本相同仅碳含量有差别，TP347H含碳量限定在0.04-0.08%，相对于347提高了含碳量。
TP347H与TP347的最大许用应力在500℃以下时没有差别，在525℃温度及以上时随着温度的升高TP347的许用应力值相对TP347H差距逐渐变大。
综上可知，碳含量的提高使得TP347H的高温性能优于TP347。为了确保565℃高温熔盐介质中TP347H焊缝的力学性能需控制焊缝金属含碳量在0.04%-0.08%。
2.2晶间腐蚀影响因素及预防措施
晶间腐蚀是指从金属的晶粒边界发生并沿晶界向内部扩展造成的腐蚀现象。晶粒边界被腐蚀，破坏了晶粒间的联系，使焊缝金属变脆。发生晶间腐蚀的焊缝会沿晶界断裂，强度几乎完成丧失，但金属表面无腐蚀现象，具有隐蔽性，危险性大。
观察分析18-8型奥氏体不锈钢晶间腐蚀的敏感温度-时间曲线可知，晶间腐蚀的敏感程度与加热温度、加热时间及化学成分有关。18-8型奥氏体不锈钢在450-850℃加热后对晶间腐蚀最为敏感，称为敏化温度区间。碳含量越高出现晶间腐蚀的温度上限越高，敏化时间越短。TP347H碳含量在0.04%-0.08%区间，晶间腐蚀温度上限可达约780℃；在650℃下只需2分钟就会丧失抗晶间腐蚀性能。
3 化学成分对焊缝组织的影响
具有单项奥氏体组织和奥氏体+铁素体双相组织的焊缝金属不产生相变，故奥氏体不锈钢焊缝金属的金相组织取决于焊材的化学成分，即取决于铁素体形成元素（Cr、Si、Mo、V、Nb、Ti等）和奥氏体形成元素（Ni、Mn、N、C等）的含量，即铬当量（Creq）和镍当量（Nieq）。化学成分对金相组织的影响规律在文献[6]中阐述如下：当合金元素总量约为35%-45%时，焊缝金属为双相组织；当Cr/Ni大于1.4时，焊缝金属为双相组织。
4 TP347H焊接工艺试验
4.1评定试件、焊接方法和焊材
评定试件采用SA312 TP347H，规格φ168.3×10.97mm；接头型式采用对接单V型坡口（图2）。焊接方法采用GTAW+SMAW的焊接工艺。
试验焊材选用BOEHLER SAS 2-IG（AWS A5.9 ER347）与BOEHLER FOX E347H（AWS A5.4 E347-15）。
4.2焊接工艺参数
工艺评定试验无需预热，采用氩弧焊打底、电焊填充盖面的工艺方法，严格控制热输入量不高于1.7kJ/mm,层间温度不超过150℃。焊接保护气体采用纯度为99.99%的氩气，其中氩弧焊保护气体流量10-18L/min,背面保护气体流量10-25L/min。
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4.3力学性能试验
根据ASME标准第IX卷进行了拉伸、弯曲试验，同时针对高温性能要求增加了一组593℃高温拉伸试验。
4.4化学成分分析
在试件内外表面分别进行化学成分分析。可见选用通过合理选用焊材，焊缝金属碳含量满足0.04-0.08%，同时焊缝金属中有Nb、Ti稳定元素。
4.5宏观金相与微观金相
4.5.1宏观金相可见焊缝与母材熔合良好，未见裂纹、咬边、夹渣、未熔合、未焊透等缺陷。
4.5.2微观金相
微观金相组织分析,可见奥氏体+铁素体双相组织，典型的树状熔合结构。观察到分散的铌碳化物的存在,没有观察到碳化铬沉淀,没有西格玛相σ的存在。
4.6铁素体含量测定
目前国际上采用铁素体数FN和铁素体体积分数FP作为焊缝铁素体含量的测定量。FN＜8时,FN≈FP；FN＞8时,FN＞FP且呈非线性。常用的铁素体测定方法有三种：化学分析-图谱法，金相法和磁性法。其中使用化学分析-图谱法只要测出焊缝化学成分就能很快判定铁素体含量。化学分析-图谱法包含Schaeffer图谱、Delong图谱与WRC-1992图谱，其中WRC-1992是目前有效并且实用的测定铁素体含量的工具。
结论：试验焊缝铁素体数FN为6、7，满足设计技术规范FN4-8的要求。由WRC-1992图可知，对于双相组织的不锈钢焊缝，当Creq值增大且Nieq值减小时，铁素体数FN随之增加，反之则FN随之减小。因而可通过调整焊缝化学成分，控制Creq、Nieq值在一定范围内变化，使双相组织中铁素体数FN达到所需要的值。
4.7晶间腐蚀
晶间腐蚀检验按ASTM A-262 Practice E将试样加工成形，清洗后置入配置的硫酸—硫酸铜溶液，连续煮沸24h，然后取出清洗、吹干后，进行弯曲试验，在放大镜下观察，弯曲试样表面未见晶间腐蚀痕迹。
5 现场焊接注意事项
1）充氩保护：对接接头打底焊接时背面需充氩保护，焊层厚度5mm以下不得中断保护以免根部氧化。对于壁厚＜5mm的角焊缝、插套焊缝也需进行背面充氩保护。
2）小规范参数：焊接宜采用小规范参数，同样直径的焊条电流参数应比碳钢降低20%左右，控制热输入量不大于1.7kJ/mm、控制层间温度不高于150℃等可以缩短焊缝高温停留时间，有利于防晶间腐蚀，也有助于控制焊接变形。
3）防污染：熔盐不锈钢管道及焊材要隔离防护，不得与碳钢等接触；打磨及清理需使用不锈钢丝刷或不锈钢砂轮片。焊接时注意皮线不得有裸露、不得随意引弧，以免擦伤母材表面，影响耐腐蚀性能等。
4）焊缝表面及擦伤的母材及时进行酸洗钝化保护。
6 结论
1）选用碳含量在0.04-0.08%的焊材，同时添加Ti/Nb等稳定元素，经试验验证可以满足TP347H熔盐管道高温性能及抗腐蚀性能；
2）通过合理选用焊材，使347H焊缝金属为奥氏体+铁素体双相组织且FN=4-8，有利于提高焊缝晶间腐蚀性能。
3）焊接宜采用小规范参数，控制热输入量不大于1.7kJ/mm；多层多道焊接并严格控制层间温度在150℃以内；既可以缩短焊缝高温停留时间，有利于防晶间腐蚀，也有助于控制焊接变形。
4）由WRC-1992图可知，对于双相组织的不锈钢焊缝，当Creq值增大且Nieq值减小时，铁素体数FN随之增加，反之则FN随之减小。因而可通过焊缝化学成分的设计，控制Creq、Nieq值在一定范围内变化，使双相组织中铁素体数FN达到所需要的值。
参考文献
[1]汪奇，俞红啸，张惠芬.太阳能光热熔盐发电技术的研究与开发[J].上海化工.2016,41（11）：35
[2]ASMEBPVC.II.A-2015[S]:485-488
作者简介
徐峰涛，山东电力建设第三工程有限公司 摩洛哥努奥三期项目部焊接专业经理。
论文作者:徐峰涛,鲁福魁,刘松,姚枫林
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/5
标签：金相论文; 奥氏体论文; 性能论文; 组织论文; 高温论文; 不锈钢论文; 管道论文; 《电力设备》2018年第21期论文;