锅炉高温再热器异种钢焊接工艺研究

蒋林弟

（上海电力建设有限责任公司，上海 200031）

0 引言

某电厂2 台600 MW 燃煤机组锅炉运行年数较长，高温再热器系统由于设计等原因，长期处于区域超温运行状态，局部管壁因超温严重，材质劣化，曾发生超温爆管，严重影响锅炉的安全运行。为此，机组大修期间，对再热器系统进行改造，通过更换超温严重区域的管材来达到提高其高温性能的目的。再热器系统改造过程中，高温再热器部分有一道X20CrMoV121 马氏体耐热钢与X8CrNiNb1613 奥氏体不锈钢的异种钢焊口（Φ63.5×4.5）。在现场焊接施工前，我们针对这2 种成分与性能差异很大的异种钢焊接，开展相关的焊接工艺研究，通过一系列严格的焊接工艺评定和接头性能试验，制定出一套切实可行的现场焊接及热处理施工工艺，在改造工程中应用，焊接质量很好，设备改造后运行至今情况良好。

1 故障现象

X20CrMoV121（F12）钢属于马氏体耐热钢，具有良好的耐热性能，在空气和蒸汽中抗氧化能力可达700℃，适用于制造火力发电厂的蒸汽管道、蒸汽联箱等[1]。但是由于F12钢属高合金钢，合金元素含量高，含碳量也偏高，所以焊接性较差，具有强烈的淬硬倾向。焊接时，在热影响区容易产生粗大的马氏体组织。同时F12 钢的导热性能差，焊接时残余应力大，也很容易导致冷裂纹的产生。另外，F12 有较大的过热倾向，焊接时温度超过1 150℃以上的热影响区内，晶粒显著长大，过快或过慢的冷却速度都可能引起接头脆化。

X8CrNiNb1613 钢是奥氏体耐热不锈钢，具有很高的热强性和优良的抗氧化性、抗介质腐蚀能力。因Cr 含量大于12%，且含有Ni、Nb 等对提高抗氧化性、稳定性有利的元素，因此在800℃仍具有良好的抗氧化能力，主要用于制造大容量锅炉的过热器、再热器高温段等部件，以提高锅炉的蒸汽参数。X8CrNiNb1613 钢焊接性良好，但是如果焊条选用不当或焊接工艺不正确时，会产生晶间腐蚀、焊接热裂纹以及接头脆化等一系列缺陷。

由此可见，X20CrMoV121 与X8CrNiNb1613 在化学成分、金相组织和机械性能方面都存在很大差异，而且这两类钢物理性能特别是线膨胀系数和导热性能也相差很大，这就使得这2 种钢的异种钢焊接工艺制定难度较大，焊接接头容易存在成分、组织、性能的不均匀性。同时，焊接接头无论是在焊接过程中，还是在以后的使用过程中，都会产生很大的热应力，从而影响其运行可靠性。所以这2 种异种钢焊接时，采用的焊接材料以及焊前预热、焊接热规范和焊后热处理规范的正确合理至关重要。

2 焊接工艺

2.1 焊接方法、接头型式及焊接位置

焊接方法采用手工钨极氩弧焊打底/焊条电弧焊盖面，接头采用V 型坡口对接，坡口角度55°±5°，间隙3 mm左右。焊接位置水平固定（5G）和垂直固定（2G）。水平固定位置焊接层道数为3 层3 道；垂直固定位置焊接层道数为3 层4 道。

2.2 焊接材料

对X20CrMoV121 马氏体耐热钢与X8CrNiNb1613 奥氏体不锈钢异种钢焊接，我们采用德国UTP068HH 镍基焊丝和焊条。为了防止根部过烧及氧化，保证根部质量，并考虑镍基焊丝打底操作时焊丝流动性较差，现场实际操作有一定难度，因此打底第一层采用德国CM2-IG 焊丝。

2.3 预热和层间温度控制

因X20CrMoV121（F12）钢的冷裂倾向较大，焊接性差，焊接时，必须进行预热。但X8CrNiNb1613 钢焊接时原不需要预热，所以预热时，主要加热F12 一侧。预热温度为250℃左右。层间温度保持在250℃～300℃。

2.4 焊接工艺参数

水平和垂直固定位置焊接工艺参数分别见表1 和表2。

表1 水平固定位置焊接工艺参数

表2 垂直固定位置焊接工艺参数

2.5 施焊技术

在施焊前，坡口内外两侧20 mm 范围内要清除铁锈、油污。为了防止焊缝根部过烧及氧化，要在管内充氩保护，在距焊缝中心两侧200 mm 处塞可溶纸，从对口间隙向管内充氩，直至整个打底过程结束。而且要氩弧焊打底，采用内填丝法或嵌丝法进行焊接，第一层打底焊缝应尽量薄。第二层氩弧焊时为避免将打底层烧穿，焊接电流不宜过大，且焊枪摆动幅度应小。电弧焊盖面采用短弧连续焊法。在过程中要注意焊缝平整，运条时要保证坡口边缘充分熔合，防止出现死角，以避免产生未焊透和夹渣。电弧焊收尾时，必须注意填满弧坑，防止产生弧坑裂纹。在焊接过程中，要始终保持规定的层间温度。焊后，用石棉布将焊口包扎好缓冷，在24 h 内做焊后热处理。

2.6 焊后热处理

因X20CrMoV121 与X8CrNiNb1613 两种材料性能的差异，焊后一定存在很大的残余应力，焊后必须进行高温回火热处理[2]。焊后热处理温度（750±20）℃，恒温时间45 min。升降温速率：加热时300℃以上≤200℃/h，冷却时，750℃～500℃时≤100℃/h、500℃～300℃时≤200℃/h，300℃以下不控制。

3 工艺评定试验

3.1 评定项目和试样数量

工艺评定试验按水平固定和垂直固定焊接位置分别焊制5 个试件。然后进行外观检查（100%）、射线检测（100%）和断口检验（各3 件），以及拉伸（各2 件）、弯曲（面弯各2 件、背弯各2 件）、硬度、金相（母材、焊缝、热影响区）等试验。同时为考察焊接接头的高温性能，我们根据高温再热器的具体工作状况，增做几个重要温度（540℃、570℃、610℃、650℃各2 件）的高温短时拉伸试验。

3.2 试验结果

3.2.1 经外观检查、X射线检测结果

所有试件焊缝未发现超标缺陷。经过断口检查以及金相宏观检验结果看，也未发现裂纹、气孔和其他超标缺陷。

3.2.2 室温拉伸试验结果

试件全部断在母材，说明焊缝抗拉强度高于母材。弯曲试验结果全部合格，说明接头韧性也较好。

3.2.3 金相微观检验结果

X20CrMoV121 母材和 X8CrNiNb1613 母材金相组织分别为均匀的回火索氏体和奥氏体组织；焊接接头热影响区X20CrMoV121 一侧和 X8CrNiNb1613 一侧的金相组织分别为回火索氏体和奥氏体组织；焊缝根层（CM2-IG）金相组织为回火索氏体，焊缝盖面层（UTP068HH）金相组织为奥氏体枝晶组织。结果表明，焊缝、母材、热影响区金相组织正常。

3.2.4 硬度试验结果

硬度试验结果见表3。

表3 水平与垂直固定焊接位置下的硬度试验

高温短时力学性能试验结果见表4。

表4 高温短时力学性能试验

高温短时拉伸试验结果与母材性能标准规定值比较后表明，高温短时力学性能在不同的温度区间内分别满足了F12和X8 的性能要求：相对低温段，由于X8 性能值较低，所以试样断裂在X8 母材；在高温段，由于F12 性能值较低，试样断裂在F12 母材；试验结果完全符合要求。所有试验水平固定位置和垂直固定位置结果基本相同。

4 结语

X20CrMoV121 马氏体耐热钢与X8CrNiNb1613 奥氏体不锈钢异种钢焊接，采用氩弧焊打底、手工电弧焊盖面的焊接方法，打底时严格进行管内充氩保护、防止氧化和过烧；焊接材料选用镍基焊丝和焊条（UTP068HH），打底第一层采用CM2-IG 焊丝；焊前预热250℃左右，主要加热F12 一侧，保持一定的层间温度250℃～300℃，焊后进行（750±20）℃，恒温45 min 的高温回火热处理，该焊接和热处理工艺是合理可行的。高温再热器改造工程中采用我们制定的焊接及热处理工艺进行现场施工，焊口质量很好，机组运行至今情况良好。