鎳基焊絲(ErNiCr-3)施焊Super304H焊接工藝的現場應用

顏海軍

摘要：由于Super304H鋼近幾年來在我國600MW及以上的超超臨界機組上的大量應用，導致目前與Super304H鋼材匹配的焊材嚴重缺乏，被廠家壟斷，導致價格奇高。200X年X月X日由各大發電集團、中國電力科學研究院、西安熱工研究院、蘇州熱工研究院、多家電力建設施工單位、焊接材料生產廠家等XX家單位XXX名代表在XX就Super304H鋼選擇代用焊接材料（ErNiCr-3）經過充分討論達成共識并提請電力行業電站焊接標準化技術委員會認可同時形成會議紀要。根據會議紀要的要求我公司在完成合格焊接工藝評定的基礎上，在蘇州望亭電廠改建工程#4鍋爐后屏過熱器項目上首次現場施工，并取得了圓滿成功。

關鍵詞：Super304H；鎳基焊材（ErNiCr-3）；焊接工藝；現場應用

中圖分類號：TG4文獻標識碼： A

1前言

1.1Super304H鋼簡介

Super304H是20世紀80年代末，日本住友金屬株式會社在TP304H的基礎上開發出來的的新型18-8型奧氏體耐熱鋼。

該鋼種是在TP304H的基礎上適當的增加C元素的含量；降低Si、Mn、Ni、Cr等元素的含量；新添加了適量的Cu、Nb、N等元素。SUPER304H 鋼管的供貨狀態為固溶處理。經最終的固溶處理（最低固溶處理溫度1100℃）的熱處理后，金相組織為單一的奧氏體組織，晶粒度為7~10 級。

日本住友公司Super304H鋼的鋼管制作流程為：熔煉—熱軋—對管材進行熱擠壓沖孔—軟化處理—拉拔—固溶處理—成品

表1：TP304H和Super304H鋼的化學成份比較

鋼號 C Si Mn P S Ni Cr Cu Nb N

ASTM

A213-TP304H 0.04～0.10 ≤0.75 ≤2.00 ≤0.04 ≤0.03 8.00～11.00 18.00～20.00

Super304H 0.07～0.13 ≤0.030 ≤1.00 ≤0.04 ≤0.01 7.50～10.50 17.00～19.00 2.50～3.50 0.30～0.60 0.05～0.12

與TP304H鋼相比Super304H在抗高溫腐蝕性能、蠕變斷裂強度方面有了很大的改善，從2000年開始這種鋼材在日本、韓國、美國等電站上已經廣泛的被應用于制造蒸汽溫度≤600/610℃、蒸汽壓力≤27MPa的過熱器和再熱器管。最高使用溫度為≤610℃（日本橘灣火力1號），最大使用壓力為≤27MPa（韓國泰安發電廠）；近年來在我國許多600MW及以上的超超臨界機組上也被大量引進使用。

1.2YT304H和ErNiCr-3焊絲對比

YT304H是日本住友株式會社為Super304H鋼配套研制的焊絲，ErNiCr-3是目前一種被廣泛應用的鎳基焊絲

表2：YT304H和ErNiCr-3焊絲的化學成份比較

焊絲 規格 C Si Mn P S Ni Cr Cu Mo（Fe） Al（Co） Nb

YT-304H Φ2.4 0.11 0.24 3.01 0.008 0．006 18.63 18.66 3.08 1.10 0.05 0.57

ErNiCr-3 Φ2.4 0.029 0.090 2.90 0.002 0.003 70.80 20.70 0.01 2.50 0.01 2.30

1.3施工現場情況簡介

蘇州望亭發電廠2×660MW改建工程#4鍋爐后屏過熱器全部使用Super304H，具體參數是：設計溫度：XX℃、工作溫度：XX℃；設計壓力：XXMPa、工作壓力：XXMPa；其中φ47.6×6計840只、φ54×7計20只、φ54×10.5計20只，合計880只。

我們在完成鎳基焊絲（ErNiCr-3）施焊Super304H的焊接工藝評定的基礎上，認真仔細的學習、消化、吸收了工藝評定的每一項數據以及評定過程中的所有的注意事項，結合現場施工的實際情況編寫了作業指導書，制訂了詳細的焊接施工工藝（焊接工藝卡），并對所有參與施工人員進行了詳細的技術交底，對整個施工過程進行了嚴格工藝旁站，獲得了滿意的焊接接頭，圓滿完成的現場的施工任務。

2．焊接工藝

2.1焊前準備

2.1.1經過 認真篩選挑選幾名技術精湛、工藝紀律嚴謹、基本功扎實的優秀焊工，經過Super304H鋼管材考核合格，并取得相應項目的合格證書。正式施焊前經過近半個月的崗前模擬練習，來熟悉Super304H管材、ErNiCr-3焊材的焊接性能。

2.1.2管子在組對前，應將坡口表面及內外壁至少10mm范圍內的清理干凈，直至露出金屬光澤，并檢查管端應無重皮、裂紋、毛刺等缺陷。打磨時先采用角磨進行粗打磨，正式施焊前再用除銹拋光角磨進行一次精打磨，對打磨完畢暫時不焊的口，用封口膠帶進行封閉并保證管內干燥。

2.1.3焊前應檢查對口裝配情況，坡口型式應符合圖紙要求，對口尺寸如圖一所示。

圖1 管子對口詳圖

2.1.4管子對口必須要做到內壁齊平，如有錯口，錯口值不應超過壁厚的10%，且不大于1mm。

2.1.5為便于引弧和提高電弧穩定性，應將鈰鎢棒磨成圓錐型。其形狀如圖2所示。

圖2 鈰鎢棒修磨尺寸

2.1.6對口前應在管道內設置氣室，便于充氬保護，充氬方案有兩種，視具體工況現場決定采用何種充氬方案：

方案1：要求如下（見圖3）：

a)充氬保護范圍以坡口中心為準，每側各200-300mm處，以可溶紙或其它可溶材料，用耐高溫膠帶粘牢，做成氣室。

b）采用“氣針”從坡口間隙中插入進行充氬，開始時流量可為10-20L/min，施焊過程中流量應保持在8-10L/min。

圖3

方案二要求如下圖4

c）充氬保護范圍以坡口中心為準，在坡口中心的一側200-300mm處，以可溶紙或其它可溶材料，用耐高溫膠帶粘牢，并用石棉布把坡口塞嚴，形成氣室。

d）采用“氣針”從管子敞開的一端插入進行充氬，開始時流量可為10-20L/min，施焊過程中流量應保持在8-10L/min，焊接過程中把塞在坡口上石棉布拿開一小段焊接一小段，直至整個焊口全部焊接結束。

圖4

優先推薦使用第二種充氬方案，這種方案盡管會多消耗氬氣，但是氬氣保護的效果明顯優于第一種充氬保護方案。

在管子內設置氣室時都要注意不能將出氣的一端（充氬保護氣流的下游封堵處）完全堵死，應留一定的空隙可以讓氬氣緩慢流過。焊接過程中特別是打底層收弧時要注意氣室內的氬氣壓力，根據保護氣室內的氬氣壓力變化情況隨時對充氬氬氣流量進行調節；避免氬氣從內側擠壓焊縫根部，造成焊縫根部內凹或者成型不良。

在進行崗前模擬練習的過程中我們就發現無論是Super304H管材還是ErNiCr-3焊材熔化后都極易氧化所以對充氬氬氣以及熔池保護氬氣的純度要求比較高，我們使用純度≥99.999%的高純氬進行充氬及焊接保護。

高純氬的質量大致按以下幾個等組來區分：

項 目優級品 一等品 合格品

純度≥ 99.99969.9993 99.999

2.2焊接工藝

2.2.1焊接工藝參數如下表所示：

焊層

道號 焊接

方法 焊條（絲） 電源 電流 電壓范圍

V 焊接速度

mm/min 氬氣流量

L/min

型號 規格mm 極性 范圍A

1 Ws ERNiCr-3 φ2.4 + 90-110 10-14 80-120 8-12

2 Ws ERNiCr-3 φ2.4 + 90-110 10-14 80-120 8-12

2.2.2點焊前，應先充氬氣保護，并確認氣室內以充滿氬氣。確認方法為點燃的香煙或打火機靠近坡口，如果香煙或打火機熄滅則氬氣已經充滿氣室。氬氣開始從坡口處溢出時，可適當降低氬氣的流量，氬氣流量過大會對打底焊縫造成擠壓，影響成型。

2.2.3當有缺陷需要返修或坡口需要加工時必須采用機械方法，不得采用等離子或火焰。

2.2.4焊接時采用帶有高頻引弧與電流衰減功能的焊機和氬弧焊槍。

2.2.5與其他奧氏體鋼焊接相同焊接此類新型奧氏體鋼首先要防止焊縫（或過熱區）發生高溫裂紋，因此我們采用全氬弧焊工藝（Ws）降低熱輸入；同時還要控制好層間溫度，層間溫度一般控制在100℃以下（第一層焊完后讓其冷卻到不燙手時再焊下一層），必要時可采取強冷措施（如用干凈的濕毛巾覆蓋焊口兩側，必須用純凈水來濕毛巾）。

2.2.6因奧氏體不銹鋼線膨脹系數大，焊接收縮量大，在接頭區易造成較大的應力，因此宜采用小線能量并控制層間溫度不能過高。線能量一般控制在12KJ/cm以下。

2.2.7如果是排管，對口間隙宜調整成階梯式，以保證部分管子焊完收縮后其余管子有合適的間隙。另外，將每根管子之間的鰭片順著管線方向切開長300mm左右的縫以利于單根管收縮。

A）在焊接過程中，在熔滴過度時，熔滴上包裹一層氧化膜，使熔滴過度比較困難；包裹的氧化膜厚，熔池結晶過程中浮出的氧化物雜質比較多，打磨量也比較大；

B）容易出現未熔合，主要集中在焊道夾角處及焊口最后收頭處，特別是在焊口最后收頭處，呈“肚臍狀”未熔合。另外這種焊絲的熔化和流淌性稍差一些，在送絲過程中，焊絲添加量稍多，便會形成背面焊道上的“褶皺樣”未熔合；

C）背后熔池不清晰，正面觀察坡口夾角處看似熔化，但根部會出現斷續未焊透，感覺熔深淺，焊接過程中電流要比焊接普通不銹鋼的電流要小，操作難度有所增加。

2.2.8打底焊要控制好電弧，運弧及送絲要均勻。由于熔池合金含量高，施焊時應采用焊槍的推力保證根部成型，不能靠送絲的力量來突出根部，氬弧焊打底焊應確保根部熔透和坡口邊緣熔合良好，填滿弧坑后移向坡口邊沿收弧，防止產生弧坑裂紋。

2.2.9為保證接頭質量，起弧時應盡量從死角位置開始，并長出死角一定長度，方便對方接頭。焊縫中間部位接頭時，為避免縮孔、裂紋等缺陷，可將先完成的打底焊縫的接頭部位打磨減薄一定厚度。

2.2.10當發現根部打底有成型不良時，應謹慎修磨，待焊縫冷卻至室溫后補焊，如補焊后成型仍不良，應切除后重新對口焊接。嚴禁采用通過焊槍重復熔化母材、焊縫以消除成型不良或缺陷的方法。

2.2.11打底結束后應仔細檢查焊縫表面的氧化膜和過渡時形成的小顆粒等，如有，應及時打磨清除干凈，以免進入下層焊縫，影響施焊質量。

2.2.12進行加厚層焊接時，要特別注意，以防燒穿。第二層焊接時應繼續充氬保護，以免根層受熱嚴重而被氧化。施焊時應特別注意兩個接頭處，必須熔合良好，收弧時應衰減電流，待熔池填滿后再收弧，防止產生弧坑裂紋，檢查合格后方可焊接次層。每層焊道的厚度為焊接工藝卡上的規定值，不允許加厚焊道，減少層次；層間接頭應錯開。

2.2.13管排間距較小的，焊接時應特別注意兩管之間的死角部位，防止因焊槍角度不當引起未熔、氣孔、咬邊等缺陷。

3.結束語

對880只Super304H現場安裝焊口進行了100％的RT檢測，一次合格率達到了95.8％，焊接質量優良，得到業主的好評，為江蘇電建一公司爭得了榮譽。望亭施工現場采用的技術控制措施是合理可行的。

參考文獻：

[1]《火力發電廠焊接技術規程》（DL/T869－2004）

[2].《焊接工藝評定規程》（DL/T868－2004）

[3].江蘇電建一公司焊接工藝評定（C013）

[4].中國電力出版社《新型耐熱鋼焊接》楊富章應霖任永寧李為民