新型奥氏体不锈钢焊接材料代用试验及应用

马佳龙

上海电力安装第一工程公司

摘  要：新型细晶奥氏体钢SA213-Super304H材料的蠕变强度高，具有抗烟气腐蚀和抗蒸汽氧化性能，在超超临界锅炉过热器、再热器用钢中得到广泛的应用。由于相匹配的焊接材料供货渠道的制约，给工程安装的进度带来严重的影响，本文通过选用不同生产厂家的焊接材料，并进行焊接工艺的评定试验，得出了一整套科学而实用的数据。为施工现场焊接材料的选用提供了技术支持。并在工程现场进行应用，供同行借鉴。

关键词：Super304H奥氏体钢焊接材料选用；工艺试验；工程应用

0 前言

在超超临界电站锅炉中，受热面管所承受的温度和压力比亚临界、超临界锅炉进一步提高。锅炉的过热器、再热器高温段为满足设计要求，必须采用抗高温氧化能力和高温蠕变能力更强的材料。由日本SUMITOMO METAL INDUSTRIES研制开发的Super304H不锈钢管在600℃~700℃时的高温蠕变断裂强度明显高于常规的不锈钢材料。同时给焊接材料的选择也带来了相应的困难。

1 新型不锈钢SA213-Super304H的特点分析

1.1  SA213-Super304H钢简介

SA213-Super304H是SA213-TP304H的改进型，是在SA213-TP304H的基础上加入适量阻止奥氏体晶粒长大的Cu、Nb、N等元素，同时通过添加了3% Cu和0.4% Nb，利用了Nb的碳、氮化合物（NbCrN、Nb(N、C)、M23C6）起到强化作用；又通过添加Cu时效析出金属间化合物来提高强度。从而达到高温强度、长期塑性以及抗腐蚀性能的最佳组合。其优越的高温蠕变强度不是靠贵重的合金元素W、Mo的强化获得，而是通过廉价的Cu、Nb、N，由富Cu相的Cu、Nb、N（C、N）M23C3质点的弥散强化获得。

1.2  SA213-Super304H钢化学成分

表一 SA213-Super304H钢化学成分

1.3  SA213-Super304H钢力学性能

表二 SA213-Super304H钢力学性能

2 奥氏体不锈钢焊接工艺评定难点及技术措施

2.1 焊接难点

  SA213-Super304H钢在供货状态下同属单一的奥氏体组织，无冷裂倾向，因而奥氏体钢的焊接不需要预热。但是奥氏体型不锈钢焊接接头在焊接热循环的作用下，从高温区域冷却下来时，会产生晶间腐蚀的倾向，再加上新钢种的合金元素种类和含量增加，其中Cr、Ni元素的含量提高，造成焊接熔池粘稠，铁水流动性差，使焊接性较差。

  焊接过程中主要问题有三个方面：一是热裂纹，二是焊接变形大，三是打底焊时焊缝根部的氧化。

2.2 工艺评定实施时主要技术措施与方案

（1）焊接位置：管子45°布置（6G位置）。

（2）焊接方法：采用了熔池体积小、热输入量较小的焊接方法手工钨极氩弧焊（GTAW），减少晶粒粗大的倾向。即使管壁厚度为10mm，也采用钨极氩弧焊。

（3）焊接参数：采用小的热输入量，即小焊接电流、快速焊，减少熔池过热。

（4）层间温度：严格控制多层多道焊中的层间温度≤150℃，减少不锈钢材料在敏化温度区域内的停留时间，降低热裂纹生成。

（5）冷却方法：采取强制冷却的方法（水冷等），待温度满足要求时继续焊接。

2.3 焊接技术要点

（1）为保证焊缝根部良好成型，便于焊工观察熔池，优先采用内加丝的技术

（2）采用较小线能量焊接，即焊丝不摆动、间断操作方法，控制层间温度。

（3）在焊口点固前、每层焊道之间用钢丝刷、角向磨光机等清理干净。

2.4 焊接材料的选择

选用S、P含量低，且与母材化学成分、力学性能相比配的焊丝，这里特选择日铁住金溶接工业株式会社的焊丝 NITTETSU  YT-304H（对应SA213-Super304H相匹配 ）。考虑施工需要以及日产焊丝的市场供货的制约，我们选择了德国Bohler-Thyssen公司THERMANIT 617焊丝替代。

3 焊接材料及工艺评定试验

3.1 二种焊丝的化学成分（%）

3.1.1 日本住金溶接工业株式会社的焊丝 NITTETSU  YT-304H –ф2.4 mm

表三 NITTETSU  YT-304H化学成分（%）

3.1.2德国伯勒（Bohler）的焊丝 THERMANIT 617–ф2.4 mm

表四THERMANIT 617化学成分（%）

3.2 工艺评定选用管子规格

3.2.1 NITTETSU  YT-304H；管子规格：ф60.32×7.9 mm

3.2.2 THERMANIT 617；管子规格：ф48.26×7.9 mm

3.3 焊接方法

采用手工钨极氩弧焊GTAW（根部、层间、盖面）

3.4 接头型式及焊道要求设计

对接接头、V坡口形式、无衬垫、多层多道焊、6G焊接位置

3.5 焊接工艺参数

3.5.1 焊丝NITTETSU  YT-304H（管子规格：ф60.32×7.9 mm）

表五 NITTETSU  YT-304H焊接工艺参数

3.5.2焊丝THERMANIT 617（管子规格：ф48.26×7.9 mm）

表六 焊丝THERMANIT 617焊接工艺参数（管子规格：ф48.26×7.9 mm）

3.6 施焊技术

采用单面焊双面成型；焊丝仅作横向小幅摆动；连续弧焊；层间可用同质钢丝刷或角向磨光机清理。

3.7 预热和层间温度

预热温度可视环境温度≥10℃即可；层间温度≤150℃

3.8 拉伸试验结果

3.8.1焊丝NITTETSU  YT-304H试验结果

表七 NITTETSU  YT-304H试验结果

3.8.2焊丝THERMANIT 617试验结果

表八 HERMANIT 617试验结果

3.9 弯曲试验结果（合格）

3.9.1焊丝NITTETSU  YT-304H试验结果

表九 NITTETSU  YT-304H试验结果

3.9.2 焊丝THERMANIT 617试验结果

表十 THERMANIT 617试验结果

3.10 金相试验结果（合格）

腐蚀液为王水，放大倍数为500倍，焊缝金相组织均为细晶奥氏体。

通过上述对不同厂家的二种焊接材料试验数据作比较。从焊接工艺评定可以得出结论：在施焊技术相同的条件下，试验结果全部合格，其抗拉强度的次序为THERMAN IT617＞NITTETSU YT-304H。

4 工程应用实例

4.1上海外高桥电厂三期工程建设规模为2×

1000MW超超临界机组，锅炉为德国引进技术国内

制造，锅炉型式为：塔式，超超临界压力。 过热器出口压力:28MPa(a)； 过热器出口温度:602℃；再热器出口温度:603℃。 由于机组工作参数的提高，特别是蒸汽温度的提高，锅炉厂大量选用了新型细晶奥氏体钢SA213-Super304H的管子，其在锅炉岛焊口主要分布情况如表十一所示：

表十一 上海外高桥电厂三期锅炉岛SA213-Super304H焊口主要分布情况

外高桥三期项目中，锅炉的二级过热器、三级过热器、二级再热器遇到奥氏体钢SA213-Super304H的管子，合计焊口为8168道，当时全部选用日本产的日铁住金溶接工业株式会社的焊丝 NITTETSU-YT-304H（锅炉制造厂提供对应SA213-Super304H匹配的焊接材料）。安装过程中所选用的焊接方法、焊接工艺、焊接参数全部参照工艺评定的相关数据。机组于2007年12月17日并网发电至今，未发生过因焊接质量问题。

4.2 望亭电厂工程建设规模为2×660MW超超临界机组， 由于机组工作参数的提高，特别是蒸汽温度的提高，锅炉厂大量选用了新型细晶奥氏体钢SA213-Super304H的管子，其在锅炉岛焊口主要分布情况如表十二所示：

表十二 望亭电厂锅炉岛SA213-Super304H焊口主要分布情况

从表中可以看到，SA213-Super304H奥氏体钢合计合计焊口为1603道，施工期间，由于焊接材料的采购供应问题，在后屏过热器、蒸汽冷却定位管的一部分SA213-S304H奥氏体不锈钢管子选用了THERMANIT617焊接材料。现场焊接焊口共53道。下面就材料代用过程中现场焊接要点进行介绍：

4.2.1 现场焊接要点

1）奥氏体钢的焊接性能良好，无冷裂倾向，焊接不需要预热。可是这种Cr、Ni纯奥氏体钢在焊接过程中有热裂倾向，因而应注意控制焊接热输入及层间温度。

2）焊接方法采用手工钨极氩弧焊（GTAW）工艺以及确保层间温度低的短焊道和间断焊方法。在焊接过程中，层间温度一般应控制不大于150℃，焊接过程中要求对所焊的焊缝进行层间水冷。

3）另外为防止高温区合金元素的氧化，在整个焊接过程中要进行背面必须充氩气或混合气体—N₂（88%）+H₂（12%）进行保护，防止根部焊缝和母材的过烧，以获得良好的根部焊缝的成形和符合要求的力学性能。

4.2.2 坡口要求见下图

4.2.3 焊接方法

焊接方法采用手工钨极氩弧焊（GTAW）工艺，在焊接过程中，层间温度必须控制在不大于150℃，焊接过程中要求对所焊的焊缝进行层间水冷，用氯离子浓度小于0.2mg/L的电厂化学除盐水或纯净水来冷却焊缝。水冷方式可以采用将海绵浸透水之后在焊缝表面进行擦拭，待焊缝表面的温度冷却至室温后方可进行次层的焊接。

要点一：SA213-Super304H钢水较粘，如用常规的

加丝法无法保证根部焊缝的成型，焊接时容易出现根部焊缝以及焊缝层间未熔合等缺陷，所以打底焊时必须采用内加焊丝法。

第二：如果间隙过大，易造成焊缝温度过高产生"烧枯"现象和仰焊位置根部内凹，平焊位置出现焊瘤等缺陷。

4.2.4 焊接工艺参数

后屏过热器、蒸汽冷却定位管焊口材质为SA213-S304H，规格为φ47×6，钨极氩弧焊（GTAW），焊接工艺参数：

表十三SA213-S304H焊接工艺参数

4.2.5充气保护

目前对于内充保护气体的种类有两种，一种是氩气，另一种充氮氢混合气保护。现场选择内部充氮氢混合气体—N₂（88%）+H₂（12%）进行保护，因为运用混合气能用打火机在焊口处点火，直接可观察火焰大小来判定保护情况，而充氩气则无法判断只能依靠经验来判定。焊缝根部充混合气体进行保护有二种方法，具体如下：

第一套方案：近距离充气法，对口前在焊口两端的管子内塞入水溶纸，程度为紧密，塞入深度为200mm至250mm。在混合气体皮管上接一个带阀门的不锈钢扁管，不锈钢扁管（不锈钢扁管可以用φ4χ0.5不锈钢管子制作）的管口制作成厚度为2mm左右，并在长度方向呈楔形，将不锈钢扁管塞入焊口的对口间隙，并在焊口根部卡住固定，具体见下图。氩弧焊打底，用耐高温铝箔纸封堵其余位置，使混合气体集中流向焊接处，达到良好的保护效果。

近距离充气法示意图

第二套方案：根据管排、集箱管焊口接头位置的结构特点采用远距离充气法，便于进行焊缝根部充氮氢混合气体保护，如下图所示的A、B焊口。焊接B焊口时，可从A焊口位置的单根管末端进行充气，将混合气体橡胶软管一直沿管子往下塞至管子弯头处，并且在A焊口开口的位置用水溶纸或橡胶垫堵塞加以密封以防止气体漏出影响保护效果。