CN112756753B - 高镍铁基奥氏体不锈钢膜式壁管屏角焊缝焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高镍铁基奥氏体不锈钢膜式壁管屏角焊缝焊接方法，该方法中，管子与扁钢之间的角焊缝采用熔化极气保焊或/和埋弧焊方法多条焊缝同时焊接，焊材采用镍基焊材，管子和扁钢中至少一种的材质为高镍铁基奥氏体不锈钢，高镍铁基奥氏体不锈钢材质的主要化学成分满足以下条件：Cr：19～26%，Ni：19～28%，Fe：≥50%；若管子和扁钢中有一种的材质为非高镍铁基奥氏体不锈钢，则非高镍奥氏体不锈钢主要化学成分满足以下条件：Cr：16～24%，Ni：8～14%，Fe≥50%；镍基焊材或焊材熔敷金属的主要化学成分满足以下条件：Ni≥50%，Cr≤28%，Fe≤12%，本发明极大降低了膜式壁管屏角焊缝热裂纹率，也有利于预防膜式壁管屏在高温服役过程中管子被拉裂的风险。

Description

高镍铁基奥氏体不锈钢膜式壁管屏角焊缝焊接方法

技术领域

本发明涉及一种膜式壁管屏角焊缝的焊接。

背景技术

首先申明，为行文简化需要，本说明书中未予单独说明的关于钢材或焊材的成分描述，均为按质量百分数的百分比例。

在循环流化床锅炉中为了预防烟气高速流动对管子的磨损，锅炉过热器和再热器需要采用膜式壁管屏形式（即管子+扁钢形成管屏的形式），其结构参见说明书附图的图1和图2。由于膜式壁管屏中管子数量多，长度大，焊缝焊接量很大，因此焊接过程中产生的焊接应力较高。尤其当采用机动焊或自动焊且多条焊缝同时焊接时，焊缝受相邻管子的约束，导致焊缝应力很高，一旦管屏材料的裂纹敏感性较大时，很容易产生焊接裂纹。

随着电站锅炉参数的提高，锅炉受热面管屏的材料等级也在不断提升，目前膜式壁管屏已经用到马氏体不锈钢和304奥氏体不锈钢，后续随着锅炉参数的进一步提高，膜式壁管屏会用到更高等级的铁基奥氏体不锈钢，比如SA-213TP310HCbN、310S等。由于这类不锈钢镍含量高（Ni含量一般在19～28%，注：表示Ni的质量百分含量为19%～28%，下同），组织为纯奥氏体，其焊接热裂纹倾向大，在拘束度高的膜式壁管屏焊接时焊接热裂纹将增大，尤其在多条焊缝同时焊接的膜式壁管屏，由于焊缝拘束度高、焊接热量大，热裂纹十分容易产生，此问题将会成为制约高镍含量的铁基奥氏体不锈钢膜式壁管屏制造的一大障碍。此外，由于锅炉膜式壁管屏在运行过程中，管子内为蒸汽，管外为炉膛或烟道的高温烟气，管外温度高于管子温度，若角焊缝采用与管子同材质的奥氏体不锈钢焊材，则焊缝和管子的热膨胀系数相同，在管外温度更高的情况下，焊缝的热膨胀量更大，在高温运行时，管子受拉应力，且运行过程中管内压力高，在外壁焊缝拉引力和管内压力共同作用下，容易导致管子侧产生裂纹。

目前奥氏体不锈钢模式壁管屏制造方面，世界上仅18-8型（即Cr含量在16～20%，Ni含量在8～13%）不锈钢有锅炉膜式壁管屏制造技术，其焊接工艺选用与母材相匹配的焊材（即Cr、Ni含量与母材相当的焊材）进行焊接，例如，SA-213TP304（或SA-213TP347H）管子+06Cr19Ni10扁钢，焊材采用308型或347型的不锈钢焊材，该技术已比较成熟。但如果针对高镍奥氏体不锈钢（其Cr含量在19～26%，Ni含量在19～28%）的膜式壁管屏，在熔化极气体保护焊或埋弧焊采用多条焊缝同时焊接的条件下，若仍然采用与母材相匹配的焊材，如310型焊材，则由于焊缝金属为纯奥氏体组织，产生裂纹的几率会非常高，如果采用低匹配（即采用308型或347型的不锈钢焊材），则焊缝金属由于受母材稀释，也会使焊缝中局部区域产生纯奥氏体组织，从而大大增加热裂纹敏感性。此外，高Ni奥氏体不锈钢适用于温度更高的环境，在温度更高的条件下，采用与管子同材质的焊缝时，焊缝的热膨胀量更大，管子在运行时受到焊缝的拉应力会更大。

综上，针对高镍奥氏体不锈钢膜式壁管屏角焊缝焊接，现有技术存在以下的不足：（1）管子与扁钢角焊缝采用熔化极气保焊或埋弧焊方法焊接时很容易产生热裂纹；（2）在锅炉高温服役时，由于焊缝温度高于管子温度，导致焊缝热膨胀量更大，存在管子产生裂纹的风险。

发明内容

为解决高镍奥氏体不锈钢的膜式壁管屏在采用多条焊缝同时焊接时易产生焊接裂纹的问题，以及膜式壁管屏在高温运行时由于热膨胀差引起的管子拉裂的问题，本发明提供了一种高镍铁基奥氏体不锈钢膜式壁管屏角焊缝焊接方法，通过选用特定的焊接材料和方法，起到有效预防焊接热裂纹的问题和避免运行过程中管子受拉应力引起管子开裂的风险。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高镍铁基奥氏体不锈钢膜式壁管屏角焊缝焊接方法，膜式壁管屏包括通过角焊缝连接的管子和扁钢，管子与扁钢之间的角焊缝采用熔化极气保焊或/和埋弧焊方法多条焊缝同时焊接，焊材采用镍基焊材，管子和扁钢中至少一种的材质为高镍铁基奥氏体不锈钢，高镍铁基奥氏体不锈钢材质的主要化学成分满足以下条件：Cr：19～26%，Ni：19～28%，Fe：≥50%；若管子和扁钢中有一种的材质为非高镍铁基奥氏体不锈钢，则非高镍奥氏体不锈钢主要化学成分满足以下条件：Cr：16～24%，Ni：8～14%，Fe≥50%；镍基焊材或焊材熔敷金属的主要化学成分满足以下条件：Ni≥50%，Cr≤28%，Fe≤12%。多条焊缝同时焊接意为至少两条以上的焊缝同时焊接。

管子与扁钢之间的角焊缝采用多把焊枪同时施焊的机动焊或自动焊。

管子与扁钢之间的角焊缝采用熔化极气保焊，采用混合气体保护，混合气体配比中Ar气体含量（体积比）不低于90%。

管子与扁钢之间的角焊缝采用熔化极气保焊时熔化极气保焊焊丝直径0.8～1.2mm，采用埋弧焊时埋弧焊焊丝直径1.2～2.4mm。

本发明的有益效果是：有效解决了高镍奥氏体不锈钢膜式壁管屏角焊缝热裂纹率高的问题，裂纹率由改进前的90%以上降低到改进后的接近0%，同时，因改进后焊缝的热膨胀系数低于管子，高温在运行时，避免了由于温差引起的焊缝对管壁的拉应力，从而有利于预防服役过程中受压件管子被拉裂的风险。

附图说明

图1是膜式壁管屏的横截面示意图。

图2是膜式壁管屏的产品结构示意图。

图中标记为：1-管子，2-扁钢，3-角焊缝。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参考图1、图2，本发明的高镍铁基奥氏体不锈钢膜式壁管屏角焊缝焊接方法，膜式壁管屏包括通过角焊缝3连接的管子1和扁钢2，管子1与扁钢2之间的角焊缝3采用熔化极气保焊或/和埋弧焊方法焊接，焊材采用镍基焊材，其特征是：管子1和扁钢2中至少一种的材质为高镍铁基奥氏体不锈钢，高镍铁基奥氏体不锈钢材质的主要化学成分满足以下条件：Cr：19～26%，Ni：19～28%，Fe：≥50%；若管子1和扁钢2中有一种的材质为非高镍铁基奥氏体不锈钢，则非高镍奥氏体不锈钢主要化学成分满足以下条件：Cr：16～24%，Ni：8～14%，Fe≥50%；镍基焊材或焊材熔敷金属的主要化学成分满足以下条件按质量分数：Ni≥50%，Cr≤28%，Fe≤12%。

针对铁基奥氏体不锈钢（含高镍铁基奥氏体不锈钢）之间焊接，焊材的选择一般均根据母材成分进行选用，即焊材成分与母材相当；当奥氏体不锈钢与铁素体类钢（铁素体类钢指珠光体钢、马氏体钢、贝氏体钢、铁素体钢）异种钢焊接时，为了减小两种材料热膨胀差引起的焊接应力，以及避免熔合区马氏体带过宽以及碳迁移的问题，若运行温度高于420℃时，一般采用镍基焊材。但即便是用于高温运行条件的工件，针对同为奥氏体不锈钢之间的材料焊接时通常也不采用镍基焊材，其原因一方面是镍基焊材的热膨胀系数比奥氏体不锈钢的小，两者并不匹配，在高温运行时会产生热应力；另一方面是化学成分差异大，成分不匹配，故铁基奥氏体不锈钢之间焊接时一般不会采用镍基焊材。除非某种新型铁基奥氏体钢没有开发出匹配的成熟焊材或匹配焊材不易采购时，为了满足母材许用应力这一硬性要求，有时也会退一步牺牲热膨胀系数和化学匹配的合理性而主要根据镍基焊材的许用应力值，选用许用应力能够满足母材要求的镍基焊丝。由于许用应力要求主要是针对承压焊缝，因此这种情况主要是针对全焊透的对接焊缝的情况。此外，在部分低温（达到-190℃或更低的温度）条件下，为了保证焊缝的低温冲击功能达到设计要求，也会在铁素体钢上采用镍基焊材，但此种环境下利用的是Ni基焊缝低温高韧性的原理。

针对高镍铁基奥氏体不锈钢膜式壁管屏，目前世界上尚无成熟的产品和相应的设计结构，故未开发出对应的膜式壁管屏焊接工艺。本发明中针对高镍铁基奥氏体不锈钢管屏焊接，尤其在多条焊缝同时焊接的情况下管屏的焊接应力大从而导致裂纹敏感性很高的问题，以及此类管屏运行温度高，在高温运行时若选用铁基奥氏体不锈钢焊材，焊缝温度高于管子，焊缝的膨胀量更大，则管子受焊缝拉应力增大，增加了承压件管子开裂风险的问题，提出了解决方案。本发明一方面利用了镍基焊材合金元素含量高，减小了焊接结晶温度区间的特点，从而降低了热裂纹倾向，另一方面利用镍基材料热膨胀系数低的特点，在膜式壁管屏高温运行时减缓了焊缝对管子的拉应力，从而减小了受压件管子被拉裂的风险，焊材方面的选择是本发明对现有技术作出的贡献。

在选择焊材时规定Cr≤28%、Fe≤12%的原因如下。由于母材的Cr含量不高于28%，因此选用与母材相当的Cr含量即可达到与母材相当的耐腐蚀性和高温抗氧化性，Cr含量过高时，由于Cr为铁素体形成元素，不利于焊缝的奥氏体稳定性，而且Cr与C的亲和力高，过高的Cr元素存在时，焊缝在高温运行时会形成较多的Cr的碳化物（如M23C6），同时也会形成金属间化合物，这些碳化物及金属间化合物都会损害材料的韧性。参考文献 《镍基合金的焊接冶金和焊接性：Welding Metallurgy and Weldability of Nickel-Base Alloys》（上海科学技术文献出版社，2014.5，版次：2014年5月第1版 2014年5月第1次印刷）介绍镍基焊缝中的Fe含量扩大了凝固温度范围，因此增加了焊缝凝固开裂的势能，因此铁含量不宜过高，一般在镍基焊缝中的Fe含量控制在30%以下可避免焊接热裂纹，由于本发明中的焊缝为角焊缝，接头形式一侧为管子，一侧为扁钢，焊接过程中的稀释率较高，根据该类接头进行测量，两侧母材对焊缝的总稀释率约为25-30%，以此计算，当焊丝的化学成分中Fe含量≤12%时，受母材稀释后焊缝中的铁含量可小于30%，因此规定Fe含量≤12%。镍含量≥50%是所选择的焊材类型确定的，由于焊材类型为镍基焊材，考虑到合金元素Cr和Fe等元素，镍含量至少不小于50%。

此外，焊接方法推荐采用熔化极气保焊（GMAW）或/和埋弧焊(SAW)，熔化极气体保护焊采用混合气体保护，混合气体配比中Ar气体体积含量不低于90%；熔化极气保焊焊丝直径0.8～1.2mm，埋弧焊焊丝直径1.2～2.4mm。之所以采用GMAW或/和SAW，是因为膜式壁管屏焊接工作量很大，也是膜式壁管屏焊接最为成熟和常用的方法，若采用氩弧焊这类的方法，则焊接效率很低，不适合大规模生产的应用，而且采用 GMAW方法还可以实现管屏上下侧同时焊接，大大提高焊接效率。对焊丝直径的限制，主要是为了限定焊接线能量，小直径焊丝的焊接热输入较小，有利于预防焊接凝固裂纹的产生。对于GMAW焊接方法，Ar气体比例控制在90%以上，有利于镍基焊缝成型的改善和降低焊接飞溅，同时有利于减少焊缝氧化，并保证焊缝力学性能。

实施例：

参考图1、图2，在申请人研发660MW高效超临界CFB锅炉过程中，针对SA-213TP310S管子+06Cr19Ni10扁钢的膜式壁管屏角焊缝焊接，采用两种焊材进行对比，一种焊丝采用与母材（扁钢）匹配的奥氏体不锈钢焊丝（焊丝型号为ER308，直径：1.2mm），另一种焊丝采用镍基焊丝（焊丝型号为ERNir-3，直径：1.2mm）。焊接方法为熔化极气保焊，保护用混合气体配比中Ar气体体积含量为90%，十二把焊枪同时焊接，上侧六把焊枪焊接，下侧六把焊枪焊接。采用与母材（扁钢）匹配的焊丝焊接的PT探伤情况显示裂纹率约90%，经金相分析，裂纹主要产生在焊缝中的纯奥氏体区域。采用镍基焊丝焊接的PT探伤情况显示裂纹率约0%。

Claims (4)

1.高镍铁基奥氏体不锈钢膜式壁管屏角焊缝焊接方法，膜式壁管屏包括通过角焊缝（3）连接的管子（1）和扁钢（2），管子（1）与扁钢（2）之间的角焊缝（3）采用熔化极气保焊或/和埋弧焊方法多条焊缝同时焊接，焊材采用镍基焊材，其特征是：管子（1）和扁钢（2）中，一种的材质为高镍铁基奥氏体不锈钢，高镍铁基奥氏体不锈钢材质的主要化学成分满足以下条件，按质量分数：

Cr：19～26%，Ni：19～28%，Fe：≥50%；

另一种的材质为非高镍铁基奥氏体不锈钢，非高镍奥氏体不锈钢主要化学成分满足以下条件，按质量分数：

Cr：16～24%，Ni：8～14%，Fe≥50%；

镍基焊材或焊材熔敷金属的主要化学成分满足以下条件，按质量分数：

Ni≥50%，Cr≤28%，Fe≤12%。

2.如权利要求1所述的高镍铁基奥氏体不锈钢膜式壁管屏角焊缝焊接方法，其特征是：管子（1）与扁钢（2）之间的角焊缝（3）采用多把焊枪同时施焊的机动焊或自动焊。

3.如权利要求1或2所述的高镍铁基奥氏体不锈钢膜式壁管屏角焊缝焊接方法，其特征是：管子（1）与扁钢（2）之间的角焊缝（3）采用熔化极气保焊，采用混合气体保护，混合气体配比中Ar气体含量按体积比不低于90%。

4.如权利要求1或2所述的高镍铁基奥氏体不锈钢膜式壁管屏角焊缝焊接方法，其特征是：管子（1）与扁钢（2）之间的角焊缝采用熔化极气保焊时熔化极气保焊焊丝直径0.8～1.2mm，采用埋弧焊时埋弧焊焊丝直径1.2～2.4mm。

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