火力发电机组高旁阀门后至冷段管道为碳钢管应更换为合金管的焊接及热处理工艺

火力发电机组高旁阀门后至冷段管道为碳钢管应更换为合金管的焊接及热处理工艺

曾祥涛

内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司，内蒙古乌海 016000

摘    要：为了保证高旁路阀门后A106B碳钢管更换A691Gr.1-1/4 CrCL22合金管焊接接头的焊接质量，通过对高旁阀门的结构特点、管道性能、焊接及热处理性能的分析，简要介绍了焊接接头的焊接及热处理工艺方法,以供参考。
关键词：   高旁阀门   碳钢管道 合金管道   焊接及热处理工艺

0前言

火力发电机组汽机旁路系统中的高旁阀门是旁路系统中非常重要的设备，对改善机组的启动性能、保护机组的正常运行有非常重要的作用。

高旁阀门的特殊作用，决定了它的结构形式，多为笼罩式结构，此结构的特点易出现内漏损坏，而高旁阀门前的蒸汽参数为超高压或亚临界甚至达到超临界参数，因此阀门前管道设计为高合金钢材料（如：A335P91等），而阀门后的蒸汽参数，经过阀门减温减压均有很大程度的降低，管材多设计为普通碳钢材料（如：A106B等），当阀门出现内漏，机组运行时，阀门前的过热蒸汽泄漏到阀门后，因阀门后普通碳钢管道与阀门前高合金钢管道，两者的允许使用温度不同，长时间超温运行中，会使管道发生蠕变，导致失效，危及机组的安全运行。因此，高旁阀门后至冷段管道为碳钢的蒸汽管道，应及时更换为合金钢管道，消除存在的安全隐患，以保证机组的安全稳定运行。

1概况

内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司是东方锅炉生产的2×330MW亚临界燃煤空冷循环硫化床锅炉发电机组。机组安装设计高旁阀门前管道为A335P91钢，阀门后至冷段管道为A106B碳钢管，规格为Φ558.8×16mm，高旁阀体材质F91，考虑到高旁阀门F91高合金钢和阀门后A106B普通碳钢管道异种钢焊接，两者合金成分相差较大，匹配性差，焊接困难，所以在阀门出口之间增加长度600mm，材质为12Cr1MoV钢管作为过渡段，形成蠕变强度的梯度过度，这使得高温工作载荷作用下的焊接接头蠕变趋于均匀，减少焊接接头局部的应力集中，保证焊接质量和改善接头的力学性能。

2 管道技术参数

经设计院核算，高旁阀门后至冷段管道，原设计为A106B碳钢管更换为A691Gr.1-1/4 CrCL22合金钢管，管道规格维持原设计，管道路径与原设计相同，管道支吊架不变。管道的技术参数见表1。

表1 管道设备技术参数

3 管道主要性能

3.1 A691Gr.1-1/4 CrCL22钢的主要性能

A691Gr.1-1/4 CrCL22钢是美国标准钢材，ASTM A691是美国材料与试验学会标准高温高压服役条件和电熔焊焊碳钢和合金钢管标准；1-1/4 Cr是钢管等级，CL22是热处理消除应力状态，适用于温度范围≥530℃的管道和集箱。A691Gr.1-1/4 CrCL22钢相当于美标A335P11钢和国标15CrMoG钢。化学成分及力学性能见表2和表3（以A335P11钢代）。

表2 A691Gr.1-1/4 CrCL22钢的化学成分/%

表3 A691Gr.1-1/4 CrCL22钢的力学性能

3.2 12Gr1MoVG钢的主要性能

12Gr1MoVG为国标锅炉用钢，属于珠光体热强钢，在550℃以下具有较高的热强性、抗氧化性能和耐高温持久强度,生产工艺较简单，焊接性能良好。化学成分及力学性能见表4和表5。

表4 12Gr1MoVG钢的化学成分/%

表5 12Gr1MoVG钢钢的力学性能

3.3 A106B钢的主要性能

A106B钢为中碳钢，是美国标准钢材，与中国20G钢标准一样是制造高压及以上压力的蒸汽锅炉、管道等用的优质碳素结构钢。化学成分及力学性能见表6和表7。

表6 A106B钢的化学成分/%

表7 A106B钢的力学性能

4 管道焊接及热处理工艺

在拟定焊接工艺时，考虑各规范参数对焊缝金属稀释率的影响是十分重要的，特别是焊缝金属熔合区的稀释率决定了该区的显微组织和性能。还有异种钢焊接接头的应力状态比较复杂，是促使其提前失效的重要因素，焊后热处理至关重要。因此焊接时选择最佳的焊接及热处理规范参数，是保证接头的焊接质量关键。

4.1 12Gr1MoVG钢与A691Gr.1-1/4 CrCL22钢的焊接及热处理工艺

12Cr1MoVG钢与A691Gr.1-1/4 CrCL22钢异种钢对接焊口，规格为Φ558.8×16mm，由于低强度母材侧的区域先于母材丧失强度，焊接热输入大小的影响是显而易见的，同时选择合适的焊接材料对这一部位性能的影响也至关重要的，无论采用高、中、低匹配材料作为填充材料，在高温下长时间运行，低强度母材侧/焊缝是接头中的薄弱区域，都存在增、脱碳现象。DL/T752《火力发电厂异种钢焊接技术规程》)中建议焊接时采用低匹配的焊接材料，焊接材料选用ER55-B2（TIG-R30），Φ2.5焊丝打底，E5515-1CM (R307)，Φ3.2焊条盖面，氩电联焊方式进行焊接。打底焊时，电流为100~130A，焊接速度35~55mm/min；手工电弧焊时，采用多层多道焊，电流为70~95A，焊接速度50~75mm/min。

打底焊前用柔性陶瓷电阻进行焊前预热，温度为150~200℃，预热宽度应≥300mm，层间温度为150℃~400℃。焊接完成后，应立即进行焊后热处理，用4K分度绝缘型铠装热电偶进行控温，并使用KCA型补偿导线，严格监控加热温度，加热宽度≥300℃，保温宽度≥400℃。

根据标准要求焊后热处理应按加热温度要求较低侧的加热温度的上限来确定，12Cr1MoVG钢的热处理温度为720~750℃，A691Gr.1-1/4CrCL22钢的热处理温度为670~700℃，按要求两者热处理加热温度应选择700℃进行焊后热处理，但12Cr1MoVG钢的最低热处理温度为720℃，若按要求采用较低侧加热温度700℃进行焊后热处理，则12Cr1MoVG钢侧的母材、热影响区及焊缝熔合区所需的热处理工艺效果就无法保证，无法有效获得所需的金相组织和力学性能，使其焊缝在今后运行中极易产生裂纹等缺陷，存在安全隐患。

A691Gr.1-1/4CrCL22钢的相变临界点A_C1温度为740℃，只要热处理加热温度不超过A_C1的温度，焊接接头及母材金相组织就不会发生珠光体P向奥氏体A的转变，冷却后也不会使组织晶粒过大和碳化物聚集长大等组织变化，就能有效保证焊接接头及母材获得所需的金相组织和力学性能，达到所需的热处理工艺效果。

综合上述考虑12Cr1MoVG钢与A691Gr.1-1/4CrCL22钢异种钢焊接接头的焊后热处理温度选择720℃，恒温1h，升温速率≤300℃/h，达到恒温时间后缓慢冷却，降温速率≤300℃/h，冷却至300℃以下时可断电自然冷却。考虑到热处理加热温度720℃与A691Gr.1-1/4CrCL2钢A_C1温度740℃仅相差20℃，处理过程中热电偶的误差和周围射频信号对热处理机数字显示干扰以及同一施工电源中其他大功率设备启停对热处理设备电流电压的影响，因此热处理过程中应使用校验准确精度高的热电偶，恒温过程中应尽可能避免周围不利因素对于热处理设备的影响，应设专人严格监控热处理过程中的最高加热温度，以保证热处理的质量。

4.2 A691Gr.1-1/4CrCL22钢与A691Gr.1-1/4CrCL22钢的焊接及热处理工艺

A691Gr.1-1/4 CrCL22同种钢对接焊口，规格为Φ558.8×16mm，采用氩电联焊方式进行焊接，焊接材料选用ER55-B2（TIG-R30）， Φ2.5焊丝打底，E5515-1CM (R307)，Φ3.2焊条盖面。打底焊接时，电流为115~130A，焊接速度35~60mm/min；手工电弧焊焊接时，电流为100~120A，焊接速度50~80mm/min。

焊前预热，预热温度150~200℃，预热宽度应≥300mm，层间温度150℃~400℃。

焊接完成后，缓冷至80～100℃，保温1～2h 后立即进行焊后热处理。热处理温度670~700℃，恒温1h，升温速率≤300℃/h，达到恒温时间后缓慢冷却，降温速率≤300℃/h，冷却至300℃以下时可断电自然冷却。

4.3 A691Gr.1-1/4CrCL22钢与A106B钢的焊接及热处理工艺

A691Gr.1-1/4 CrCL22与A106B钢，异种钢对接焊口，规格为Φ558.8×16mm，焊接时材料选择按采用低匹配原则，焊接时选用ER50-4（J50）, Φ2.5焊丝打底，E5015（J507）， Φ3.2焊条盖面，打底焊接时，电流110~135A，焊接速度40~60mm/min；手工电弧焊焊接时，电流应为70~95A，焊接速度50~80mm/min。

异种钢焊口两侧均为非奥氏体型钢时，应按母材预热温度高的选择预热温度，预热温度150~200℃，预热宽度应≥300mm，层间温度150℃~400℃。

当两侧均为非奥氏体型钢时，其焊后热处理温度应按加热温度要求较低侧的加热温度的上限来确定，所以不需要进行焊后热处理，焊接完成后缓冷。

5 焊接工艺要点和质量检验

5.1焊接前，材料应该洁净。焊条应进行烘干，坡口内、外两侧的油污、锈迹等应清理干净。

5.2氩弧打底焊时，应采用直流正接，钨极为φ2.5mm，氩气流量为8-15L/min，氩气纯度不低于99.99% 。

5.3焊条电弧焊时，采用直流反接，宜用较小的电流，小滴过渡可减少熔深和降低稀释率。

5.4焊接时,应选用较低的层间温度和较小的焊接电流，焊条不做横向摆动,收弧时应填满弧坑。

5.5每层焊缝焊接完毕,应用钢丝刷或砂轮机将焊渣、飞溅等杂物清理干净。

5.6焊接接头应进行100%外观检查和100%超声波无损探伤检验。

5.7焊接接头采用里氏硬度计进行硬度检测，不进行焊后热处理的焊接接头，不进行焊缝硬度检验。

6 结束语

高旁阀门后至冷段管道更换为合金管道的焊接接头，尤其是异种钢接头成分差异大，组织、性能不同，焊接难度大，根据实际情况采用合适的焊接及焊后热处理工艺，可以有效保证焊接接头的焊接质量。

第一作者简介：

曾祥涛，性别：男，1979年10月出生，2001年毕业于内蒙古工业大学，材料成型与控制工程专业毕业，高级工程师，现为内蒙古京海煤矸石发电限责任公司金属焊接监督专业工程师。