镍基焊丝(ErNiCr-3)施焊Super304H焊接工艺的现场应用

颜海军

摘要：由于Super304H钢近几年来在我国600MW及以上的超超临界机组上的大量应用，导致目前与Super304H钢材匹配的焊材严重缺乏，被厂家垄断，导致价格奇高。200X年X月X日由各大发电集团、中国电力科学研究院、西安热工研究院、苏州热工研究院、多家电力建设施工单位、焊接材料生产厂家等XX家单位XXX名代表在XX就Super304H钢选择代用焊接材料（ErNiCr-3）经过充分讨论达成共识并提请电力行业电站焊接标准化技术委员会认可同时形成会议纪要。根据会议纪要的要求我公司在完成合格焊接工艺评定的基础上，在苏州望亭电厂改建工程#4锅炉后屏过热器项目上首次现场施工，并取得了圆满成功。

关键词：Super304H；镍基焊材（ErNiCr-3）；焊接工艺；现场应用

中图分类号：TG4文献标识码： A

1前言

1.1Super304H钢简介

Super304H是20世纪80年代末，日本住友金属株式会社在TP304H的基础上开发出来的的新型18-8型奥氏体耐热钢。

该钢种是在TP304H的基础上适当的增加C元素的含量；降低Si、Mn、Ni、Cr等元素的含量；新添加了适量的Cu、Nb、N等元素。SUPER304H 钢管的供货状态为固溶处理。经最终的固溶处理（最低固溶处理温度1100℃）的热处理后，金相组织为单一的奥氏体组织，晶粒度为7~10 级。

日本住友公司Super304H钢的钢管制作流程为：熔炼—热轧—对管材进行热挤压冲孔—软化处理—拉拔—固溶处理—成品

表1：TP304H和Super304H钢的化学成份比较

钢号 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

与TP304H钢相比Super304H在抗高温腐蚀性能、蠕变断裂强度方面有了很大的改善，从2000年开始这种钢材在日本、韩国、美国等电站上已经广泛的被应用于制造蒸汽温度≤600/610℃、蒸汽压力≤27MPa的过热器和再热器管。最高使用温度为≤610℃（日本橘湾火力1号），最大使用压力为≤27MPa（韩国泰安发电厂）；近年来在我国许多600MW及以上的超超临界机组上也被大量引进使用。

1.2YT304H和ErNiCr-3焊丝对比

YT304H是日本住友株式会社为Super304H钢配套研制的焊丝，ErNiCr-3是目前一种被广泛应用的镍基焊丝

表2：YT304H和ErNiCr-3焊丝的化学成份比较

焊丝 规格 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施工现场情况简介

苏州望亭发电厂2×660MW改建工程#4锅炉后屏过热器全部使用Super304H，具体参数是：设计温度：XX℃、工作温度：XX℃；设计压力：XXMPa、工作压力：XXMPa；其中φ47.6×6计840只、φ54×7计20只、φ54×10.5计20只，合计880只。

我们在完成镍基焊丝（ErNiCr-3）施焊Super304H的焊接工艺评定的基础上，认真仔细的学习、消化、吸收了工艺评定的每一项数据以及评定过程中的所有的注意事项，结合现场施工的实际情况编写了作业指导书，制订了详细的焊接施工工艺（焊接工艺卡），并对所有参与施工人员进行了详细的技术交底，对整个施工过程进行了严格工艺旁站，获得了满意的焊接接头，圆满完成的现场的施工任务。

2．焊接工艺

2.1焊前准备

2.1.1经过 认真筛选挑选几名技术精湛、工艺纪律严谨、基本功扎实的优秀焊工，经过Super304H钢管材考核合格，并取得相应项目的合格证书。正式施焊前经过近半个月的岗前模拟练习，来熟悉Super304H管材、ErNiCr-3焊材的焊接性能。

2.1.2管子在组对前，应将坡口表面及内外壁至少10mm范围内的清理干净，直至露出金属光泽，并检查管端应无重皮、裂纹、毛刺等缺陷。打磨时先采用角磨进行粗打磨，正式施焊前再用除锈抛光角磨进行一次精打磨，对打磨完毕暂时不焊的口，用封口胶带进行封闭并保证管内干燥。

2.1.3焊前应检查对口装配情况，坡口型式应符合图纸要求，对口尺寸如图一所示。

图1 管子对口详图

2.1.4管子对口必须要做到内壁齐平，如有错口，错口值不应超过壁厚的10%，且不大于1mm。

2.1.5为便于引弧和提高电弧稳定性，应将铈钨棒磨成圆锥型。其形状如图2所示。

图2 铈钨棒修磨尺寸

2.1.6对口前应在管道内设置气室，便于充氩保护，充氩方案有两种，视具体工况现场决定采用何种充氩方案：

方案1：要求如下（见图3）：

a)充氩保护范围以坡口中心为准，每侧各200-300mm处，以可溶纸或其它可溶材料，用耐高温胶带粘牢，做成气室。

b）采用“气针”从坡口间隙中插入进行充氩，开始时流量可为10-20L/min，施焊过程中流量应保持在8-10L/min。

图3

方案二要求如下图4

c）充氩保护范围以坡口中心为准，在坡口中心的一侧200-300mm处，以可溶纸或其它可溶材料，用耐高温胶带粘牢，并用石棉布把坡口塞严，形成气室。

d）采用“气针”从管子敞开的一端插入进行充氩，开始时流量可为10-20L/min，施焊过程中流量应保持在8-10L/min，焊接过程中把塞在坡口上石棉布拿开一小段焊接一小段，直至整个焊口全部焊接结束。

图4

优先推荐使用第二种充氩方案，这种方案尽管会多消耗氩气，但是氩气保护的效果明显优于第一种充氩保护方案。

在管子内设置气室时都要注意不能将出气的一端（充氩保护气流的下游封堵处）完全堵死，应留一定的空隙可以让氩气缓慢流过。焊接过程中特别是打底层收弧时要注意气室内的氩气压力，根据保护气室内的氩气压力变化情况随时对充氩氩气流量进行调节；避免氩气从内侧挤压焊缝根部，造成焊缝根部内凹或者成型不良。

在进行岗前模拟练习的过程中我们就发现无论是Super304H管材还是ErNiCr-3焊材熔化后都极易氧化所以对充氩氩气以及熔池保护氩气的纯度要求比较高，我们使用纯度≥99.999%的高纯氩进行充氩及焊接保护。

高纯氩的质量大致按以下几个等组来区分：

项 目优级品 一等品 合格品

纯度≥ 99.99969.9993 99.999

2.2焊接工艺

2.2.1焊接工艺参数如下表所示：

焊层

道号 焊接

方法 焊条（丝） 电源 电流 电压范围

V 焊接速度

mm/min 氩气流量

L/min

型号 规格mm 极性 范围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点焊前，应先充氩气保护，并确认气室内以充满氩气。确认方法为点燃的香烟或打火机靠近坡口，如果香烟或打火机熄灭则氩气已经充满气室。氩气开始从坡口处溢出时，可适当降低氩气的流量，氩气流量过大会对打底焊缝造成挤压，影响成型。

2.2.3当有缺陷需要返修或坡口需要加工时必须采用机械方法，不得采用等离子或火焰。

2.2.4焊接时采用带有高频引弧与电流衰减功能的焊机和氩弧焊枪。

2.2.5与其他奥氏体钢焊接相同焊接此类新型奥氏体钢首先要防止焊缝（或过热区）发生高温裂纹，因此我们采用全氩弧焊工艺（Ws）降低热输入；同时还要控制好层间温度，层间温度一般控制在100℃以下（第一层焊完后让其冷却到不烫手时再焊下一层），必要时可采取强冷措施（如用干净的湿毛巾覆盖焊口两侧，必须用纯净水来湿毛巾）。

2.2.6因奥氏体不锈钢线膨胀系数大，焊接收缩量大，在接头区易造成较大的应力，因此宜采用小线能量并控制层间温度不能过高。线能量一般控制在12KJ/cm以下。

2.2.7如果是排管，对口间隙宜调整成阶梯式，以保证部分管子焊完收缩后其余管子有合适的间隙。另外，将每根管子之间的鳍片顺着管线方向切开长300mm左右的缝以利于单根管收缩。

A）在焊接过程中，在熔滴过度时，熔滴上包裹一层氧化膜，使熔滴过度比较困难；包裹的氧化膜厚，熔池结晶过程中浮出的氧化物杂质比较多，打磨量也比较大；

B）容易出现未熔合，主要集中在焊道夹角处及焊口最后收头处，特别是在焊口最后收头处，呈“肚脐状”未熔合。另外这种焊丝的熔化和流淌性稍差一些，在送丝过程中，焊丝添加量稍多，便会形成背面焊道上的“褶皱样”未熔合；

C）背后熔池不清晰，正面观察坡口夹角处看似熔化，但根部会出现断续未焊透，感觉熔深浅，焊接过程中电流要比焊接普通不锈钢的电流要小，操作难度有所增加。

2.2.8打底焊要控制好电弧，运弧及送丝要均匀。由于熔池合金含量高，施焊时应采用焊枪的推力保证根部成型，不能靠送丝的力量来突出根部，氩弧焊打底焊应确保根部熔透和坡口边缘熔合良好，填满弧坑后移向坡口边沿收弧，防止产生弧坑裂纹。

2.2.9为保证接头质量，起弧时应尽量从死角位置开始，并长出死角一定长度，方便对方接头。焊缝中间部位接头时，为避免缩孔、裂纹等缺陷，可将先完成的打底焊缝的接头部位打磨减薄一定厚度。

2.2.10当发现根部打底有成型不良时，应谨慎修磨，待焊缝冷却至室温后补焊，如补焊后成型仍不良，应切除后重新对口焊接。严禁采用通过焊枪重复熔化母材、焊缝以消除成型不良或缺陷的方法。

2.2.11打底结束后应仔细检查焊缝表面的氧化膜和过渡时形成的小颗粒等，如有，应及时打磨清除干净，以免进入下层焊缝，影响施焊质量。

2.2.12进行加厚层焊接时，要特别注意，以防烧穿。第二层焊接时应继续充氩保护，以免根层受热严重而被氧化。施焊时应特别注意两个接头处，必须熔合良好，收弧时应衰减电流，待熔池填满后再收弧，防止产生弧坑裂纹，检查合格后方可焊接次层。每层焊道的厚度为焊接工艺卡上的规定值，不允许加厚焊道，减少层次；层间接头应错开。

2.2.13管排间距较小的，焊接时应特别注意两管之间的死角部位，防止因焊枪角度不当引起未熔、气孔、咬边等缺陷。

3.结束语

对880只Super304H现场安装焊口进行了100％的RT检测，一次合格率达到了95.8％，焊接质量优良，得到业主的好评，为江苏电建一公司争得了荣誉。望亭施工现场采用的技术控制措施是合理可行的。

参考文献：

[1]《火力发电厂焊接技术规程》（DL/T869－2004）

[2].《焊接工艺评定规程》（DL/T868－2004）

[3].江苏电建一公司焊接工艺评定（C013）

[4].中国电力出版社《新型耐热钢焊接》杨富章应霖任永宁李为民