高温金属膨胀节波焊接修复工艺

甘政，陈志远，邓微

（四川白马循环流化床示范电站责任有限公司，四川 内江 641000）

高温金属膨胀节波焊接修复工艺

甘政，陈志远，邓微

（四川白马循环流化床示范电站责任有限公司，四川 内江 641000）

四川白马循环流化床示范电站600MW循环流化床锅炉由我国自主研发。锅炉本体灰循环系统上有高温不锈钢膨胀节。在运行过程中，高温金属膨胀节随着内部耐火材料的老化，发生膨胀节波裂纹、破损等缺陷。更换现场大型高温膨胀节需要的工期长、材料费用较高，因此对膨胀波破坏部位进行修复更合理，能节约大量的生产成本。高温金属膨胀节波由于材料合金元素较多、厚度较薄，增加了修复难度。笔者采用防变形工艺和焊接时防裂纹工艺，解决并克服了技术上的难点，为企业赢得了效益。

焊接；裂纹；变形；膨胀波；延伸性

循环流化床锅炉运行过程中，对灰道的磨损量较大，特别是灰循环道上的金属膨胀节更容易磨损。减少磨损的主要方法，一是加强膨胀节内部耐火材料的质量，二是修补金属膨胀节波，降低整体更换周期。

1 金属膨胀节波故障分类

（1）撕裂破坏（图1）：裂口呈线性布局，可长可短，整个裂口不会发生卷边及大的破口，破口直径一般不会超过5mm，对这种情况，可采用直接焊接破口进行修复。

（2）磨损破坏（图2）：磨损破坏可以在波形内壁明显感觉有磨损刀口状。并且破口比撕裂破坏更大，最大可达到20mm左右。同时磨损破坏会减薄膨胀波的厚度，使焊接修补更加困难。

（3）过热破坏（图3）：一般发生在高温膨胀节波峰，由于高温使金属膨胀节母材整体抗破坏强度降低，在内部带压流体的作用下，膨胀节波损坏更恶化，甚至可能造成整个膨胀波全部损坏报废。

图1 撕裂破坏示意图

图2 磨损破坏示意图

图3 过热破坏示意图

2 焊接分析

2.1 母材分析

耐高温不锈钢膨胀节波采用的材料为310S。

310S（06Cr25Ni20）不锈钢是奥氏体铬镍不锈钢，具有很好的抗氧化性、耐腐蚀。化学成分特性中以铬、镍为基础添加其它微量元素，其组织为面心立方结构，因而在高温下有高的强度和蠕变强度。同时在奥氏体不锈钢中增加碳的含量后，由于其固溶强化作用使整体强度得到提高。

钢材特性（表1）：硬度(HB) ≤187；抗拉强度(бb)(MPa) ≥520；屈服强度(σs)(MPa)≥205；伸长率(δ)% ≥40。

310S材料中Ni的含量和Cr的含量较高，膨胀节波板厚度均在2mm以下，使合金材料的溶入性差，增加了焊接难度。

2.2 结构分析

膨胀节结构主要由膨胀波，前后接口管，和内部衬管构成。材料均使用310S钢板制成，衬板厚度为6mm，接口管厚度为6mm，膨胀波厚度为1.5mm，并且没有刚性支撑。所有在安装金属膨胀节时，要预留膨胀变形量，在热态运行过程中X、Y、Z三个方向均要发生变化。膨胀波要承受这种变化引起的外应力，使修复难度增大。

2.3 难点总结

通过对材料和结构的分析，我们可以看出在焊接时，可能产生两个问题。

（1）焊接时不锈钢板发生波浪变形（图4）：焊接过程中，由于局部高温加热造成焊件上温度分布不均匀，焊件内部产生了焊接应力与变形。另外焊缝在冷却时，焊液由液态转化为固态，由于焊缝金属与母材之间是紧密连接，焊缝金属不能自由收缩，引起整个焊件变形。同时金属膨胀节波采用薄板，薄板在抗击热变形的能力较差，收缩率大，焊接时产生波浪变形，增加了焊接难度。

表1

图4 波浪变型示意图

（2）焊缝热裂纹：由于310S有合金元素镍存在，熔入奥氏体的镍合金元素使钢的淬透性提高，镍含量越大，淬透性越高。焊接时热影响区中将形成马氏体组织，熔池附近的晶粒非常粗大，有魏氏组织产生。魏氏组织是一种过热缺陷，该组织中铁素体或渗碳体的针片，使钢的强度降低，由于高温使碳化物脆化，使钢的脆性增大，造成焊缝开裂。

3 焊接工艺

3.1 焊接方法选择

（1）焊接采用氩气保护焊接，氩弧焊可隔离空气中氧气、氮气、氢气对电弧和熔池产生的不良影响，减少合金元素的烧损。另外焊接时电弧燃烧稳定，热量集中，热影响区窄，焊接应力、变形、裂纹倾向小。

（2）对于薄壁金属焊接，氩弧焊焊接能快速融合，不会对母材产生损坏，焊接后稳定性较好。

（3）膨胀节波损坏在外部，使用一样的材料尺寸制作外套波，镶套在损坏的膨胀波上，通过夹具进行刚性固定后，再进行焊接，这样比纯粹的修补波更好，也能大大增加膨胀节波的强度，特别是裂纹原因为磨损破坏和撕裂破坏时，不利于焊接直接修复的时候，这种方法更加有效和可靠（图5）。

图5 修补镶套示意图

3.2 焊材选择（表2）

焊丝选用H12Gr26Ni21Si AWS型号：ER310φ2.5。

钨极选用TIG氩弧焊钨极采用铈钨极φ2.4。

表2

3.3 焊接技术要求

（1）焊前准备：由于薄板焊接时容易产生变形，所以在焊接时需要对薄板使用夹具进行刚性固定，由于膨胀节波较薄，固定式时需要在内壁上增加固定块，外壁上增加压紧块，固定装置着力点必须布置在烟风灰道内外壁厚母材上（图6）。

图6 夹具示意图

（2）焊接工艺：把整个焊接分为几段焊接,使各部分都能自由的收缩。焊接时要先弧焊缝，次直焊缝，这种方法能防止局部过热，减小魏氏组织的出现。

在直焊缝焊接时采用逆向分段退焊法焊接。焊接顺序如图7。

图7 逆向分段退焊法示意图

在弧焊缝时采用跳焊法焊接，弧焊缝的主要难点是在接头部位，这里的焊接由于不在一个平面上，热应力分布不均，更容易发生变形（图8）。

TU995.3

A

1671-0711（2016）12（上）-0120-03