电站阀门用高合金耐热钢焊接工艺的分析

        1 概述
        随着我国经济的高速发展，社会用电需求量不断增加，火力电站建设也在飞速发展。在火力发电汽轮机组中，超（超）临界汽轮机具有效率高、煤耗低和污染物排放量低等优点，被国内外火力发电厂大量而广泛地采用。超（超）临界汽轮机（1000MW）主蒸汽参数为压力25MPa，再热蒸汽温度600℃。火电机组主蒸汽管道、再热蒸汽管道热段的使用材料由珠光体耐热钢的10CrMo910（DIN17175）、ASTMA335－P22发展到使用X20CrMoV121（DIN17175）、ASTMA335－P91、10Cr9Mo1VNb（GB5310－1995）等含有马氏体的铁素体耐热钢。与珠光体耐热钢管对焊连接的电站阀门铸件是选用ZG20CrMoV、ZG15CrMo1V、WC6、WC9材料，通过机组常年运行证明，这些材料是完全可以满足各方面技术性能要求的。1984年，ASME和ASTM将P91引入标准后，国际上P91材料在火电厂大容量机组的主蒸汽管道、再热蒸汽热段管道逐步被广泛应用。P91材料的开发成功，使珠光体耐热钢和奥氏体耐热钢之间增加了新材料，填补了火电厂蒸汽管道在590～650℃温度范围内的材料空缺，使超临界机组和超超临界机组的发展有了相应的材料基础。P91钢相比珠光体耐热钢主要是减小了管道壁厚，如主蒸汽管道、再热蒸汽管道壁厚减小约一半，电站阀门受压件壁厚减小40%以上，产品自重减小65%以上，提高发电效率8%左右。
        早在70年代初，美国开始着手研究9Cr－1Mo钢，且在不断改进，直到1983年研制出改进型的9Cr－1Mo钢，这是一种在9Cr－1Mo的基础上加一定量的Nb、V、N等元素的合金。同年P91钢被美国材料试验学会（ASTM）和美国机械工程师学会（ASME）正式接受为锅炉管道用材料。其材料级别为ASTM213－T91和ASME/SA335－P91。随着P91材料的广泛应用，我国的相关标准也进行了相应的补充和完善。如JB/T5263－2005中电站阀门铸钢件材料增加了C12A，GB5310－2008中增加了10Cr9Mo1VNbN和10Cr9MoW2VNbBN等。
        低合金耐热钢（15CrMo、20CrMo、12CrMoV、WC6、WC9等）在我国应用比较广泛，其焊接性良好，只要采取合适的预热温度和焊后消除应力热处理，可以得到满足要求的优质焊缝。而P91/F91、P92/F92材料合金元素较高，焊接性明显下降。电站阀门主要零部件采用C12A、P91/F91、P92/F92材料给阀门制造中的焊接工序带来一定难度，选用合适的焊接工艺方法，适宜的填充材料，合理的焊接工艺规范是电站阀门制造的重要环节。本文仅就这类材料的铸件补焊、结构焊接及耐磨堆焊等实施要点加以阐述。    
        2 铸件的补焊
        在JB/T5263－2005和ASTMA217标准中均明确了可以采用补焊的方法对C12A铸件的缺陷进行修复，并规定了具体的要求。
        ①补焊前应根据合同、图样或工艺要求对铸件进行磁粉、渗透、射线或超声波检测，对检测到的缺陷应进行清除，清除后方可对铸件实施补焊。
        ②铸件的补焊应在铸件热处理前按有关补焊工艺进行。
        ③补焊时应选用焊缝金属与母材成分一致或相近的、力学性能等级相同的焊条进行补焊。
        ④当补焊是用来修补铸件的水压试验泄漏或修补处的凹坑深度超过铸件壁厚的20%或25mm（1in．）两者中的较小值，或者该凹坑的面积超过65cm2（10in．2）时。补焊后应进行消除应力热处理，并明确记录焊后热处理工艺。补焊后应对补焊部位采用检验铸件的相同标准进行射线检验。
        ⑤铸件同一部位缺陷的补焊次数不得超过2次。
        表1为ASTMA217－2002和JB/T5263－2005中C12A材料的化学成分与力学性能的比较。由表1可以看出，JB/T5263－2005中C12A铸件的化学成分、力学性能与ASTMA217－2002中C12A铸件的要求基本一致，只是S的含量有些偏差。    

表1 C12A铸钢件化学成分及力学性能

        C12A铸件的补焊一般采用焊条电弧焊的方法。由于细晶粒钢的晶粒长大的驱动力较大，必然导致焊接热影响区（HAZ）晶粒严重粗化和软化，这将影响整个接头性能与母材性能相匹配性。焊接冷裂纹是焊缝在焊后冷却过程中，在Ms点以下的温度范围内形成的一种裂纹，危害性极大。
        为获得与母材相等性能的焊接接头，需要对焊接材料、焊接方法及焊接工艺进行合理选择。防止晶粒粗化和软化的措施是控制焊接线能量，一般焊接线能量不超过20kJ/cm。铸件焊后热处理是消除较大缺陷补焊后造成的内应力的有效方法，是电站阀门铸钢件在长期使用中保持稳定的组织状态的必要手段，有助于控制铸件内在质量。选择合适的焊接材料也是非常重要的，国内焊条牌号R717和符合美国AWSSFA5.5中的E9015－B9电焊条均能满足要求。     3 轧锻件结构焊接
        阀门的结构焊接是指阀门主体（阀体）与接管、阀体与阀座的连接焊缝或其他阀件之间的连接焊缝。电站阀门的结构焊接与铸件补焊相比，结构焊接增加了P91/F91、P92/F92等锻件材料，铸件补焊注重于补焊部分与原材料的均质性，而结构焊接更注重于连接焊缝的力学性能满足于使用要求。
        由于铸件补焊受补焊位置所限只能采用焊条电弧焊，而结构焊接是设计的焊缝结构，可采用熔化极（GMAW）气体保护焊、非熔化极（GTAW）气体保护焊及埋弧自动焊（SAW）等高效率的焊接方法。
        表2中10Cr9Mo1VNbN、10Cr9MoW2VNbBN钢管材料与F91、F92锻件材料的化学成分和力学性能的对比，其化学成分基本一致。GB5310给出了冲击韧性指标，而ASTMA182无此项要求。

表2 10Cr9Mo1VNbN等锻件材料的化学成分和力学性能

        在10Cr9Mo1VNbN类钢的焊接中，首先考虑的是焊缝金属与母材的一致性。一般说，在所有冷却条件下，10Cr9Mo1VNbN类钢焊缝金属组织均为马氏体（或少量的铁素体），其焊态硬度可达450HV。因此，应特别注意焊缝氢致裂纹的产生。所以，焊接过程中选择正确的预热温度和层间温度。对一些厚大工件，可采用手工钨极氩弧焊封底+焊条电弧焊+埋弧自动焊的组合工艺方法，并注意焊接要点的控制。
        ①钨极氩弧焊封底焊时，采用ER90S－B9焊丝，工件预热≥160℃。为保证封底焊透、成型好、不氧化，焊接时背面应充氩气保护。焊后缓冷至室温进行渗透检查。
        ②封底焊后，采用焊条电弧焊焊2～3层以便采用埋弧自动焊。焊条电弧焊施焊时，采用E9Mo-15或E9015-B9电焊条，工件预热≥205℃。施焊时，层间清理焊渣，并控制层间温度在205～300℃之间。
        ③埋弧焊接时，采用ER90S－B9焊丝。施焊过程中应控制层间温度，当工件温度低于205℃时，必须加热至205～300℃之间方可施焊。
        当10Cr9Mo1VNbN类钢的焊接完成后，由于工序的限制，往往不能立即进行焊后热处理，为了保证扩散氢有足够的时间逸出，避免裂纹产生，焊后应立即进行焊缝消氢热处理，温度为375±5℃，保温2h，缓冷至室温。焊缝冷却到室温，消除焊缝中未转变的奥氏体，使奥氏体－马氏体转变充分。因为转变的奥氏体内能滞留相当量的扩散氢。
        同时，残余奥氏体不受回火处理的影响，而在冷却后转变成新的未经回火的马氏体。此外，如果最终热处理温度选择不当，会引起冲击韧性下降。对于10Cr9Mo1VNbN类钢的焊缝，焊后消除应力热处理温度为740～760℃。

表3 10Cr9Mo1VNbN类钢焊接用焊条、焊丝的化学成分    Wt%

        4 密封面耐磨堆焊
        4.1 堆焊材料
        电站阀门密封面常用堆焊材料有司特立合金（stellite）、D547Mo、SF－5T及SF－6T等。
        司特立合金是国内外阀门密封面较为常用的堆焊材料，是以钴为基本成分，加入铬、钨等元素组成的合金。合金的组织一般是奥氏体加碳化物加共晶组织，根据成分不同可以是亚共晶、共晶或过共晶组织。具有优良的耐腐蚀、耐磨损、耐冲蚀和高温抗蠕变性能，满足了作为阀门密封面的使用性能的需要。
        司特立合金的组织与含碳量密切相关，当含碳量较低时，其组织是由树枝状结晶的铬、钨初晶和奥氏体与铬、钨复合碳化物的共晶体组成。随着含碳量的增加，奥氏体数量减少，共晶体增多，这种组织属于亚共晶型。当含碳量较高时，则显现为过共晶组织，由粗大的一次铬、钨复合碳化物加固溶体与碳化物的共晶体组成。通常司特立合金可以通过调整碳和钨的含量来改变其硬度和韧性，以适应不同的用途。由于司特立合金作为阀门密封面材料具有耐冲蚀、耐腐蚀、耐擦伤、耐磨损和高温红硬性等一系列优良使用性能，长期以来应用在电站阀门密封面上，实现了其安全性、可靠性要求。
        D547Mo焊条是在D557、D547等焊条的基础上发展起来的，D547Mo焊条适用于温度低于570℃、压力小于14MPa、介质为过热蒸汽的电站阀门密封面堆焊。其合金组成除采用一定量的硅元素强化外，还加入钼、钨、钒和铌等元素进行强化。钼、钨、钒和铌等元素能提高堆焊金属的热硬性，具有较强的时效硬化作用，同时钼还能改善材料的耐蚀性，铌可提高材料的抗晶间腐蚀性能。D547Mo焊条堆焊金属具有良好的高温抗擦伤、抗腐蚀等性能，有较高的高温硬度和良好的热稳定性和抗热疲劳性。堆焊金属时效硬化效果显著，随着时效时间的增加，硬度和抗擦伤性能有进一步提高。
        SF－5T是一种新型电站阀门用堆焊焊条，其合金组织以铬和锰为基础，加入钨、钼、钒和硼元素强化。金相组织是以奥氏体为基体并含有少量的铁素体，第二相硬质项是Fe2B和Cr2B以骨络状或网状分布的共晶硼化物，并有一定量的条状M23（C、B）6碳硼化物和豆状碳化物分布在晶界，形成耐磨骨架。合金中钨、钼和钒元素提高了堆焊层的红硬性和高温二次硬化效应。适用于介质温度低于500℃、压力小于6.4MPa的阀门密封面堆焊。
        SF－6T也是一种新型电站阀门用堆焊焊条，其合金组织以碳、铬、锰为基础，加入钼、硼元素强化。金相组织是以奥氏体为基体，二次相是碳化物、硼化物硬质项，碳化物类型为M23C6、M7C3、和M7（C、B）3碳硼化物，呈片状分布在枝晶间形成耐磨骨架。硬质相占焊层平均面积的13.5%，堆焊层高温组织稳定。硬质相的数量、结构、形态及分布对提高堆焊合金的各种高温使用性能和抗裂性起决定性作用。适用于介质温度低于555℃、压力小于17.0MPa的阀门密封面堆焊。

表4 电站阀门密封面材料堆焊金属化学成分  Wt%

        常用工艺方法有焊条电弧焊（SMAW）、钨极气体保护焊（GTAW）、埋弧焊（SAW）和等离子弧焊（PAW）等。堆焊金属的稀释率是评价堆焊层质量的重要指标。稀释率大，基体材料混入焊层熔敷金属的量多，改变了堆焊合金的化学成分，严重影响堆焊合金的性能，如硬度、耐蚀性、耐磨性和耐热性等。由于各种堆焊工艺方法的特点不同，亦产生不同的稀释率，且不同的堆焊材料堆焊在不同的基体母材上，由稀释率所产生的作用也不尽相同。欲获得低稀释率或无稀释率的表面工作层，则需根据堆焊材料和堆焊方法，合理地选择堆焊层数和厚度。
        4.2 堆焊工艺
        （1）焊前准备
        工件表面粗糙度Ra值应在12.5μm以下，并应严格清除表面的水、锈及油等污物，基体不得有裂纹、气孔或包砂等缺陷，棱角处应倒成圆角。焊前应根据基体材料和工件的刚度进行预热。在基体表面堆焊奥氏体不锈钢过渡层，加工平整后再进行耐磨堆焊，以提高抗裂性，避免产生裂纹。
        （2）操作要点
        尽量采用平焊位置。焊条摆动幅度不宜过大，一般不超过焊条直径的3倍。为减小基体熔深，堆焊时尽量采用规定电流的下限。多层堆焊，控制每层堆焊厚度在2mm左右，须堆焊3层以上。各层须用砂轮或钢丝刷进行清渣处理，并控制层间温度不低于预热的温度。堆焊结束时，逐渐熄灭电弧，以免在熄弧处熔池金属急冷而产生“火口”裂纹。焊后应进行消除应力热处理，或缓冷处理。
        （3）堆焊返修
        如堆焊层有局部“缺肉”等缺陷，可以局部补焊，但需按堆焊工艺（包括焊前预热、焊后处理等）进行补焊。如堆焊层有裂纹或缺陷面积较大，可将堆焊层全部加工去除，重新堆焊。同一部位缺陷补焊次数不得超过两次。
        5 结语
        电站阀门高温耐热钢的焊接无论是铸件毛坯的补焊还是轧锻件的结构焊以及密封面堆焊，在焊接实施前均应进行焊接工艺评定。为验证所拟定的焊接工艺的正确性所进行的验证过程及结果的评价，工艺评定应根据图样的规定或技术规格书的要求按照相应的标准进行。评定合格的工艺评定报告是编制指导生产的工艺文件依据之一，并作为产品的交工验证文件备查。
        堆焊工艺评定的一般过程是编制焊接工艺评定指导书，按照拟定的工艺参数堆焊工艺评定试件，试件外观和无损检验，试件破坏性检验（化学成分、金相检验及硬度检验等），检验结果评价，编制工艺评定报告。任一焊接工艺评定标准，都规定了所作的工艺评定可以有条件的覆盖一定范围，包括基体材料、填充材料以及焊接参数中的一些非重要变素等，当产品工件的基体材料或焊接工艺方法及一些焊接参数的改变超出了工艺评定标准规定的范围时必须重新进行工艺评定。
        参考文献
        〔1〕ASTMA182－2010，高温用锻制或轧制合金钢公称管道法兰、锻制管配件、阀门和零件〔S〕．
        〔2〕ASTMA213－2010，锅炉、过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金管子〔S〕．
        〔3〕ASTMA217－2002，高温承压零件用马氏体不锈钢和合金钢铸件〔S〕．
        〔4〕JB/T5263－2005，电站阀门铸钢件技术条件〔S〕．
        〔5〕GB5310－2008，高压锅炉用无缝钢管〔S〕．
        〔6〕高清宝，王德权，苏志东，等．阀门堆焊技术〔M〕．北京：机械工业出版社，1994．