火电厂管道异种钢的焊接问题及解决策略探讨

火电厂管道异种钢的焊接问题及解决策略探讨

李利

大唐华银金竹山火力发电分公司 湖南冷水江市417500

摘要：火电厂的锅炉以及汽机管道都需要进行异种钢的焊接工作，在异种钢的焊接过程中，为了使管道能够正常使用，必须有效提高焊接质量，保证焊接部分的使用寿命和可靠性。焊接热处理是异种钢焊接的重要环节，若后期热处理不当会对焊接接头的组织造成一定的影响，甚至加快异种钢焊接接头的失效，严重时可能造成安全事故，因此必须要重视热处理过程，并且选择合适的热处理工艺，以保证焊接接头的使用质量。

关键词：火电厂；异种钢；焊接热处理

随着电力能源需求的增长，火电厂建设规模越来越大，其中应用的高参数机组数量逐步增加，而在这种机械设备中，常用到异种钢焊接构造。所谓异种钢，是指焊接接头两端母材化学构成、组织、功能存在明显差异的钢，这种材料性质特殊，在焊接热处理时存在较多问题，影响管道焊接质量，继而影响到火电厂的正常运行，应加以重视，及时处理[1]。鉴于此本课题围绕“火电厂管道异种钢的焊接热处理问题”进行分析研究具备一定的价值意义。

1、异种钢焊接的定义

一般情况下，异种钢焊接是指将多种材质的钢材，通过焊接的方式进行连接，使其熔融在一起，比如最为常见的异种钢焊接有马氏体钢与珠光体刚焊接、非奥氏体钢与奥氏体钢焊接和贝氏体钢与珠光体钢焊接等。

1.1异种钢焊接的接头特点

就焊接的本质而言，异种钢焊接接头与同种钢焊接接头之间存在着差异性，这种现象出现的原因，归根结底是两侧位置的焊接热影响区域、熔敷金属热影响区域以及母材不均匀。

1.1.1化学成分不够均匀

在焊接钢材期间，加热时两侧位置的母材融化量、母材融化区和融敷金属的各类成分受到稀释作用的影响而出现不同程度的变化，导致化学成分存在着严重的不均匀现象。

1.1.2组织成分不够均匀

接头内部的所有组织因为受到焊接时的热循环影响而出现不均匀的问题。另外，在极个别的区域范围内，还将会出现具有复杂性的组织结构。

1.1.3应力场分布不够均匀

异种钢焊接接头位置的导热系数和膨胀系数受到成分和组织变化等因素影响，呈现出差异性。塑性区域也因为热膨胀系数的不同而不同。热应力也因受到导热系数的影响而出现不同。当热应力和组织应力共同产生作用的时候，将会在异种钢焊接的接头位置形成应力峰值，导致接头发生断裂。

1.2异种钢焊缝技术成分与组织控制

因为焊接异种钢时母材与焊材不同，需要对焊接金

属的性能、组织以及成分进行推算。对稀释率产生影响的

因素有以下 4 种：

1.2.1预热情况的影响

若是预热的温度增加，那么将会因为熔深增加而增大其稀释率。若是预热的温度下降，那么将会因为熔深减少而降低稀释率。所以在进行处理的时候，合理控制预热温度，适中处理。

1.2.2焊接参数影响

当电流量越大时，稀释率也就越大，当焊接速度降低时，稀释率也就越低。焊接参数值受到母材熔化单位面积的大小影响。

1.2.3焊接接头形式

坡口增大时，将会降低稀释率。当坡口减小时，稀释率变化将基本保持稳定。

1.2.4焊接方法。

2、火电厂管道异种钢焊接热处理问题分析

我国电力行业在新经济发展时代背景下，获得长足发展，并且为社会发展奠定坚实的物质基础。电力行业发展质量与建设水平受到火电厂机组的影响较大，各工业机组的运行容量日渐提升，成为行业发展的基础性保障。异种钢在工业机组容量扩展的背景下得以广泛使用，在连接异种钢时采取的焊接技术也逐渐被提上研究日程。为确保焊接作用得以维继，全新的焊接技术应运而生。但是在当前的行业应用中，焊接技术仍旧存在着应用弊端，亟待操作人员提出针对性解决方案，提升操作质量。

2.1对碳元素的影响

2.1.1碳迁移

在异种钢焊接中，若是出现碳迁移问题，则会导致熔合线附近出现扩散带，并在珠光体侧形成脱碳层，同时，还会在相邻奥氏体焊缝侧形成增碳层。当脱碳层由原本的珠光体转变为铁素体之后其本身的硬度会随之减弱，进而出现软化，这样一来极容易引起晶粒长大;而增碳层由于铬的碳化物析出会表现出硬化状态，从而使高温强度大幅度下降，在这一过程中，焊缝位置处的脆性会随之增大。此外，热处理的时间越长、温度越高，扩散带增大的幅度就越大。相关研究结果表明，当异种钢熔合线附近出现碳迁移时，其接头位置处极有可能形成低应力蠕变断裂，由此会导致接头失效。

2.1.2碳化物

相關研究结果表明，当焊接热处理的温度≤650℃时，异种钢碳化物的析出时间较长，并且会随着时间的推移不断长大;当焊接热处理的温度≥675℃时，碳化物会先长大，并随着时间的推移逐步变小。如果对异种钢进行焊接热处理时温度控制的不到位，则会对碳化物造成影响，这样极有可能引起接头早期失效。

2.2对网状组织的影响

火电厂中有一些运行环境较为特殊的管道采用的是高合金钢，焊接热处理会促进此类钢材网状组织的形成。以高合金钢中比较常见的奥氏体钢为例，在焊接热处理时，高温会使碳化物的析出速度大幅度提升，由此会对奥氏体钢的焊接接头产生不利影响，若是碳化物沿着奥氏体晶界析出，则会形成网状结构，这种情况在母材的热影响区比较常见。

3、处理火电厂管道异种焊接的热处理问题对策

3.1提高技术

3.1.1方法的选择

进行异种钢焊接作业时选择的焊接方法十分重要，会直接影响到作业的质量。所以在选择异种钢焊接方法时要注意尽可能地满足对焊接质量的要求，还要尽可能地减小熔合比，避免裂纹的产生，并且还要尽量满足选择的焊接方法的经济性和先进性。比如，把焊条电弧焊当作首选，因为其焊条的种类比较多，适应性比较强;如果是高铬马氏体钢和珠光体钢进行焊接，就可以首先选择二氧化碳的气体保护焊;如果是高合金的异种钢进行焊接就可以选用氩弧焊;如果是比较简单的异种钢进行焊接，则可以选择钎焊或扩散焊接。

3.1.2优选材料

（1）要尽量不产生缺陷，如裂纹等，如果不能兼顾塑性和强度，就可以选择韧性和塑性都比较好的材料。

（2）只要选择了符合焊缝金属性能的2种母材之一，就认为其满足了使用性能的要求。

（3）在选择不同强度的焊接用钢时，要从强度比较低的母材中的材料中选择。

（4）如果预热等工艺的措施不同，进行选择时要根据高强度的母材来确定。

（5）选择材料时要尽量选择高抗裂性的材料，比如碱性焊条。

（6）在不能预热或无法进行焊后热处理的情况下，可以通过奥氏体不锈钢的焊条，优化焊缝金属的塑性、韧性等特性。

（7）如果进行的是低、高合金钢的异种钢焊接，则首先要稀释焊缝金属。

（8）在尽量满足使用性能的前提下，要尽量选择工艺性能比较高且价低易得的性价比高的焊接材料。

3.2优化工艺

3.2.1事前准备

在进行焊接之前，要将管道周围的温度计、孔板等相关的仪表拆除，还要注意保护拆出口;此外，还要检查进行焊接热处理要用的设备如电加热器、记录仪、热处理设备、补偿导线等的质量，在保障设备正常运行的前提下，还要把这些检校合格设备到监理工程师处审核，再经过审核后才可以投入使用，此外要对需要进行焊接热处理的焊缝数量有一个精准的统计，如果异种钢的材料是镍基材料，还要在进行焊接前做好清洁工作。

3.2.2检查工作

如果焊接的对象是室外的管道，则在进行施工前要搭设好防风雨棚，尽量减小天气变化对异种钢焊接热处理的影响，同样，还要注意检查进行异种钢焊接热处理的周围环境条件，使之满足相关的要求，保证环境内没有无关的物品。在进行异种钢热处理之前，可以提前全面地检查其准备工作的情况，包括选择的测温点是否合理等，只有检查通过了，焊接热处理工作才能继续;此外，还要进行焊接热处理焊缝的探伤，只有保证了前一步的焊接工作的尺寸、规格等都合格，才可以进行下一步的工作，如果发现了不合格的问题，就必须返修，待完工后再次进行探伤，技术人员切不可抱有侥幸心理。

3.2.3对缺陷的热处理

（1）过热。如果焊件退火时在断口上出现了粗大的晶粒，或者在淬火的断口上出现了比较粗的马氏体形状，这大多是因为在进行加热时的加热工艺不熟练，如：因为加热的温度太高、处在高温的时间太长，就导致构造粗化，进而降低了焊件的塑性、硬度和韧度，甚至会导致裂纹的出现。如果想要避免过热的问题，就需要深入掌控加热的温度，还要尽量减少停留在高温的时间，如果出现了严重的过热，就要对此焊件进行再次的退火。

（2）过烧。除了断口出现了粗大的晶粒，如果在晶粒间汇集了低熔点的物质和氧化物，就说明晶粒间的边缘出现了熔化和氧化的现象。这是因为加热的温度过大（>1300℃），并且在高温的状态下保温的时间过长，过烧后会短时间内降低焊件的塑性、硬度和韧度。一旦出现过烧，焊件就无法补救，因此必须要落实热处理的标准，还要禁止焊件接触氧化性的火焰。

（3）变形和开裂。在焊接中焊件经常会出现宏观裂纹和变形。造成变形和开裂的原因首先是出现了焊件的内应力，出现的原因是因为在加热冷却的过程中，焊件内外的温度失衡，导致焊件的体积膨胀或收缩，这些差异导致了热应力;其次是由于焊件体积的不均衡改变，导致出现了结构应力，焊件屈服上限小于应力，所以出现了变形，如果大于了焊件的强度上限，则会出现裂纹，此时就需要返工，这就增加了工作量和资金投入，还浪费了资源。

（4）硬度升高。在回火结束后，如果检测值不符合规定的范围，这就是因为回火的温度太低且保温的时间太短，如果温度过高同样会导致硬度升高。硬度上涨就会减弱韧度和塑性。想要解决这一问题就只能再次回火，严格控制回火多的温度和保温的时间。

3、结语

综上所述，火电厂管道异种钢焊接完成后，需要进行焊接热处理工作，由于特种钢性质特殊，因此在焊接过程中容易引发一系列问题，影响管道的使用性能。为了解决这一问题，相关工作人员需要提高焊接技术水平，不断优化焊接热处理工艺，使用最新的工艺设备，从而确保管道异种钢的焊接质量。

参考文献：

[1]张仲理.火电厂管道异种钢的焊接热处理问题探讨[J].价值工程，2017，19

[2]贠峰，刘绍威.火电厂管道异种钢的焊接热处理问题探讨[J].山东工业技术，2016，02

[3]张艳飞，田力男，田峰，郭心爱.主蒸汽管道异种钢焊缝断裂失效分析[J].焊接技术，2014，06