莫其鹏，银润邦，郑周，张永光

东方电气集团东方锅炉股份有限公司 四川德阳 618000

在火力发电过程中，为减少污染、提高热效率，需要提高火电机组运行参数，发展大容量、高蒸气参数的电站机组[1]，这对电站金属材料提出了更高的要求，也给制造、成本等方面带来一定的矛盾[2，3]。随着工作温度提高，构件所用材料的合金体系更加复杂，成本随之上升；
构件尺寸逐渐增大，也使得整体锻造难以实现。

采用异种钢焊接技术能克服锻造能力限制，具有结构设计灵巧、选材灵活、成本低，以及对锻压设备要求低等特点，可充分发挥不同材料在不同温度下的性能优势，在大型高温构件的制造中应用广泛。因此，异种钢焊接制造技术是解决上述问题的理想途径[4，5]。

国内二次再热锅炉蒸气冷却器以及部分0号高压加热器，筒节为SA-336F91钢，与20MnMoNb钢管板就属于异种钢对接，由于SA-336F91钢焊后热处理温度需要730℃以上才能保证其性能，一般采用的热处理温度为745～775℃，而20MnMoNb低合金钢焊后热处理温度不宜超过660℃，否则性能会劣化。因此两种材料热处理温度差异显著，直接对接后无法进行焊后热处理。目前，该类接头国内一般采用如下模式进行制造：①先在SA-336F91钢的端面堆焊镍基堆焊层，并按（760±10）℃进行热处理。②20MnMoNb钢端面堆焊镍基堆焊层，并按（620±10）℃进行热处理。③将两堆焊层采用镍基焊接材料焊接起来形成对接焊缝，不再进行热处理。

该方法虽然很好地解决了异种钢接头无法热处理的问题，但也带来了以下问题。

1）成本高。以我公司某两台0号高压加热器为例，采用上述方法镍基焊带需要1000kg，镍基焊丝需要约800kg，焊接材料费用约60万元以上。

2）制造难度大。镍基焊接材料焊接过程中容易出现热裂纹，要严格控制焊接热输入和层间温度，而且环缝焊接时，需要一人随时观察焊缝是否出现裂纹。即使如此，焊缝合格率也难以保证。

3）接头应力大。由于管板和筒节都是铁素体类材质，而焊缝为奥氏体材料，两者热膨胀系数相差较大，在高温下运行会产生较大的热应力。

由于出现了以上问题，因此必须开发一种新型的焊接方法。通过研究，在SA-336F91 钢的一侧端面堆焊特定的、与SA-336F91钢有热处理交集的非奥氏体耐热钢堆焊层，并进行热处理，之后再在该堆焊层上堆焊特定的非奥氏体耐热钢堆焊层，再次进行相应的焊后热处理，最后将该堆焊层与20MnMoNb钢相焊接，且进行最终热处理。

2.1 从材料焊接性分析

SA-336F91是一种马氏体耐热钢，通过调整材料中合金元素含量，能使其在620℃以上的高温环境中长时间工作，该材料为汽轮机高中压段材料的首选[6]。SA-336F91钢、20MnMoNb钢的化学成分与力学性能见表1～表4。

由表1～表4可看出，SA-336F91钢和20MnMoNb钢在化学成分和力学性能上相差很大。根据AWS的碳当量公式计算出SA-336F91钢和20MnMoNb钢的碳当量均＞0.6%，从材料的焊接性分析得知，这两种钢材易淬硬，需预热才能防止焊接产生裂纹。

表1 SA-336F91钢化学成分（质量分数）（%）

表2 SA-336F91钢力学性能

表3 20MnMoNb钢化学成分（质量分数）（%）

表4 20MnMoNb钢力学性能

首先，低合金耐热钢具有淬硬倾向，在焊接热循环决定的冷却速度条件下，焊缝金属和热影响区可能形成对冷裂纹敏感的显微组织。其次，钢中含有Cr、Mo、Nb、Ni等强碳化物形成元素，使接头过热区具有产生再热裂纹（即消除应力处理裂纹）的倾向[7]。因此，随厚度的增大，预热温度需相应提高，且焊接完毕后也要及时进行消除应力处理。

2.2 从产品结构的热传导角度分析

从设计图样中可知，筒节的进口温度在501℃以上，而壳侧温度在362℃左右，从SA-336F91钢和20MnMoNb钢焊接接头到蒸气进口位置距离较长，由于两者之间有温度差，因此会进行热传导，热量从高温的地方传导到低温的地方，在到达SA-336F91钢和20MnMoNb钢焊接接头时，因为筒节内壁有包壳的阻挡，所以该位置温度比501℃低很多。因此，该异种钢接头靠近20MnMoNb钢一侧采用碳锰合金钢的焊接材料可满足设计要求。

2.3 从产品的设计角度分析

二次再热产品筒节或0号高压加热器过热段筒节之所以用到SA-336F91钢如此高等级的材质，是因为蒸气进口段的温度高（501℃以上），为了保证高温强度、高温抗氧化性以及降低筒节壁厚，故这里选用Cr含量较高的耐热钢。而在异种钢接头另一侧可使用20MnMoNb低合金钢，是因为该位置的温度已经降低，20MnMoNb低合金钢的许用应力可以满足同等壁厚的要求。

基于以上分析，在焊接接头设计时，焊缝在接头位置最高温度下的许用应力不低于母材最高设计温度下的许用应力，则焊缝强度满足设计要求。因此，在焊接接头选型时，若能够得知接头位置的温度，那么按接头位置的最高温度进行焊接材料选型最为方便。

2.4 从碳迁移分析

因为SA-336F91钢中wCr在9%左右，而20MnMoNb钢中的Cr含量很低（wCr≤0.30%），若在SA-336F91钢上直接堆焊碳锰钢焊接材料，则在较高温度下运行或热处理时会存在碳迁移，当温度和时间等条件一定时，接头的碳迁移主要取决于焊缝和母材之间Cr含量的差异。有关文献也提出，碳迁移现象产生的根本原因是由于母材及焊缝钢材中合金元素的差异引起的碳活度差异[8]，Cr、Mo、V、Nb及Ti 等碳化物形成元素会降低合金中碳元素的活度，而非碳化物形成元素如 Si、Al、Ni 等会增大碳活度，从而产生化学势差引起碳元素的扩散，以实现体系自由能降低[9]。因此，从化学成分来看，在SA-336F91钢上直接堆焊碳锰钢焊接材料不太合理，因此需要有过渡才行。

2.5 从材料的焊接接头角度分析

对SA-336F91筒节与20MnMoNb管板异种钢的焊接接头设计原则如下。

1）先在SA-336F91钢的坡口面堆焊特定的耐热钢焊接材料，形成堆焊层1，堆焊层1需满足以下条件：①焊接接头区域所经受的最高温度条件下的许用应力不低于SA-336F91钢在过热段筒节最高设计温度下的许用应力。②焊缝允许的最低热处理温度比SA-336F91钢低30～40℃，以便与20MnMoNb钢过渡。③焊缝可满足标准对SA-336F91异种钢接头的热处理温度要求。

2）SA-336F91钢的端面堆焊完成堆焊层1后，在标准允许的范围内、且能够保证焊缝性能的条件下，采用尽可能低的温度进行热处理。

3）再在堆焊层1上进一步堆焊与20MnMoNb低合金钢相匹配且可采用较高热处理温度的焊接材料，形成堆焊层2。

4）进行热处理。

5）接下来再与管板和筒节对接，采用与20MnMoNb钢相匹配的焊接材料，对接头进行焊后热处理

6）接头设计如图1所示。

图1 接头设计示意

在该设计方案中，堆焊层选材难度最大也最为关键，既要考虑高温许用应力，又要考虑热处理温度的过渡，还要考虑两侧材料化学成分的过渡。

（1）堆焊层1的方案设计 根据以上原则对堆焊层1进行焊接材料选型。首先，由于SA-336F91钢的wCr达到9%左右，且 Cr元素对C的亲和力较大，因此为了避免堆焊层中的碳迁移，堆焊层1的焊接材料选用含Cr耐热钢材料；
其次，为了保证接头室温强度满足两侧母材强度要求，选用室温强度较高的焊接材料。根据此条件，选出与12Cr2Mo1VR钢相匹配的焊接材料，其性能见表5。由于焊接材料标准中未给出对应温度下的许用应力，但焊接材料的强度（包括高温强度）要求不低于母材，因此在进行高温许用应力对比时，采用对应母材的许用应力。

由表5可见，焊接材料φ4.0mm、A焊丝+B焊剂的熔覆金属具有较高的室温抗拉强度，不低于接头两侧的母材强度，且其475℃下许用应力也高于SA-336F91钢在475～550℃下的许用应力。由于焊缝区域的温度不高于管板允许的最高温度（475℃），因此从接头强度分析，当过热段筒节的设计最高温度≥475℃时，堆焊层1选用12Cr2Mo1VR钢匹配的焊接材料可行。进一步对比12Cr2Mo1VR钢与SA-336F91钢的许用应力，在475℃以下时12Cr2Mo1VR钢的许用应力也高于S A-336F91钢，因此，即使过热段筒节的设计温度低于475℃，堆焊层1选用φ4.0mm、A焊丝＋B焊剂也是满足要求的。

表5 常温力学性能和许用应力

接下来分析堆焊层1的热处理温度能否兼顾SA-336F91钢的要求。首先，需要确定SA-336F91钢最低允许的热处理温度，根据NB/T 47015—2011《压力容器焊接规程》推荐的热处理温度，S A-336F91钢最低热处理温度为730℃[5]，根据ASMEⅧ、ASMEⅠ中规定，对不同金属的焊接，如果填充金属中wCr＜3%，则最低保温温度为705℃；
由于2.25Cr1MoV焊接材料的wCr＜3%，故最低热处理温度可确定为705℃，考虑到炉温波动，按（730±10）℃热处理温度为宜。同时根据NB/T47015-2011的推荐热处理温度，12Cr2Mo1VR钢的最低热处理温度为680℃、ASMEⅧ规定的12C r2M o1V R钢的最低热处理温度为675℃。根据φ4.0mmA焊丝＋B焊剂熔覆金属化学成分（见表6），采用Ac1=723-10.7wMn-16.9wNi+29wSi+16.9wCr+290wAs+6.38wW进行计算[6]，焊接材料A c1点为751℃，因此从理论分析该材料在（730℃±10）℃热处理可行，后续需要通过试验进一步进行验证。

表6 φ4.0mmA焊丝＋B焊剂熔覆金属化学成分（质量分数）（%）

（2）堆焊层2的方案设计 针对堆焊层2的焊接材料选型有两种方案：一种方案是采用堆焊1.25Cr1Mo的焊接材料；
另一种方案是堆焊与20MnMoNb钢相匹配的高碳高强度焊接材料。1.25Cr1Mo焊接材料在室温下的抗拉强度很难满足≥620MPa的要求，采用C焊丝并配高碳的D焊剂（C焊丝：F69P3-EF3-F3、D焊剂：与F69P3-EF3-F3相匹配的焊剂）进行试验，1.25Cr1Mo焊接材料化学成分见表7，力学性能见表8。

表7 1.25Cr1Mo焊接材料熔覆金属化学成分（质量分数）（%）

由表8可见，1.25Cr1Mo焊接材料存在室温强度达不到评定标准要求的风险，故选用与20MnMoNb钢相匹配的高碳高强度焊接材料进行试验。对于20MnMoNb钢，行业内一般采用E焊丝+F焊剂（E焊丝：F69P2-EA3-A3；
F焊剂：与F69P2-EA3-A3相匹配的焊剂），正常热处理温度为600℃以上，在该热处理温度下强度满足要求。但是，在该焊缝位置的热处理需要考虑堆焊层1的性能影响，根据标准要求，堆焊层1的热处理温度应≥675℃，根据ASME标准，若延长保温时间，则热处理温度可降至650℃（考虑炉温波动至少定于660℃），因此，在660℃以上温度下选用E焊丝+F焊剂可能存在强度达不到评定标准要求的风险。因此，本项目选用化学成分与20MnMoNb钢相当、强度更高的、用于20MnMoNb钢焊缝正火采用的焊丝C。为了验证焊丝C的可行性，分别对熔覆金属采用680℃×（6～6.5）h和660℃×（20～20.5）h的热处理工艺，试验结果见表9。

表8 1.25Cr1Mo焊接材料熔覆金属力学性能

表9 C焊丝+D焊剂熔覆金属力学性能

由表9 可见，C 焊丝+D 焊剂焊接材料在680℃×6.5h、或660℃×20h下性能均满足要求，但660℃×20h下的强度和冲击性能相对较低，故选用680℃短时热处理的效果较好。在该热处理温度下是否会超出焊接材料Ac1点，则需要根据焊接材料的化学成分进行计算分析。根据表10，计算其Ac1点为703℃。因此，热处理温度选用680℃理论分析不超出其Ac1点，需要进一步通过试验验证其性能。

表10 C焊丝+D焊剂化学成分（质量分数）（%）

根据以上分析，确定SA-336F91钢与20MnMoNb钢的焊接方案如下。

1）SA-336F91钢坡口面采用埋弧焊堆焊A焊丝+B焊剂堆焊层1。

2）SA-336F91钢端面堆焊完成堆焊层1后，进行（730℃±10℃）×6.5h热处理。

3）在堆焊层1上进一步堆焊C焊丝+D焊剂，形成堆焊层2。

4）进行（690℃±10℃）×6.5h热处理。

5）最后对接，焊接材料采用与20MnMoNb钢相匹配的E 焊丝+F 焊剂，焊接后接头进行（≥610℃±10℃）×6.5h热处理。

4.1 焊接条件

坡口形式如图2所示，母材分别为SA-336F91钢和20MnMoNb钢，厚度70mm。其中堆焊层1采用埋弧焊堆焊，堆焊厚度≥18mm，之后加工至厚度13mm，进行100%UT+MT检测，730℃×6h热处理；
堆焊层2采用埋弧焊堆焊，堆焊厚度≥18mm，之后加工至厚度为13mm，进行100%UT+MT检测，690℃×6h热处理；
对接焊缝采用焊条电弧焊+埋弧焊，焊条电弧焊G焊条（E9015-G）打底并焊接25mm厚度，埋弧焊采用E焊丝+F焊剂焊接45mm厚度，反面清根后焊条电弧焊焊妥，进行100%射线检测，并按630℃×6h热处理。具体焊接参数见表11。

表11 试验用焊接参数

4.2 接头性能

（1）焊缝化学成分 焊缝化学成分见表12。

表12 焊缝化学成分（质量分数）（%）

根据焊丝标准进行分析，在焊接过程中焊缝有少量碳烧损，堆焊层中有一定量的Cr过渡，其余主要成分在焊丝规定的成分范围内。

（2）接头力学性能 接头拉伸性能、弯曲性能、冲击性能试验结果分别见表13～表15。由表13、表14可见，试验所用的焊接材料满足接头的强度要求。弯曲性能均满足标准要求，具有良好的塑性。由表15可看出，冲击吸收能量满足标准要求，除对接焊缝堆焊层2热影响区的冲击吸收能量富裕度不大外，其余部位的冲击性能均较好。从原始母材SA-336F91钢锻件的性能上查询可得，SA-336F91钢0℃冲击吸收能量为78J、77J、104J；
与SA-336F91侧热影响区的冲击吸收能量相比，SA-336F91钢侧热影响区的冲击吸收能量未降低，由此可见热处理的温度选择是合理的。

表13 接头拉伸性能试验结果

表14 弯曲性能试验结果

表15 接头（0℃）冲击性能试验结果（J）

硬度检测的位置分布如图3所示。具体硬度检测结果见表16。

图3 硬度检测的位置分布

表16 硬度检测结果

针对压力容器焊接接头的硬度值在国家标准和ASME标准中没有明确规定，参考DL/T 869—2021《火力发电厂焊接技术规程》、DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》，具体要求见表17。由表17可知，硬度值满足要求。

表17 标准对焊缝硬度值的规定

（3）接头宏观和微观金相组织检测 接头宏观、微观金相组织检测结果见表18，接头金相组织正常，说明热处理温度合理。

表18 接头宏微观检测结果

通过试验可知，采用以上所述的焊接和热处理方案焊制的接头性能满足标准要求。根据试验结果可知，第一个堆焊层采用730℃×6.5h热处理时，其硬度与母材硬度相当，也满足DL/T 752—2010《火力发电厂异种钢焊接技术规程》的规定，第二个堆焊层采用690℃×6.5h热处理时，可以保证熔覆金属抗拉强度＞620MPa，因此选材和热处理也是合理的。最后进行对接焊接，该焊接方法通过在SA-336F91钢端面分两次堆焊特定的非奥氏体耐热钢过渡材料，经过两次热处理，解决了SA-336F91钢与20MnMoNb低合金钢直接焊接后无法热处理的难题，也解决了堆焊镍基材料带来的成本高、制造难度大的问题，因此该焊接方法具有一定的创新性。

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