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齐鲁石化分公司热电厂现有8台由哈尔滨锅炉厂设计制造HG—410T/h型，额定蒸汽量410T/h的高温高压煤粉锅炉，设置高温段过热器的材质是12Cr1MoV，在长周期运行过程中，高温段过热器弯头的最外两环经常发生爆管，导致锅炉不能正常运行，造成很大的经济损失。
1. 问题分析及解决方案
通过对多次爆管的3#炉高温段过热器管件取样，进行金相组织的综合分析得出结论：一是由于过热器运行中超温过热，造成金相组织晶粒粗大、球化严重，使塑性、韧性和强度降低；二是锅炉管束与炉墙形成的烟气走廊，烟气对过热器弯头的冲刷、腐蚀造成管壁减薄。
基于这两方面的原因，为解决高温过热器爆管的问题，提高锅炉长周期安全运行性能，利用本炉大检修机会，对锅炉高温段过热器的最外两环进行更新改造，采用了耐高温、抗氧化性好的马氏体高强钢T91弯头代替原12Cr1MoV的过热器弯头。由于T91与12Cr1MoV属于不同组织钢的焊接，所以在焊接时需要进行焊前预热及焊后热处理。然而由于现场的特殊原因，管束太密集，现场对接头进行预热及焊后热处理困难，所以借鉴以前对小口径高温段过热器φ42mm×5mm12Cr1MoV的全氩弧焊焊前不预热和焊后不热处理的经验，决定采用TIG焊，在T91弯头的两端各焊一长度为500mm的12Cr1MoV过渡短管（见图1）。
图 1
先进行预制组焊，再集中热处理后备用。与锅炉内过热器管形成同材质焊接接头，这样既减少了材料成本投入，又提高了过热器弯头更换效率，减轻了施工人员劳动强度。
2. 焊接性分析
首先对T91马氏体耐热钢与12Cr1MoV珠光体耐热钢化学成分（见表1、表2）进行对比分析。
T91钢属于改良型9Cr—1Mo马氏体高强钢，是在ASTMA213—T9钢的基础上降低了含碳量，添加微量Nb、V合金化元素，并控制N、Al含量得到的。12Cr1MoV珠光体耐热钢使用温度达580℃，要求有较高的耐高温持久强度和抗氧化性，以正火加回火状态交货。12Cr1MoV合金管是在优质碳素结构钢的基础上，适当加入一种或几种合金元素，用来提高钢的力学性能、韧性和淬透性。T91钢与12Cr1MoV钢相比，含碳量降低了20%，含碳量的上升会加快碳化物球化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低钢的焊接性、耐蚀性和抗氧化性。
12Cr1MoV钢在580℃以下具有良好的抗氧化性，腐蚀深度为0.05 mm/a，600℃时性能开始变差，腐蚀深度为0.13 mm/a。T91含铬量提高到9%左右，使用温度能达650℃。但T91的淬硬倾向高，主要问题是接头的冷裂纹和过热脆化，淬硬性是产生冷裂纹的根本原因之一，而产品结构厚度越厚或接头拘束度越大、钢中的含碳量越高冷裂倾向就越大，加之马氏体导热性差，焊接残余应力大，又有氢的作用，冷裂倾向就非常明显。其次马氏体钢还有较大的晶粒粗化倾向，因此在制定焊接工艺时需特别注意。
12Cr1MoV珠光体耐热钢中的碳和合金元素的共同作用，使钢的奥氏体稳定性增加，不易发生分解，而在冷却到较低的温度时，才发生马氏体转变，因此，焊接时如果冷却速度较快时则易形成淬硬M，使焊接接头的脆性增加，易产生冷裂纹。预热使焊接接头的冷却速度减慢，特别是低温阶段的冷却速度减缓，使热影响区不易形成淬硬组织，能防止冷裂纹的产生。另外，两者含有V、 Nb元素，与碳易形成细小而稳定的合金碳化物，有很强的弥散强化效果。钼主要是为了提高钢的热强性，起到固溶强化的作用。还要避免在焊接和热处理过程中产生再热裂纹的倾向，应考虑采取防止再热裂纹的措施，危险温度是580~650℃，应尽量缩短在此温度区域的时间。
3. 焊接材料的选择
选择异种钢焊接的材料，依据高选低匹配的原则，在保证综合高蠕变强度、热疲劳强度和良好焊接性前提下，不低于12Cr1MoV钢。对T91与12Cr1MoV钢的焊接采用低匹配的原则，选用TIG—R31，φ2.5mm焊丝，化学成分如表3所示。采用全氩弧焊（焊接参数见表4）。表面不得有油脂、铁锈等污物。在施焊中应尽量采用小的热输入防止晶粒粗大，降低稀释率，提高力学性能。送丝要均匀，焊丝始终处于氩气中保护，氩气纯度99.99%，气体流量8~10L/min， 防止焊丝氧化影响焊接质量。
4. T91与12Cr1MoV的焊接
选择型号为WS—400B焊机，直流正接，施焊现场的最低环境温度为5℃，并应具有遮风、避雨、防雪和防寒设施。
（1）焊前准备 下料宜采用机械方法，对马氏体钢禁止采用火焰切割坡口加工，必须使用坡口机加工成V形坡口，焊件组对前坡口表面及附近内外壁20mm内油漆、铁锈清理干净，并露出金属光泽，坡口形式如图2所示；另外，焊丝不得有油污和铁锈。
图 2
（2）对接控制 采用手工对口卡，对接口必须平整，错边量≤0.5mm，对接间隙2.5~3.0mm，保证内成形和填焊丝，定位焊的焊丝及焊接参数与正式焊相同。
（3）焊前预热 由于T91钢碳当量高于12Cr1MoV，都具有一定的冷裂纹倾向，因此焊前采取预热。但预热温度不能太高，否则接头冷却速度降低，可能在焊接接头中引起晶界处碳化物析出和形成铁素体组织，从而大大降低该钢材焊接接头在室温时的冲击韧性。预热方式采用氧乙炔火焰加热，预热温度100~150℃，加热均匀，宽度两侧不小于厚度的3倍且≥150mm，这样能有效防止冷裂纹产生。
（4）保护气体 管道内充氩气是为防止根部氧化，氩弧焊打底时应将弯头两端封堵，坡口用纸胶带缠绕，形成气室，从一端开口插入气管进行充氩气，氩气的流量一般为10~15L/min。
（5）接头定位 接头采用TIG—R31，φ2.5mm的焊丝进行定位，φ42mm×5mm可定位一点。定位完毕后检查焊缝背面的氧化情况，如保护不好，应磨开重新定位焊，确认无缺陷后再进行正常焊接。
（6）打底焊 打底采用连弧焊，焊枪尽可能与工件的表面垂直，有利于氩气对焊接熔池的保护。焊枪和焊丝可稍作横向摆动，保证坡口两侧熔透，同时控制好熔池温度，防止烧穿和焊瘤缺陷。对接头部位，用手提砂轮打磨至圆滑过渡，收弧时应填满弧坑后，移向坡口边缘，以防止产生弧坑裂纹。
（7）盖面焊 盖面焊接电流比填充层稍大些，应选择正确的焊枪角度及摆动幅度，添加焊丝要均匀，防止在坡口边缘产生咬边缺陷。接头应错开，不得有重叠，焊缝余高要控制在1～1.5mm，避免焊接接头在使用中产生应力集中。焊接层数共为两层，层间温度不得低于预热温度下限，控制在200~250℃，焊后保温缓冷，用保温棉包覆缓冷。
（8）焊后热处理 T91与12Cr1MoV异种钢接头，当温度降为100～150℃时，可基本确保奥氏体组织转变完毕，然后集中热处理。
T91的淬硬和冷裂倾向很大，容易产生延迟裂纹，故焊接接头必须在焊后24 h内进行回火处理，使用热处理的温度为（730~750）℃×1h，焊后热处理的升降速度＜150℃/h，降到300℃时，可不控制冷却到室温（见图3）。
图 3
（9）焊后检测 焊缝整体成形好，焊缝过渡圆滑、匀直，接头良好，焊后对焊口X射线探伤且不低于2级片，焊缝及热影响区母材硬度值均符合要求。
5. 结语
以上φ42mm×5mm的 T91钢与12Cr1MoV钢焊接，采用全氩弧焊方法，焊接材料低匹配焊丝TIG—R31，焊接时预热温度100~150℃，层间温度200~250℃，采用小的热输入，焊后缓冷到室温，进行集中热处理，热处理温度为730~750℃。在此工艺条件下T91与12Cr1MoV异种钢焊接性良好，接头的性能能够满足使用要求，更换的高温段过热器弯头使用已超过装置4年运行周期，采用的焊接工艺得到验证。
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