（新疆国信煤电能源有限公司新疆昌吉州奇台县831800）
摘要：通过TP347HFG焊缝颜色初步判别焊接工艺参数及焊接线能力选择是否正确，并可通过进一步检测、试验手段分析材料金属组织情况，从而预判材料是否存在老化影响寿命。并在发现问题后提出相应措施保障设备安全运行。
关键词：TP347HFG；焊缝颜色；反映；问题
引言
单相奥氏体不锈钢TP347HFG焊接线能量直接影响焊缝金属组织和性能。在焊接质量检查中可以通过单相奥氏体不锈钢焊缝颜色判别焊接工艺参数及焊接线能量的选择是否正确。当发现单相奥氏体不锈钢焊缝颜色呈灰色或黑色时应当对其引起足够重视，并应采取相应的检测、试验手段分析判定，避免因材料提前老化而造成爆管等不利后果。
一、发现问题
某火力发电厂金属专工在基建期1#锅炉组合厂巡查时发现二级再热器设备不锈钢焊缝（厂家焊缝材质为TP347HFG）颜色呈现黑色，具有明显焊接参数过大的迹象（见下图）。不符合DL/T869-2012《火力发电厂焊接技术规程》中“附录E（奥氏体不锈钢及镍基合金焊接术特殊要求）E11条款：不锈钢焊缝表面色泽不应出现灰色和黑色要求。”经与部门分管质量领导汇报沟通后，给监造单位和设备厂家发传真反映此问题并要求其及时回复。
设备焊缝图片：图1为设备厂家焊缝颜色。
正确焊接工艺的不锈钢焊缝颜色：
焊缝颜色应当呈现银白色或金黄色有金属光泽。图2、图3为现场安装焊口颜色。
（图1）
（图2）（图3）
二、技术研究与讨论
根据奥氏体不锈钢焊缝的颜色和依据DL/T869-2012规定，可以间接反映以下两个问题。
1）对于该奥氏体不锈钢焊缝的焊接线能量过大，且没有依据DL/T869-2012规范控制焊接层间温度；
2）由于焊接工艺参数不当（过大）容易造成焊缝中存在高温铁素体（δ铁素体），而对材料的高温老化造成一定影响。
下面来具体研究和讨论以上两个问题。
1、根据奥氏体不锈钢焊缝的颜色发黑或发灰，形成原因会是由于焊接线能量过大所造成并且没有依据DL/T869-2012规范控制焊接层间温度。
DL/T869-2012《火力发电厂焊接技术规程》附录E（规范性附录）奥氏体不锈钢及镍基合金焊接特殊技术要求中对于焊接工艺的规定有“E9条压力管道和耐强腐蚀介质部件焊接时，应采取小线能量焊接，层间厚度不宜大于焊条（丝）直径。焊接宜采用多层多道焊，焊接过程中采用红外测温仪或其他测量器具测量层间温度，层间温度应控制在150℃以下。当用水冷却时，宜采用二级除盐水。”
根据规程这些要求，联系监造人员检查并提供锅炉厂家焊接工艺评定、焊接工艺规程以及焊接记录等资料，查看是否能够符合规范要求。
•锅炉厂焊接工艺评定中焊接工艺参数为：
•焊接电流：100~350A；焊接速度：60~300mm/min；
•电弧电压：8~12V；焊材牌号规格：SMP-M347Φ1.0
•最低预热温度：10℃；最高层间温度：连续焊
•锅炉厂焊接记录中实际焊接参数：（图4为锅炉厂车间焊接记录表）
•打底层：焊接电流：210A；焊接速度：210mm/min；
电弧电压：9.2V；焊材牌号规格：SMP-M347Φ1.0
•盖面层：焊接电流：220A；焊接速度：270mm/min；
电弧电压：11.5V；焊材牌号规格：SMP-M347Φ1.0
（图4）
现场安装单位焊接工艺卡：（图5）
•层间温度控制：小于150℃
•打底层：GATW（Φ2.4）
•焊接电流：55~60A
•电弧电压：10~10.5V
•焊接速度：62~70mm/min
•盖面层：GATW（Φ2.4）
•焊接电流：55~60A
•电弧电压：10~10.5V
•焊接速度：65~73mm/min
（图5）
焊接线能量计算：计算公式：q=IU/v
式中：I—焊接电流A；U—电弧电压V；v—焊接速度cm/s；q—线能量J/cm。
焊接线能量综合了焊接电流、电弧电压和焊接速度三大焊接工艺参数对焊接热循环的影响。
1）锅炉厂设备焊缝焊接线能量计算：
•打底层：Q打底=（210A×9.2V）/（210mm/min×0.1/60s）=5.52J/cm
•盖面层：Q盖面=（220A×11.5V）/（270mm/min×0.1/60s）=5.62J/cm
2）现场安装焊口焊接线能量计算：
因现场安装焊口焊接方法为手工氩弧焊，因此电流、电压会存在波动，而焊接速度也是受人为控制会存在波动，故在计算焊接线能量时取平均数：焊接电流取58A；电弧电压取10V；打底层焊接速度取68mm/min；盖面层焊接速度取70mm/min。
•q打底=（58A×10V）/（68mm/min×0.1/60s）=5.12J/cm
•q盖面=（58A×10V）/（70mm/min×0.1/60s）=4.97J/cm
根据所计算所得的焊接线能量可以得出：Q打底＞q打底；Q盖面＞q盖面
安装焊口与设备焊口颜色对比：
（图6）安装焊口颜色（图7）设备焊口颜色
从上图的对比可以非常明显的看出：因为安装焊口焊接选择较小的焊接线能量，且控制层间温度小于150℃，因此焊缝颜色呈白色或金黄色并有金属光泽。而采用了较大的焊接线能量且有没有控制层间温度的设备焊缝颜色自然呈黑色。因此建议厂家焊接工艺应进行调整，选用小的焊接线能量并应控制层间温度。
根据以上的理论计算和实际焊接工艺选用可以得出：焊接工艺选用焊接线能量的大小会对焊缝颜色造成影响，选择较小的焊接线能量和较低的焊接层间温度可以使焊缝颜色呈白色或金黄色而避免呈现黑色或灰色。
2、焊接工艺参数不当（过大）容易造成焊缝中存在高温铁素体（δ铁素体），而对材料的高温老化造成一定的不利影响。
我们关注不锈钢焊缝的颜色，实际上并非仅仅可以反映焊接工艺的问题。同时也可以间接反映因高的焊接线能量所带来的金属组织的不利影响。那么下面我们就来研究和探讨一下因较高的焊接线能量对奥氏体不锈钢焊接的不利影响。
焊接线能量大造成的不利影响就是在焊缝组织中的δ铁素体的存在。在DL/T869-2012规范附录E中的“E12条规定单一奥氏体钢焊缝金属的金相组织中不得有δ铁素体的存在。”那么下面就追溯一下δ铁素体的影响。
δ铁素体是高温铁素体，由液态铁冷却到1538摄氏度发生结晶，液态铁转变为δ-Fe，C在δ-Fe中的最大溶解度为0.17%。δ铁素体作为高温铁素体，在常温下相对少见，但在一些不锈钢中，仍然有δ铁素体保留到常温下。但由于δ铁素体较脆，在加工中易引发裂纹，并且容易引发点腐蚀，所以一般都是作为有害相加以控制的。
在发现设备焊缝颜色呈黑色时，就初步判断其焊接线能量大，预判在焊缝的金属组织中会有δ铁素体的存在。因此第一时间委托现场金属实验室对设备焊缝随机抽查两道进行金相试验，以验证δ铁素体的存在及含量。金相图片如下：
•二级再热器焊缝1金相照片
（图8）（图9）（图10）
•二级再热器焊缝2金相照片
（图11）（图12）（图13）
•对焊缝中δ铁素体的测定，依据GB/T1954-2008《铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量测量方法》进行测量评定
（图14）二级再热器焊缝1金相照片
（图15）GB/T1954-2008金相图谱
（图16）二级再热器焊缝2金相照片
（图17）GB/T1954-2008金相图谱
根据金相图片可以看出焊缝的组织为奥氏体+铁素体，金属实验室所出具金相报告的结论也为奥氏体+枝晶状铁素体，铁素体含量可评为7.5%～10%。
考虑到δ铁素体的来源，先来了解一下奥氏体钢焊丝的一些基本情况。
根据锅炉厂的文件，其在焊接过程中使用的焊丝为SM347Φ1.0，在YB/T5092-2005中的牌号为H08Cr20Ni10Nb的焊丝。而在YB-T5092-2005中各牌号的主要用途中也明确H08Cr20Ni10Nb种材质焊丝是通过Nb来稳定碳，防止晶间析出碳化铬，提高钢的抗晶间腐蚀能力，用于焊接成分相似的不锈钢。如果焊缝被母材稀释生成低铁素体或纯奥氏体组织，则焊缝裂纹敏感性明显升高。
该种焊丝属单相的奥氏体组织的焊丝，而非奥氏体+铁素体的双相不锈钢焊丝。在YB/T5092-2005中3.1钢焊丝按组织状态分类及牌号列表1中列出。
我们知道TP347HFG这种钢材属于单相奥氏体组织。根据上述标准中牌号为H08Cr20Ni10Nb的焊丝同样也是单相的奥氏体组织。
两种纯奥氏体组织焊接，在焊缝金属组织中出现δ铁素体，那么根据δ铁素体产生的机理分析极大可能是因为焊接线能量过大且没有控制焊接层间温度而形成高温铁素体
两种纯奥氏体组织焊接，焊缝裂纹敏感性明显提高，具有很高的焊接热裂纹倾向。焊接线能量大势必焊缝金属的温度就高，当在焊接过程中温度处于焊缝裂纹敏感温度区是极易形成焊接热裂纹。也是基于这点原因才在焊接工艺中要求使用小的焊接线能量，去避开敏感温度区，避免因为高温而促进焊接热裂纹倾向造成安全质量隐患。
三、解决问题
锅炉厂方传真回复意见主要是锅炉厂设备制作参照的标准是ASME相关标准和《锅炉安全技术监察规程》TSGG0001-2012。并不执行电力规范。锅炉厂方针对我司提出此类质量问题也高度重视，厂方特派专家到现场进行沟通。因执行规范存在争议，后经过厂方与公司领导开会研究，最终决定可继续使用，由厂方做出承诺形成会议纪要。
锅炉厂回复内容原文：“‘关于二级再热器TP347H焊口颜色及存在铁素体问题’，我司技术部工艺处根据相关的国际、国家材料标准和上锅焊接工艺评定及相关焊接技术在国内外锅炉产品上实际使用的业绩进行了充分的分析认证，证明了按目前的焊接工艺加工的TP347H焊口的质量是安全可靠的。”“有关焊缝表面颜色：厂内焊接采用焊丝TIG自动焊方法及手工氩弧焊。该焊接方法为光焊丝焊接，氩气保护。焊接完成后焊枪移开，较热的焊缝及热影响区与空气接触产生表面氧化。表面氧化有呈现黑色情况。”“有关347焊缝金属金相的澄清：上世纪80年代，我司引进的1975版技术文件亦已指定成分匹配的ER347型不锈钢焊接材料，指定铁素体含量在2%-10%。根据现行标准中ER347各元素配比，对应雪费尔图中铁素体含量在10-20%。现行ASME标准ASMEⅡC-2013中SFA-5.9《不锈钢光焊丝和填充丝标准》A7.11指出标准347型不锈钢焊丝铁素体含量在10%左右。因此，该通用焊材的熔敷金属中含有10%左右的铁素体含量。请放心使用。”
我们仍对厂方的解释保留意见。ASME描述347型不锈钢焊丝中允许有10%左右的铁素体，是因为在焊丝的熔炼制造焊丝的过程中形成的铁素体。但是在焊缝中的铁素体很难区分是由于焊丝本身带来的还是在较大的焊接线能量焊接过程中所形成的。但是不管铁素体来源如何，铁素体对金属组织的不利影响始终是存在的，因此需要尽量控制铁素体含量的存在。
四、后续措施
TP347HFG这种材料在高温运行环境中δ铁素体的存在是在所难免的。即便不是焊缝因为焊接过程形成δ铁素体，在管子高温运行一段时间后管材本身也会逐渐存在δ铁素体的。我们之所以非常关注δ铁素体在奥氏体材料中的存在就是因为它会使钢材变脆，严重影响高温性能。δ铁素体的过量聚集也会造成奥氏体组织晶间开裂倾向增大，易出现晶间裂纹，使材料加速老化影响材料的使用寿命。
虽锅炉厂方提供了以ASME标准为依据的种种资料支持，但所有这些也仅仅能够证明在常温下的金属组织和力学性能是可靠的。ASME和NB/T47014规范中并没有高温性能的要求，而我们的TP347HFG恰恰正是长期处于高温环境工况下运行。因此对于尚未安装的设备焊缝中就已经存在了如此比例的δ铁素体，那这些设备在高温环境工况工作一段时间和锅炉多次起停后的材料老化情况就更加需要金属监督的关注。
针对这类问题，必须预防和加以监督。并提出以下几条措施：
1、减少焊缝中的铁素体形成元素，应选用适当增加了镍、碳等元素的焊条和焊丝，以控制奥氏体钢焊缝的一次铁素体量。
2、焊接时用小输入能量，焊前不预热，焊后强制冷却，减少焊接接头在高温下的停留时间。
3、注意监督材料的硬度变化，必要时做进一步金相分析，控制δ铁素体含量。甚至及时更换不合格的钢管。
4、针对本项目情况，在机组运行20000小时后针对二级再热器厂家焊口进行金相分析。之后每隔5000小时依据管排受热温度情况，选取高温或超温区域的设备焊口进行金相试验。关注δ铁素体含量。当δ铁素体超过一定量或依照奥氏体不锈钢老化评级后确定是否可以继续服役或进行换管处理。通过预判避免因材料提前老化而造成爆管等不利后果。
结束语
综上所述，在焊接质量检查中可以通过单相奥氏体不锈钢焊缝颜色判别焊接工艺参数及焊接线能量的选择是否正确。在单相奥氏体不锈钢材料焊接过程中应当严格执行DL/T869-2012规程要求，控制层间温度，选择较小的焊接线能量来去避免δ铁素体超标对焊缝组织造成不良影响。当发现单相奥氏体不锈钢焊缝颜色呈灰色或黑色时应当对其引起足够重视，并应采取相应的检测、试验手段分析判定，避免因材料提前老化而造成爆管等不利后果。
参考文献：
[1]DL/T869-2012《火力发电厂焊接技术规程》
[2]YB/T5092-2005《焊接用不锈钢焊丝》
[3]GB/T1954-2008《铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量测量方法》
[4]ASME锅炉及压力容器规范第Ⅱ卷C篇焊材2013
[5]ASTMSFA-5.9《不锈钢光焊丝和填充丝标准》
作者简介：
代海波（1982年10月10日），男，学历：包头职业技术学院，大专；沈阳化工学院，本科，职称：电力工程技术工程师，现任职单位：新疆国信煤电能源有限公司，金属专工，研究方向：火力发电、核电系统焊接、金属检验试验及金属监督。