TP347H与T23小径管的焊接工艺及缺陷形成机理

收稿日期2005210209文章编号10072290X20060220036203TP347H与T23小径管的焊接工艺及缺陷形成机理蔡永江1,刘孟戈211广东红海湾发电有限公司,广东汕尾51662321珠海电厂,广东珠海519050摘要目前,600MW超临界机组锅炉内的末级过热器管、高温再热器管等大多采用TP347H奥氏体不锈钢来替代T91马氏体耐热钢,以提高管子承受高温的能力,而进口集箱却使用SA335P22或SA335P23钢材,这样,存在SA2132T23引出短管与SA2132TP347H小管异种钢的焊接熔合比问题。为此,介绍了TP347H钢与T23小径管异种钢焊接工艺及可能出现的缺陷,并提出处理缺陷的一些常规方法。最后强调以未熔合缺陷对焊接质量影响最大。关键词TP347H钢T23钢根部内凹弧坑裂纹未熔合中图分类号TG142114文献标识码BPROCEDUREOFWELDINGBETWEENSTEELTP347HANDT23SMALLDIAMETERTUBESANDDEFECT2FORMINGMECHANISMCAIYONG2JIANG1,LIUMENG2GE21GUANGDONGREDBAYPOWERGENERATIONCO,LTD,SHANWEI,GUANGDONG516623,CHINA2ZHUHAIPOWERSTATION,ZHUHAI,GUANGDONG519050,CHINAABSTRACTINTHEBOILERSOF600MWSUPERCRITICALPRESSUREUNITSATPRESENT,TP347HAUSTENITICSTAINLESSSTEELISUSEDTOREPLACET91MARTENSITICHEATRESISTINGSTEELFORMOSTLAST2STAGESUPERHEATERANDHIGH2TEMPERATUREREHEATERTUBESTOIMPROVETHEHIGHTEMPERATUREWITHSTANDINGABILITYOFTHETUBES,WHILESTEELSA335P22ORSA335P23ISUSEDINIMPORTEDHEADERS,WHICHGIVESRISETOTHEPENETRATIONRATIOPROBLEMDURINGTHEWELDINGBETWEENSA2132T23OUTLETSHORTTUBESANDSA2132TP347HSMALLTUBESCONSEQUENTLY,THISPAPERDESCRIBESTHEPROCEDUREOFWELDINGBETWEENSTEELTP347HANDT23SMALLDIAMETERTUBES,INDICATINGPOSSIBLEDEFECTSANDPRESENTINGSOMECONVENTIONALSOLUTIONSLASTLY,ITISSTRESSEDTHATTHEDEFECTOFINCOMPLETEFUSIONHASTHEGREATESTIMPACTONTHEWELDINGQUALITYKEYWORDSSTEELTP347HSTEELT23ROOTCONCAVEARCCRATERCRACKINCOMPLETEFUSION近年来,新建的超临界机组的炉内过热器管、再热器管大多采用TP347H奥氏体不锈钢来替代T91,12CR2MOWVTIB,12CR1MOV等钢材,以进一步提高机组的高温参数及管子工作温度,但其进口集箱通常使用SA335P22或SA335P23钢材,因此,存在T23引出短管与TP347H小管异种钢的焊接问题。1TP347H钢和T23钢的组成成分和性能111化学成分和机械性能方面的比较SA2132T23钢是根据ASTM2A213标准生产的一种低合金耐热钢,其化学成分与G102钢相近,具有良好的焊接性,而TP347H钢相当于GB53101995中的1CR19NI11NB钢,其化学成分、机械性能、高温性能参数分别见表1、表2、表3。从表1、表2、表3中可知,T23钢属于铬镍奥氏体热强钢,具有良好的热强性、抗晶间腐蚀性、焊接及高温抗氧化性。112TP347H钢的特性TP347H钢是奥氏体双相不锈钢,存在450850的晶间腐蚀敏感温度区,焊接时,采用较小的线能量及较低的层间温度,焊接后一般不做热处理,使焊缝尽量避免长时间处于上述的危险温度区间,从而保证TP347H钢的抗晶间腐蚀性第19卷第2期广东电力VOL119NO122006年2月GUANGDONGELECTRICPOWERFEB12006表1TP347H钢和1CR19NI11NB钢各化学元素的质量分数对比标准编号材质各化学元素的质量分数W/CSIMNSPCRNINBTA美国SA213TP347H0104011001752100010300104017102010910013108WC1100GB53101CR19NI11NB0104011011002100010300103017102010910013108WC1100表2TP347H钢和1CR19NI11NB钢的机械性能对比标准编号材质钢形态热处理状态B/MPAS/MPA/美国SA213TP347H钢管热轧、冷拨固溶温度分别大于等于1050和109051520535GB53101CR19NI11NB钢管热轧、冷拨固溶温度分别大于等于1050和109052020535表3不同温度下三种材质的的持久强度比较材质各温度下的持久强度/MPA5606006407007501CR19NI11NB132914828T23147825812CR1MOVG9866注以上三种材质的高温耐受时间均为105H。不被破坏。奥氏体柱状晶具有明显的方向性,利于杂质的偏析及晶格缺陷的聚集,加上奥氏体的线膨胀系数大,冷却时收缩应力大,故焊接时易产生热裂纹1。TP347H钢的合金含量较高,高温焊接时合金元素易烧损,焊接时线能量输入不能过大。由于奥氏体不锈钢的线膨胀系数大、导热系数小,焊接时要采用短弧及小电流的焊接工艺。113TP347H钢与T23异种钢焊接出现的问题当TP347H钢与T23异种钢焊接时,存在着焊缝的熔合比问题,在焊缝熔合线附近会出现碳化物析出及碳迁移现象,产生相应的增碳及脱碳层,从而降低焊接接头的蠕变性能。该焊接接头在高温下长期运行时,熔合区容易产生显微裂纹,所以TP347H钢与T23异种钢焊接时,焊缝的熔合比不宜过大,即焊缝的稀释率不宜过大。TP347H钢与T23异种钢焊接时,还存在奥氏体不锈钢与贝氏体耐热钢在强度与高温抗蠕变性能两方面不匹配,从而会在较弱的贝氏体钢一侧产生应力集中,导致异种钢焊缝被破坏。目前,TP347H钢与T23异种钢焊接多采用INCONEL82镍基焊丝2,其化学成分见表4,组成的化学元素主要有NI,CR,MN,NBTA,其质量分数分别为WNI72,WCR20,WMN3,WNBTA215,其含镍量很高,这样可有效地阻止碳迁移,即阻止形成增碳和脱碳层。它的热膨胀系数介于TP347H钢与T23异种钢的之间,其焊接状态下的典型抗拉强度为550MPA,与TP347H钢和T23异种钢较接近,较好地保证了TP347H钢与T23异种钢焊接接头在强度和高温抗蠕变性能方面的匹配,是目前TP347H钢与T23异种钢焊接时较为理想、广泛采用的焊接材料。表4INCONEL82焊丝各化学元素的质量分数WCWSIWMNWSWPWCR01100150215315010150103018102210WNIWFEWNBTAWTIWCU6710310210310017501502TP347H钢与T23异种钢焊接的方法TP347H钢与T23小径管异种钢焊接,我们采用手工脉冲氩弧焊接3。用脉冲氩弧焊电源焊接,采用小坡口形式、预留间隙,在水平位置进行管子滚动和手工送丝、轻微摆动焊接。此焊接方式由于操作者操作姿势及焊把位置相对固定,所以焊缝的外观成形和内在的质量均比全位置手工氩弧焊稳定,且焊接电源为脉冲性,焊接电流周期性地分为峰值电流和基值电流。峰值电流用于打开焊缝熔池并形成一定的熔深,以确保焊接质量。基值电流则用于维持电弧的稳定燃烧,从而73第2期蔡永江等TP347H与T23小径管的焊接工艺及缺陷形成机理保证脉冲电弧的稳定性。这样的焊缝,外观优良且表面呈淡黄色,质量较好。如果坡口采用加工预留较小钝边、对口时不留间隙的焊接方法,虽然焊接工艺简单,但焊缝的熔合比增大,焊缝根部增碳与脱碳严重,较大地削弱焊接接头的性能。由于TP347H钢T23钢在导磁性、电阻率、熔池铁水粘性等方面不同,且焊接时电流存在脉冲性,所以电弧易偏向T23母材侧,且T23母材较容易熔化,故打底层焊接时,电弧电极应稍偏向TP347H母材侧。同样由于TP347H钢和INCONEL82焊丝的合金成分很高,所以焊缝熔池黏性大,合金元素易氧化造成熔池出现浮渣。操作时,除注意控制线能量及层间温度不宜过高、管子内部背充氩气保护充分外,还要采取氩气的滞后保护等措施。另外,在盖面层焊接时,还会遇到局部熔池黏性很大、铁水铺不开的现象,这是焊接层间温度过高,以致合金元素氧化严重,或焊丝及层间焊道清理不干净,导致熔池内杂质过多造成的。3TP347H钢与T23异种钢焊接时的缺陷在实际施焊操作中,焊工进行TP347H钢与T23脉冲氩弧焊时,会出现电弧偏斜、熔池发粘、高温氧化泛渣等问题。这些问题会导致焊接时出现如下缺陷根部内凹弧坑裂纹未熔合缺陷等问题,其中以未熔合缺陷对焊接质量影响较大。311根部内凹缺陷根部内凹是TP347H钢与T23异种钢打底焊接时较常出现的缺陷。如要克服该问题,首先要保证对口间隙不宜过小,另外,焊接操作时,电极位置要靠近坡口根部,且在平焊位置处稍偏向前,焊接时应始终打开熔孔,并控制好送丝量,使打底焊道不至过厚,焊接速度也不能过快,焊接到接头最好能先用砂轮机稍作打磨处时要适当停留。若停留时间短,电弧没有足够热量熔化起焊处较厚的焊缝金属,会导致接头内凹。若停留时间太长,又容易引起接头处焊缝组织过烧、根部突出过多等缺陷。所以,施焊时接头的处理及停留时间要恰当。312弧坑裂纹缺陷弧坑裂纹在用INCONEL82焊接的焊缝中较易出现,这是由于镍基焊丝在焊接时对洁净度的要求很高,在焊接或加热时,若有油、脂、漆、锈、垢等或是其他含有碳、氩、硫、铅等元素的化合物存在,容易引起母材或焊缝金属脆化及开裂,所以弧坑裂纹在用INCONEL82焊丝焊接的焊缝中非常敏感。要克服弧坑裂纹,首先要将焊丝和焊道清理干净,其次,在焊接时,焊道厚度不宜过薄尤其是打底层焊道,焊缝过薄时,会大大减少抵抗热应力的能力,容易引起弧坑裂纹,严重时还会导致焊缝彻底开裂。实际操作中已证明熄弧前,往熔池内多送1滴铁水,一方面可满足熔池冷却收缩时对铁水的瞬间补给需求,一方面可有效降低熔池温度,是防止弧坑裂纹的一种较好办法。当焊道焊完后,再用电磨工具把接头处因过多送丝引起的局部过高处磨掉,不会影响下一层的焊接。此外,焊完后仔细检查,若发现弧坑裂纹应及时、彻底地打磨,此裂纹就不会延伸,这也是消除弧坑裂纹的一种有效方法,但如果打磨过深,则应适当进行填补焊,以免影响焊缝的整体强度,也不会对整个焊缝的焊接质量造成影响。所以TP347H钢与T23异种钢焊接时,应加强层间检查及相应管理,这是非常重要的环节。313未熔合缺陷未熔合缺陷是TP347H钢与T23异种钢焊接中较难解决的问题,它多出现在层间填充及盖面的焊道中。原因是ATP347H钢与T23异种钢焊接时,电流小、熔池铁水黏性大,熔池中因合金元素氧化造成的浮渣多,焊工操作时稍有不慎,就可能出现未熔合问题B未熔合缺陷,特别是层间存在的未熔合,对常规的射线探伤不敏感,不易被发现,用超声波对小径管焊缝进行检测时,不易把握,所以容易造成隐患。实践证明断口检查是检查层间未熔合最好的方法,但断口检查属于破坏性检测,只能用抽检或用焊接代样管来检查,局限性很大,且容易放过其它点状缺陷。实践中表明厚壁管焊接时,层间未熔合出现的概率比薄壁管大得多。5018MM8MM焊口与42MM5MM焊口相比,层间未熔合出现的概率就大得多,这是因为壁厚增大,焊接时熔池散热较快,温度过低造成的。下转第54页83广东电力第19卷会形成SF4,SF3等低氟化合物,最终导致各种分解产物。D热分解在SF6GIS设备中,过热通常是由于设备中触头接触不良造成的,此时没有放电,但也可能发生热分解,生成SOF2,SO2F2,SO2等产物。以上故障均会使SF6气体发生分解,再与设备中的微量水分反应,形成酸性物质。3总结和建议近几年来,深圳供电局多次使用香港中华电力公司自制的简易SF6酸度测试仪来判断GIS设备故障气室。该仪器具有以下优缺点A优点可以快速判断出GIS设备故障气室,对尽快恢复设备运行发挥了积极的作用,值得在电力部门推广使用B缺点该仪器使用的是氢氧化钠酚酞碱性溶液来吸收SF6分解物质经水解产生的酸性物质,而氢氧化钠碱性溶液容易受到空气中的二氧化碳等酸性物质的中和,需要定期标定或临时配制,给实际工作带来不便,不适合判断SF6变压器是否存在故障。深圳供电局现有的色谱离子仪虽然对SF6气体成分分析速度慢,不太适合现场快速判断出GIS故障气室,但在分析故障的性质方面能发挥重要的作用,建议对该简易SF6酸度测试仪进行改进,选择合适的碱性吸收溶液和浓度,设计1套适合所有SF6电气设备故障判断的分析仪。参考文献1朱芳菲,孟玉婵,郑铉六氟化硫气体分析技术M北京兵器工业出版社,19982DL/T5961996,电力设备预防性试验规程S作者简介胡红红1970,女,江西吉安人,高级工程师,工学硕士,从事变电站化学监督工作。上接第38页可从以下几个方面来提高焊接时熔池的温度A脉冲焊接时峰值电流不宜过小,必须满足打开熔池并能熔化原有焊道及母材金属B焊接速度不能过快,因为熔池移动速度过快,会导致熔池温度及