SA213T23管子焊接工艺研究

毕业设计（论文）题 目 SA-213T23 管子焊接工艺研究 学 院 专业班级 学生姓名 学号 指导教师 职称 高级工程师 评阅教师 职称 2012 年月日注 意 事 项 1.设计（论文）的内容包括： 1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300 字左右） 、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论） 、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于 1 万字（不包括图纸、程序清单等） ，文科类论文正文字数不少于 1.2 万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件） 。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用 A4 单面打印，论文 50 页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它学生毕业设计（论文）原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。毕业设计（论文）作者（签字）： 2012 年月日： 重庆科技学院专科生毕业设计 摘要I摘 要随着大型火电机组的发展，对与其配套的高压锅炉的主要管材提出了更高的技术要求。T23钢是贝氏体耐热钢，该钢具有良好的力学性能及持久塑性，适于制造工作温度在600以下的高温过热器、再热器部件及锅炉集箱、蒸汽导管等。通过对T23钢的成分、组织、性能及其焊接性的了解。对国产T23钢550 、600 和650 的持久试样在Nikon EPIPHOT 300金相显微镜，S-570扫描电子显微镜(SEM)和JEM-200CX 透射电子显微镜(TEM)下观察其在高温时效后的显微组织，研究了T23钢高温蠕变过程中的组织演变及其对性能的影响。通过对T23钢的初步认识逐步确定了T23管子焊接工艺参数，并根据编制的焊接工艺进行焊接工艺评定实验。T23钢由于其优良的工艺性能、较高的持久强度，将有广阔的应用前景，值得我国认真研究积极推广应用。关键词：T23钢 耐热钢 焊接性 显微组织 持久强度重庆科技学院专科生毕业设计 目录1目录摘要1 前言11.1 SA-213T23 钢管在锅炉的研究背景11.2 SA-213T23 概述11.3 SA-213T23 钢管在锅炉的应用21.4 SA-213T23 钢管在锅炉的应用前景32 SA-213T23 钢管的综合性能42.1 SA-213T23 钢管的成分42.2 合金元素对 SA-213T23 组织及性能的影响52.2.1 Cr、Mo 元素的作用52.2.2 V、Nb 元素的作用52.2.3 C 元素的作用62.2.4 Si 的作用62.2.5 微量 Nb 和 B 的综合作用62.2.6 其它元素的控制6 2.3 热处理工艺对 T23 钢组织与性能的影响62.3.1 正火工艺的影响72.3.2 回火工艺的影响72.4 SA-213T23 钢管的组织和性能72.4.1 试验材料及方法72.4.2 试验结果及分析83 SA-213T23 的焊接性及接头性能分析133.1 SA-213T23 钢的焊接性分析133.2 SA-213T23 的焊接接头性能分析133.2.1 焊接裂纹敏感性133.2.2 焊缝韧性133.2.3 时效倾向13 3.2.4 焊缝的 相133.2.5 焊缝的淬硬性14重庆科技学院专科生毕业设计 目录23.2.6 焊缝的未熔合143.2.7 根层焊缝金属氧化144 SA-213T23604钢管焊接工艺154.1 焊接方法和焊接设备154.2 焊接材料及规格154.3 焊接工艺参数154.4 焊前准备及坡口型式154.5 焊接程序及操作技术要求164.6 焊接操作中的几个要点164.7 焊后热处理工艺规范165 SA-213T23 钢的焊接工艺评定175.1 焊接工艺试验175.2 试验结果175.3 结论20参考文献21致谢22重庆科技学院专科生毕业设计 1 前言11 前言1.1 SA-213T23 钢管在锅炉的研究背景随着电力工业的发展和全球对环境问题的日益关注,节约一次能源、加强环境保护、减少有害废气排放、降低地球温室效应已引起国内外的高度重视。采用超临界、超超临界机组是提高火电机组的热效率、节约能源、防止环境污染的有效途径之一。随着蒸汽温度和压力的提高,电厂效率不断提高,供电煤耗也进一步降低,而提高蒸汽参数的主要技术难题是金属材料耐高温、高压及焊接问题。开发抗高温性能更好的耐热钢是发展高效超临界、超超临界火电机组(USC)的关键技术之一。在普通的超临界机组，水冷壁出口的汽水温度约为 420，正常情况下它的金属温度可能达到 450。通常选用 T1、T11 和 T12 等均可以满足使用要求。可是超超临界(USC)锅炉水冷壁的运行压力和温度都有明显的提高。例如在 31MPa620蒸汽参数的USC 锅炉水冷壁出口端的汽水温度达 475。在投入运行的初期，中墙部位的管壁温度达到 497。长期运行后，由于管壁形成垢层，管壁温度可升至 513。而热负荷最高区域的管子壁温和接近出口部分的管壁温度可达 520，瞬间最高温度甚至可达 540。因此，以往在亚临界和普通的超临界机组中采用的钢材已不能满足要求，需要采用合金含量更高，热强性更好的钢材。除此以外，这些 USC 锅炉的水冷壁大多是膜式壁，由于锅炉容量增大，为了提高效率，希望增大受热面积，为此需要减小管径，这样就使水冷壁变成为更大更薄的结构。如果仍采用传统的铁素体珠光体耐热钢，如 ASTM A213-T12(13CrMo44)和 ASTM A213-T22(10CrMo910)来制作，焊后就需要进行焊后热处理。对这样大而薄的平面形构件实施热处理不仅难度很大，而且构件在受热后极易产生扭曲变形，且这种扭曲变形是极难矫正的。因此，从工艺要求出发。需要采用焊接以后可以不进行热处理的钢材来制作。可见，用于制作 USC 锅炉水冷壁的材料不仅应该在 550570下具有足够的蠕变断裂强度，而且要求焊前不用预热、焊后不必热处理的焊接性良好的钢材。在这种趋势下，第一步是改型的 9%CrT91/P91 钢（见瓦卢瑞克曼内斯曼钢管公司的T91/P91 手册） 。这种钢已被全球使用了 10 多年，并获得了非常成功的应用。市场要求进一步提高高温服役用钢的蠕变强度/许用应力，以便能够提高电厂效率，并满足环境法规。尤其是对现代锅炉的水冷壁， “旧”钢种根本不能满足上述要求。因此必须开发具有高蠕变强度/许用应力并具有良好焊接性的新钢种。1.2 SA-213T23 概述SA-213T23（HCM2S）是日本住友金属株式会社在我国 G102（12Cr2MoWVTiB）基础重庆科技学院专科生毕业设计 1 前言2上，将碳含量从 0.08-0.15%降至 0.04-0.10%以改进材料的焊接性能，Mo 含量从 0.50-0.65%降至 0.05-0.30%，W 量从 0.30-0.55%升至 1.45-1.75%，并形成以 W 为主的 W-Mo 的复合固溶强化，加入微量 Nb 和 N 形成碳氮化物弥散沉淀强化，而研制成功的低碳低合金贝氏体-型耐热钢。SA-213T23 钢管综合性能良好，其最高使用温度为600，可用于制造大型亚临界电站锅炉金属壁温不超过 600的过热器和再热器；或用作超超临界锅炉的水冷壁材料。目前 SA-213T23 钢已经在我国锅炉制造中得以应用，并且具有相当好的应用前景。随着电站锅炉向高参数、大容量、低成本、高效率方向的发展,对锅炉受热面材料也提出了更高的要求。从上世纪 60 年代初开始应用的 T/ P22 ,到近二十年来广泛使用的 T/ P91 等具有更好高温性能和许用应力的耐热合金钢,被大量应用到大型电站锅炉的高温受热面。在(200300) MW 机组锅炉过热器及再热器选材方面, 多年来常用的模式为 12Cr1MoV、T22 、G102 、T91 、TP304 或 TP347 逐级过渡, 而G102(12Cr2MoWVTiB) 由于在锅炉事故中爆管较多,且抗高温氧化性能差而逐渐退出应用。这样,受热面管材的选择基本上由 T22 或 12Cr1MoV 直接过渡到 T91 或 TP304 ,由此造成了一些较低温度段的 G102 均由 T91 替代,导致锅炉制造成本大幅增加。T23 作为一种介于 T22 与 T91 之间的新材料,于上世纪 90 年代后期开始在欧洲及日本多台亚临界、超临界甚至超超临界火电机组上得到应用。作为一种 2.25Cr-1.6W-Mo 材料, T23 钢相当于 G102 ,它是吸取了 G102 的 Mo 、W 复合固溶强化和微量元素析出的优点,在T22 的基础上改型发展起来的。由于该材料在(550600) 具有良好的蠕变性能和许用应力,因此它将是(200300) MW 以上锅炉介于 12Cr1MoV 与 T91 或不锈钢之间的一种很好的过渡材料。1.3 SA-213T23 钢管在锅炉的应用SA-213T23 具有良好的焊接性、优良的韧性、充分高的蠕变强度和不需要焊后热处理等特点。如果膜式水冷壁压力和温度不能同时提高，那么提高新型锅炉蒸汽参数的可能性会受限制。传统的铁素体-贝氏体钢如 ASTM A213T12（13CrMo4-4）和 ASTM A213T22（10CrMo9-10）没有足够的蠕变断裂强度，用在超临界锅炉的膜式水冷壁，这些钢（刚好在膜式水冷壁焊接后）热影响区的最大硬度必须通过焊后热处理才能减小到 30HV 以下。实际上，在生产流程中，因为水冷壁的尺寸以及易产生很难矫正的扭曲变形，在炉中进行焊后热处理是很困难的。锅炉的水冷壁大多是膜式壁，由于锅炉容量增大，为了提高效率，希望增大受热面积，为此需要减小管径，这样就使水冷壁变成为更大更薄的结构。如果仍采用传统的铁素体贝氏体耐热钢来制作，焊后就需要进行焊后热处理。对这样大而薄的平面形构件实施热处理不仅难度很大，而且构件在受热后极易产生扭曲变形，且这种扭曲变形是极难矫正的。因此，从工艺要求出发，SA-213T23 钢用于锅炉水冷壁管有其明显的优势。另外因 SA-213T23 有较好的高温性能，所以也见用于锅炉末级过热器管的制造，如镇江发电有限公司5、#6 机组末级过热器重庆科技学院专科生毕业设计 1 前言3冷段就设计使用 SA-213T23 材料。 1.4 SA-213T23 钢管在锅炉的应用前景随着电力发展的需要，电站锅炉参数的要求不断提高，进而要求锅炉受热面管材和集箱管道材料具有更好的高温强度、组织稳定性、抗烟气腐蚀性、抗蒸气氧化性、焊接性和加工成形性。为此各国投入大量人力、物力、财力研究耐热合金钢管，特别低合金耐热钢管。日本在 225Cr-1Mo 钢和不锈耐热钢之间开发了 SA-213T23、9Cr-2Mo、NF616、HCM12、HCM12A 钢等，美国开发了改良型 9Cr-lMo 钢，即 SA213-T91(以下称 T91)。在 9Cr 钢以上，T91 材料开发最成功，20 多年来已广泛地用于锅炉受热面高温段，在 600左右取代 SA213-TP304H(以下称 TP304H)不锈钢，填补了 2.25Cr-1Mo钢和不锈耐热钢之间的空白，是一种很好的过渡材料，目前其母材和焊材已相当成熟，NF616、HCM12A 钢是为替代 T91 用于更高温度条件而开发的钢种，目前也已纳入 ASME规范的 0ODE CASE 中，分别为 ASME code case 2179，ASME code case 2180 拟定牌号为 SA-213T911 和 SA213-T122，不久的将来必将纳入 ASME 规范中。但是 2.25Cr-1Mo 钢和 T91 钢之间的强度差别太大，在 560以上，后者高温持久强度是前者 2 倍多，在此温度区间用，T91 取代 SA-213T22 (以下称 T22)，由于两者价格相差较大，势必带来很大的浪费。日本住友公司根据微量合金化理论，在 2.25Cr-1Mo 基础上开发了 SA-213T23，以弥补 T22 强度的不足，现在这种材料已经纳入 ASME 的 code case 2199-1，拟定牌号为 SA-213T23，日本牌号为 STB 1。我国在 20 世纪 70 年代开发了与 SA-213T23 相近材料 12Cr2MoWVTiB(代号为钢 102)，该材料是根据微合金理论研究出来的一种耐热钢，试验数据稳定可靠。在我国锅炉高温受热面材料中，钢 102 的强度和使用温度处在 12CrlMoV 和不锈钢之间，是一种良好的过渡材料，该钢材在我国已使用近20 年。在锅炉的高温集箱和主蒸气管道用材方面，我国一直使用 12CrlMoV 材料，其使用温度为 550以下，该材料用于蒸气温度为 538的亚临界锅炉时，已接近其最高使用温度，且壁厚已达 110mm。那么在更高温度和压力下，12CrlMoV 已不能满足要求，我们将采用何种材料?虽然随着我国锅炉制造水平的提高，我们掌握了 SA335-P91 材料(以下称 P91)的制造技术，其使用温度 600左右，但该材料制造难度很大。在550600温度范围内，12CrlMoV 和 P9l 之间，我们需要一种过渡材料，这就为 SA-213T23 材料留出了一个很好的使用空间。该分析旨在比较分析 12CrlMoV、SA-213T22、SA-213T23、钢 102 和 T9lP9l 材料的各项性能指标及其工艺性、焊接性，介绍 SA-213T23 材料性能的同时，进一步分析 SA-213T23 材料在我国锅炉产品上使用的可能性和运用前景，为设计壁温为 580600之间的锅炉部件提供选材依据。重庆科技学院专科生毕业设计 2 SA-213T23 钢管的综合性能42 SA-213T23钢管的综合性能2.1 SA-213T23 钢管的成分和性能SA-213T23 钢是日本住友公司新开发的钢种。该钢是在 ASME SA-213T22 钢的基础上，吸收我国钢 102 的优点研制而成。SA-213T23 钢的设计思路是采用较低的碳含量，提高焊接性能，加入少量 B( 0.006 )使钢全部为贝氏体组织获得较好的韧性，减少Mo 含量而加入 W 进行复合强化，同时通过 V、Nb、B 进行沉淀析出强化。T23 钢是1999 年 5 月正式纳入 ASME code case 2199-1。ASME code case 2199-1 规定 SA-213T23 钢的化学成分(表 2.1)、力学性能(表 2.2)许用应力(表