超超临界锅炉典型部件材料的选择及焊接工艺的控制VIP

第 4 6卷增刊 2 2 0 1 5年 1 O月 锅 炉 技术 BOI LER TECHN0L0GY Vo 1 4 6，S u p p l e me n t 2 0c t ，2 O 1 5 超超 临界锅 炉典型 部件 材料 的选择及焊接工艺 的控 制 沈剑 雷 ( 江苏 省特种设 备安全监督检验研究 院，江苏 南京 2 1 0 0 3 6 ) 摘要 ： 针 对超超临界锅炉高 温、 高压 的特点 ， 以锅炉典 型部件 为例 ， 分析 了超超 临界 锅炉用 材料 的性 能 以 及在焊接过程 中如何 选择合适的焊接工艺 。 关键词 ： 超超临界锅炉 ；材料 ；焊接工艺 中图分类号 ： T K2 2 9 2 文献标识码 ： B 文章 编号 ： 1 6 7 2 4 7 6 3 ( 2 0 1 5 ) S 2 0 0 6 5 0 3 0 前 言 发 展 大容 量 高参 数 机 组 ， 特 别 是 超 超 临 界机 组将是我国火力发 电提高发电效率 、 节约一次能 源 、 改 善环 境 、 降 低 发 电成 本 的 必 然 趋 势 。 国 际 上 通 常把 主蒸 汽 压 力 在 2 4 1 3 1 MP a 、 主蒸 汽 再 热 蒸汽 温度 为 5 8 0 6 0 0 5 8 0 6 1 0 机 组定 义 为高 效超 临界 机 组 ， 即通 常 所 说 的超 超 临界 ( US C) 机 组L 1 。 1 超超临界锅炉对材料和焊接 的特殊要求 由 于 温 度 及 压 力 的 提 高 ， 对 超 超 临 界 锅 炉 材料 的抗蠕变 、 疲劳 、 高温氧化 与腐蚀及焊接性 能等都提出了更 苛刻 的要求 。超超 临界锅炉材 料要求具有热强 度高 、 抗 高温烟气氧化腐蚀 、 抗 高温汽水介 质腐蚀 、 可焊 性和 良好 的工艺性 等 性能 ； 压力大 幅度 的提高 会 引起管道 壁厚 的增 加 ， 对焊接 、 热处理等工艺也提 出了特殊要求 。 2 超 超 临界 锅 炉 典型 部 件材 料 的选 择 及 焊接工艺 的控 制 下面 根据 锅 炉部 件 的结 构 及 运行 特点 ， 以水 冷 壁 、 过 热 器 再 热 器 、 集 箱 管 道 3组 部 件 为 例 分 析 超 超 临 界 锅 炉 材 料 的 选 择 及 焊 接 工 艺 的 控 制 。 ( 1 )水冷壁管 内介质是液汽两相 ， 管外壁 又 在炉膛燃烧时颗粒速度运动最快 的区域 ， 积垢 导 致的管壁温升高 和燃烧颗粒 冲刷 都是选用钢 材 要考虑 的问题。在 3 1 MP a 6 2 O 的蒸 汽参数 下 ， 出 口端 的 汽水 温 度 达 4 7 5 ， 投 运 初 期 中墙 温度 为 4 9 7 ， 垢 层 增 后 可 升 至 5 1 3 ， 热 负 荷 最高区域的管子壁温可达 5 2 0， 瞬间最高温度 可达 5 4 0。这就需要合金含量更高 ， 热强性更 好的钢材 6 3 。T 2 3钢就是适应这种要求 的材料 ， 是蒸 汽 温度 6 2 0 oC以下锅 炉水 冷壁 的最佳 用 钢 。 T 2 3钢是 在 T 2 2钢 C r 2 Mo 基 体 固溶强 化 的 基础上 ， 添加 1 6 合金元素 w ， 进 一步加强 固 溶强化作用 。添加合金元素 V、 Nb 、 N等形成弥 散合金 碳 化 物、 氮化 物 形成 第 二 相沉 淀 强化 。 经 过 ( 1 0 6 0 1 0 ) 正 火 及 ( 7 6 0 士 1 0 ) 回 火 后 ， 产 生 具 有最 佳 沉 淀 物 的全 回火 贝 氏体 组 织 ， 从而使 T 2 3钢的蠕变强度和许用应力有 了很大 改善_ 2 。多组元合金元素复合强化 大幅改善 了 T2 3钢 的蠕变 断 裂 性 能 。 T2 3钢为 多组 元 的低 合 金 耐 热 钢 ， 该 钢含 有 多 种强 化元 素 ， 如 C r 、 Mo 、 V、 W 等 均增 加 了材料 的淬硬性 ， 降低 了材 料 的焊 接 性 。根 据 住友 手 册 资料， 在焊接薄壁 、 小直径受热面管子 时， 在环境 和 工件 温 度 在 2 O 以上 时 ， 可 以 不 进 行 预 热 。 但研 究 与试验 结果 显 示 ， T2 3钢 有 一 定 的冷裂 纹 倾 向 ( 特 别 是 采 用 S MAW 焊 接 方 法 时 ) ， 在 钢 结 构 拘束 大 以及 应 力集 中处 如水 冷 壁 ， 焊 接 工艺 欠 合理及焊后未消应力处理的情况下 ， 会导致冷裂 纹的产生。同时 ， T 2 3钢又具有 明显的再热裂纹 倾向， 最敏感的温度范围是 6 9 07 6 0 oC， 并且 在 相 同的再 热 温度 下 ， 预 热 温 度 越 高 ， 再 热 裂 纹 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 31 8 ； 修回 日期 ： 2 0 1 5 0 6 2 0 作者简 介： 沈剑雷 ( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 高级工 程师 ， 主要从 事电站锅炉检验的工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 锅 炉技术 第 4 6 卷 率 越低 ， 提高 预热 温 度 可 在一 定 程 度 上 避 免 裂纹 的产生 。 针对 T 2 3钢 的 以上特 点 ， 在焊 接 T 2 3钢 水冷 壁 管时应 尽 可能 采用 低 氢小 线 能 量 的 GT Aw 焊 接 方法 ， 焊 前 清 理 工 件 表 面 水 、 油 、 锈 ， 控 制 预 热 温 度在 1 5 0 2 0 0 ， 焊 后 进 行 3 0 0 3 5 0 的后 热处 理 ， 在 进 行 焊后 热 处 理 时 尽 可 能加 快 敏感 温度 的升温 和 降温 速 度 ， 减 少 焊 接 接 头在 再 热裂纹敏感温度范围内的停留时间。 ( 2 )过 热器 、 再 热 器在 高 参 数 锅 炉 中所 处 的 环 境条 件 最 恶 劣 。首 先 ： 运 行 温 度 的 大 幅 提 高 ， 需 要材料 具 有 与 高 蒸 汽 参 数 相 适 应 的 高 温 持 久 强 度及 蠕变 强 度 要 求 ； 其 次 ， 烟 气 侧 的 腐 蚀 是 影 响 过热 器 再 热 器 寿 命 的一 个 重 要 因 素 ， 当金 属 温度提高， 烟气腐蚀将大 幅度上升 ， 所 以管子材 料需 要具 有 外壁 抗 烟气 腐 蚀 性 能 ； 运 行 温 度 的提 高加 剧 了过 热器 再热 器蒸 汽侧 氧化 ， 这 将 导致 3 种后 果 ： 氧 化 层 的绝 热 作 用 引 起 金 属 超 温 ； 氧 化 层的剥落在弯头等处堵塞 引起 超温爆管 以及 阀 门泄漏 ； 剥落 的氧化物颗粒对汽机前级叶片的冲 蚀 。 因此在 过热 器 再 热器 等 材 料 选 择 中应 充分 考虑到抗蒸汽氧化及氧化层剥落性能 。最后 ， 过 热器 再热器 材料还应具备抗 飞灰 冲蚀 性能、 良 好 的冷 热加 工工 艺性 能 和焊接 性 能 。 采用含硫量高腐蚀性大的燃煤 时， 当壁温 6 0 0时 ， 高温 过热 器 、 再 热 器应 选择 奥 氏体 热 强 钢 。其 中， S u p e r 3 O 4 H细晶奥 氏体热强钢蠕变强 度高 ， 抗烟气腐蚀 和抗蒸 汽氧化性 能也很好 ， 在 超 超 临界锅 炉 高温 过 热 器 、 再 热 器 用 钢 中得 到 了 广 泛 的应用 。 S u p e r 3 0 4 H 是在 S A 一 2 1 3 T P 3 0 4 H 的基 础 上 加入适量阻止奥氏体 晶粒长大的 C u 、 Nb 、 N等元 素 ， 开 发 出 的 经 济 型 奥 氏体 钢。该 材 料 是 在 AS ME S A - 2 1 3 T P 3 0 4 H 的基础上使 S u p e r 3 0 4 H 具 有 较细 的晶粒尺 寸 ， 从 而 达到 高 温强 度 、 长期 塑性 以及抗腐蚀性能的最佳组合。其优越的高温蠕变 强 度是通过 富 C u相 的 C u 、 Nb 、 N( C 、 N) Mz 。 C 3 质 点 的弥散强 化获得 的_ 3 。 S u p e r 3 0 4 H奥氏体钢的焊接性能 良好 ， 无冷 裂倾 向， 因而焊 接时不需要预热 ， 但在 焊接过程 中有 热裂倾 向 ， 因而应 注 意 控 制 焊接 热输 入 及 层 间温 度 。在 焊 接 过 程 中采 用 焊 接 线 能 量 较 小 的 焊接 方法 如手 工 T I G 焊 ， 同时应 控 制层 间温度 不 大于 1 5 0。为防止高温 区合金元素的氧化 ， 在 整个 焊 接 过 程 中 要 进 行 背 面 充 氩 保 护 。 因 S u p e r 3 0 4 H 钢 水 较 黏 ， 在 焊 接 过 程 中 ， 钢 水 流 动 性 差 ， 故 实际焊 接 操作 时 适 当 增 大焊 枪 横 向摆 动 宽 度 ， 以提高焊缝金属的流动性 。同时为保证坡 口 两 侧 熔 合 好 ， 坡 口 角 度 应 比一 般 铁 素 体 钢 大 。 S u p e r 3 0 4 H 热膨 胀 系数 高 ， 导 热 性 差 ， 故 在 与 异 种钢焊接并在高温下使用 时， 须考虑 2种材料 的 膨胀 系 数和 高温 强度 匹 配 问题 。如 S u p e r 3 0 4 H在 与珠 光 体钢 S A2 1 3 一 T9 1 焊 接 时 ， 由于二 者 的热 膨 胀 系数 、 导 热 性 能 等相 差 很 大 ， 在 焊 接 局 部 加 热 和冷却条件下 ， 接头在冷却过程中易形成较大 的 拉应力 ， 从而形成 裂纹 ， 故选用镍基 焊丝 E RNi C r 一 3 。由于 S u p e r 3 0 4 H 的导 热性 能 差 ， 焊接 过 程 热 量 不 易 散 去 ， S u p e r 3 0 4 H 一 侧 的 温 度 要 比 S A2 1 3 一 T9 1侧 高 ， 因为 温 度 差 的 存 在 ， 焊 缝 成 型 差 。所 以 ， 焊 接 过 程 中 应 人 为 地 将 焊 枪 偏 向 S A2 1 3 一 T9 1一 侧 ， 使 焊 缝 金 属 温 度 均 匀 化 ， 这 样 可 以保 证焊 缝成 型美 观 ， 焊接 质量 稳定 。 ( 3 )由 于联 箱 与管 道 主要 布 置在 炉 外 ， 没 有 烟 气加 热 及 腐 蚀 问题 ， 管 壁 温 度 与 蒸 汽 温 度 相 近 ， 这 就要 求 钢 材 应 具 有 足 够 高 的 持 久 强 度 、 蠕 变强度和抗蒸汽氧化性能。由于机组启停 、 变 负 荷 和煤 质 波 动 引 起 的 热 应 力 ， 对 于 主 蒸 汽 管 道 、 联 箱 、 阀 门等 厚 壁 部 件 ， 材 料 的 抗 热 疲 劳 性 能 是 与高温强度 同等重要 的指标 ， 应在保证 强度 的前 提下尽可能选择热 导率高和热膨胀 系数低 的铁 素体耐热钢。铁素体热强钢 的热膨胀系数小 、 导 热率高， 在较高 的启停速率下 ， 不会造成联箱 、 管 道厚壁部件严重的热疲劳损坏 ， 所以铁素体热强 钢 是 联箱 、 管 道 的首 选 钢 材 。最 后 ， 材 料 还 要 具 有 良好 的加 工 工 艺 和 焊 接性 能 。S A 一 3 3 5 P 9 2钢 是 联 箱与 管道 的首 选钢 。 S A 一 3 3 5 P 9 2钢 是 在 S A- 3 3 5 P 9 1钢 的 基 础 上 ， 适 当降低 了 Mo元 素 的含量 ， 同时加 入 了一 定 量 的 w 以将 材 料 的 钼 当量 ( Mo +0 5 w) 从 P 9 1 钢的 1 提高到约 1 5 ， 该 钢还加入 了微 量 的 硼。经上述合金化改 良后 ， 与 9 C r 系列 的其他 常用耐热钢相 比， 其耐高温腐蚀和抗氧化性能相 似 ， 但高温强度和蠕变性能大大提高。 S A 一 3 3 5 P 9 2管 道 的焊 接 一般 采 用 GT AW + S MAW ， 两人对 称多层 多道 焊接 。打底 后第 一 遍填充采 用氩 弧焊 填料 ， 采用 薄焊 道多 层多 道 焊 接方 法 ， 每 道 焊 接 厚 度 严 格 按 照 焊 接 工 艺 卡 执 行 。焊 接 前 先 进 行 升 温 预 热 ， 预 热 温 度 钨 极 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 增 刊 2 沈剑雷 ： 超超临界锅炉典 型部 件材料的选择及焊接工艺的控制 6 7 氩 弧 焊 不 小 于 1 5 O ， 焊 条 电 弧 焊 不 小 于 2 0 0 ， 并开始进行充氩 ， 充氩期 间做好 各项焊接准 备 。待预热温度达到 1 5 0后撕 开封 口处用打 火 机 试 验 充 氩 效 果 良好 后 开 始 打 底 ， 特 别 需 要 指 出 的是 因 电 阻 加 热 进 行 预 热 时 ， 热 电偶 布 置 在加热 区以 内， 质检 员采 用红外 线测 温仪 对坡 口根部进行 测温 ， 只有 当坡 口实际温 度到 达预 热温度后 ， 方 可进 行打底 焊 接 。氩弧 焊打 底焊 时边 撕 开 封 口边 进 行 焊 接 ， 以 保 证 充 氩 效 果 ， 打 底过程 中严 格控 制焊接 电流 以及 打底厚 度 ， 搭 档焊工将封 口处 撕开 2 c m 观察打底透度情 况 ， 确保打底焊接质量 5 。为防止热裂 纹和 晶粒 的 粗 大 ， 焊接 过 程 中应 严 格 控 制 焊 接 线 能 量 ， 层 间 温 度 应 小 于 3 0 0 ， 优 先 选 用 焊 接 热 输 入 较 小 的钨 极 氩 弧 焊 。采 用 焊 条 电弧 焊 时 应 注 意 多 层 多 道 焊 ， 焊 道 厚 度 控 制 在不 大 于 焊 条 直 径 为 宜 ， 焊道 宽度不得超过焊条直径 的 3倍且建议焊条 直径不大 于 4 mm。焊缝 焊完 后应 采用石 棉保 温缓 冷 并 在 1 O 0 I 5 0 之 间至 少 停 留 1 2 h ， 待 金 相 组 织 全 部 转 变 成 马 氏体 后 方 可 进 行 焊 后热处理 。按照热处理工艺要求对 焊 口先做低 温 保 护 ， 然 后 按 照 规 定 的 升 温 速 度 升 至 恒 温 温 度 ( 7 6 0 5 ) ， 保 温 时 间严 格 按 照 技 术 规 程 要 求执行 ， 冷却至 3 0 0后不控温 ， 但在保温棉 内 冷却至室温 。对 热处理后 的焊接 接头应进行无 损 检测 及 硬 度 检测 【 5 。 3 结 语 超超临界锅炉高温、 高压的特性决定了锅炉 部件材料需要具备热强度高、 抗高温烟气氧化腐 蚀、 抗高温汽水介 质腐蚀、 可焊性 和 良好 的工艺 性等性能。同时 ， 锅炉压力大幅度 的提高会 引起 管 道壁厚 的增 加 ， 对 焊 接 、 热 处 理 等 工 艺 提 出 了 更为严格的要求。超超临界锅炉 典型部件水冷 壁、 过热器 再热器、 集箱 管道 ， 由于结构特点 和 运行 工 况 的不 同 ， 在 材料 的选择 和焊 接 工 艺 的控 制 也需 要更具 针对 性 。 参 考文 献 ： 1 安小 勇超超临界锅炉高温 材料 的选择 和应用 J 科技 创 新导报 ， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 9 9 2 杨富超临界、 超超临界锅炉用钢 J 电力设备 ， 2 0 0 4 ( 1 0 ) ： 41 4 6 3 季献武 ， 段鹏 ， 李驹T2 3钢在超超临界 1 0 0 0 Mw 机组的应 用及 现状 J 华东 电力 ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 1 2 )： 2 0 9 7 2 1 0 0 4 王萍 ， 李宜男 ， 王守 军超超 临界锅炉用新材料及对焊接接头 的要求 J 焊接 ， 2 0 0 6 ( 7 ) ： 3 6 3 9 5 孙玉梅 ， 潘乾刚 ， 刘志勇 ， 等S u p e r 3 0 4 H焊接 工艺试验研 究 J 东方 电气评论 ， 2 0 0 4 ， 1 8 ( 2 ) ： 8 2 8 5 6 葛立勇 ， 解 淑英 浅谈 S A一 3 3 5 P 9 2钢现场焊接质量 控制 J 城市建设理论研究 ， 2 0 1 2 ( 3 4 ) Sel e c t i o n o f M a t er i a l a n d Con t r ol o f W e l di n g Te ch n ol o g y f o r Ty pi c a l P a r t s of UI t r a Su p e r cr i t i c a l Boi l er s HEN J i a n - l