（材料加工工程专业论文）t92钢管焊接接头组织和性能研究.pdf

山东大学博十学位论文 t 9 2 钢管焊接接头组织和性能研究 摘要 当今世界，电站机组向大容量、高蒸汽参数发展，它是提高燃料使用效率、 降低二氧化碳排放的有效手段。机组运行高参数( 尤其是蒸汽温度) 运行，对 电站锅炉用耐热钢提出了更高的要求。作为电站锅炉的过热器、再热器等高温 部件用钢，t p 3 0 4 、t p 3 4 7 等奥氏体不锈钢表现出良好的高温强度。但不锈钢具 有导热系数低、应力腐蚀敏感性高、热膨胀系数大等缺点，并不能很好的满足 机组安全高效运行的要求。因此，开发用于超临界、超超临界电站锅炉用新型 耐热钢，成为国际上制造高效洁净电力能源设备的关键技术之一。 t 9 2 ( 9 c r 0 5 m 0 1 8 w - v n b ) 钢是在t 9 1 钢( 9 c r l m o v n b ) 的基础上，通过减 少m o 含量至0 5 、增加w 含量至1 8 ，并利用计算机控轧控冷技术( t m c p ) 制造的最新一代9 c r 铁素体耐热钢。适用于制作蒸汽温度在5 8 0 6 0 0 之间、 金属最高壁温在6 0 0 6 2 0 的过热器、再热器等锅炉高温受热面部件，是新一代 超临界超超临界电站机组受热面管子的理想材料。 我国目前正在建设和规划建设的超超临界( u s c ) 机组有近5 0 台，其容量 为6 0 0 m w 和1 0 0 0 m w 两个级别，蒸汽参数为：汽机主汽入口设计压力为 2 5 2 6 5 m p a ，高于日本同类机组，主蒸汽再热蒸汽温度为6 0 0 6 0 0 。c ，高于欧洲 同类机组。在管道选材方面，目前世界上并无一台相同的机型可供借鉴。同时， 我国对t 9 2 钢及其焊接的研究远远滞后于欧美和日本，技术资料数据几乎全部依 赖国外，这在很大程度上制约了我国机组的设计、制造及安全运行。 t m c p i 艺生产的9 。1 2 c r 铁素体耐热钢焊接及在役运行实践表明，焊接接 头冲击韧性不足是这类钢焊接及运行中存在的主要问题。由于t 9 2 钢研制成功的 时间较短，为满足超超临界机组发展的迫切需要，目前t 9 2 钥 焊接研究主要集中 在工程应用领域，焊接材料及焊接工艺的研究是以达到a s m e 标准对该类钢冲击 韧性的最低要求为目标，对于焊接接头冲击韧性不足的深层次理论依据尚缺乏 系统研究。弄清t 9 2 钵 焊接接头脆化机制，对t 9 2 钢焊接材料研制、制定合理的 焊接工艺及电站设备的安全运行具有重要的指导意义。 本文较系统研究了t 9 2 钢母材的基本组织状态、焊接热影响区及焊缝金属 v l l t 9 2 钢管焊接接头组织和性能研究 组织转变特点，以深入探讨t 9 2 钢焊接接头的脆化原因，为焊接材料研究及制 定合理焊接工艺提供理论依据，为我国超超临界机组的制造、安装和安全运行 提供技术支持。 本文分析了t 9 2 钢的微观组织结构。其显微组织由板条状回火马氏体、长 薄片状的马氏体、少量的块状0 相、弥散分布的m 2 3 c 6 及m x 化合物组成。 板条状回火马氏体为体心立方结构的f e c r 固溶体相。w 、m o 作为铁素体稳定 化元素固溶于f e c r 相中起到固溶强化作用。在板条马氏体内部及边界上主要分 布着棒状的富含f e 、c r 元素的m 2 3 c 6 型合金碳化物，和少量富v 、n b 元素的点 状m x 型化合物；六方结构的马氏体分布在板条马氏体之间，其晶格常数为 a = 2 5 5 8 8 a ，c = 4 1 2 3 7a ，内部为孪晶亚结构。 本文利用焊接热模拟方法，研究了焊接线能量对焊接热影响区组织和性能 的影响。研究指出，热模拟峰值温度对热影响区组织性能影响很大，t 8 5 = 1 0 s 时， 当热模拟峰值温度低于t 9 2 钢的a c l 线时，主要发生马氏体板条转变为块状铁 素体的组织变化，焊接热影响区的微观硬度、冲击韧性接近母材。当热模拟峰 值温度超过t 9 2 钢的a c l 时，随峰值温度提高，在焊接热影响区出现的m a 组 元，热影响区微观硬度提高，冲击韧性下降，t m 。x = 1 3 5 0 。c 时冲击功下降至3 8 j 。 粗晶区为热影响区冲击韧性最低的区域，远低于母材，是t 9 2 钢工程应用研究 的重点。 t 8 5 对焊接热影响区的组织和性能有重要影响，本文重点研究了t 8 5 对粗晶区 组织和性能的影响。延长t 8 ，5 焊接热影响区粗晶区的微观硬度呈先增加后减小、 冲击功先减小后增大的趋势，减小焊接线能量可有效提高热影响区的冲击韧性。 随t 8 5 不同，热模拟1 3 5 0 。c 热影响区中的分布和形态不同，对其冲击韧性有很大 影响，t 8 5 = 7 s 时，m a 组元成弥散聚集状态分布，粗晶区冲击功为5 0 j ，t s s = 4 0 s 冲击功仅为1 4 j ，呈链状分布的m a 组元是造成粗晶区的冲击韧性严重不足的 主要原因。 对t 9 2 钢一次热循环粗晶区施以二次热循环，峰值温度位于a c l 附近时， 一次热循环粗晶区出现局部脆化现象。 焊后热处理可显著提高焊接热影响区的冲击韧性。经7 6 0 6 0 m i n 热处理 后，焊接热影响区中的m a 组元分解为0 【相和m 2 3 c 6 型合金碳化物，冲击韧性 v i i i l i j 东大学博+ 学位论文 显著提高，由于粗晶区中存在更多连续分布的m 2 3 c 6 型合金碳化物，其冲击韧性 低于其他区域的冲击韧性，并远低于母材。 t 9 2 钢焊缝性能，尤其是焊条电弧焊焊缝性能的劣化，是t 9 2 钢焊接接头存 在的严重问题。本文利用透射电子显微镜等研究了t 9 2 钢焊缝在不同的焊接方 法及热处理规范下焊缝组织与冲击韧性关系。研究结果表明，焊态下，t 9 2 钢焊 缝的冲击韧性远低于母材。t i g 焊缝冲击韧性高于焊条电弧焊焊缝的冲击韧性。 焊缝中的m a 组元是导致其冲击韧性不足的主要原因，减小焊接线能量可减少 焊缝中m a 组元的数量，并改变m a 组元的分布状态，从而改善焊缝的冲击韧 性。 焊后热处理可显著提高焊缝的冲击韧性。m a 组元在焊后热处理过程中分 解为0 【和m 2 3 c 6 型碳化物，使焊缝的冲击韧性提高。经7 6 0 。c 6 0 m i n 热处理后， t i g 焊焊缝的冲击韧性可达到接近母材的水平，延长热处理时间焊缝冲击韧性有 进一步提高的趋势。焊条电弧焊焊缝中的m a 组元分解后，形成条状碳化物分 布在贝氏铁素体条之间，回火抗力更高，经7 6 0 1 2 0 m i n 热处理后，焊缝的 冲击韧性显著提高，但呈链状分布的碳化物使得焊条电弧焊的冲击韧性仍然严 重低于母材。 本文根据工程应用的急需，用t i g 焊和t i g 焊打底焊条电弧焊盖面两种方 式，对 4 8 2 x 7 5 、 5 0 8 x 8 8 两种规格的t 9 2 钢管进行了焊接工艺评定，焊接 接头的力学性能及金相组织达到了焊接工艺评定规程d l t 8 6 8 2 0 0 4 ) ) 标准的 基本要求。结合焊接施工现场具体情况制定的焊接工艺在1 0 0 0 m w 超超临界机 组建设中得到应用，完成1 6 6 2 个t 9 2 焊口的焊接，取得了满意的效果。 关键词：电站，超超临界机组，耐热钢，t 9 2 钢，焊接，焊接热影响区，热模拟 i x t 9 2 钢管焊接接头组织和性能研究 s t u d yo hm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo f t h ew e l d i n gj o i n to f t 9 2s t e e lt u b e a b s t r a c t a tp r e s e n t ，p o w e rs t a t i o nu n i tw i t hl a r g ec a p a c i t ya n dh i g hs t e a mp a r a m e t e r si s a ne f f e c t i v ew a yt oi n c r e a s et h e r m a le f f i c i e n c yo ft h ef u e la n dr e d u c et h er e l e a s eo f c 0 2e m i s s i o n ，b u ti n c r e a s e do p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，e s p e c i a l l yt h es t e a mt e m p e r a t u r e ， p r e s e n t sah i g h e rd e m a n df o r t h eh e a tr e s i s t a n c es t e e l sa p p l i e df o rp o w e rs t a t i o nb o i l e r w h e nu s e df o rt h eh i g ht e m p e r a t u r ec o m p o n e n t so fs u p e r h e a t e ra n dr e h e a t e r , t h e a u s t e n i t i cs t e e l ss u c ha st p 3 0 4a n dt p 3 4 7c a np r o v i d eh i g hc r e e ps t r e n g t ha te l e v a t e d t e m p e r a t u r e ，b u tt h e yd on o tm e e tt h ed e m a n d so fp o w e rs t a t i o nu n i tf o ro p e r a t i n gi n s a f e t y a n dh i g he f f i c i e n c ys t a t u sw e l lb e c a u s eo ft h el o wt h e r m a lc o n d u c t i v i t y c o e f f i c i e n t ，h i g hs t r e s sc o r r o s i o ns e n s i t i v i t ya n dh i g ht h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t t h e r e f o r e ，i ti so n eo fk e yt e c h n o l o g i e st od e v e l o pt h en e wh e a tr e s i s t a n c es t e e l sf o r m a n u f a c t u r i n gh i g he f f i c i e n c ya n dc l e a np o w e rs t a t i o ne q u i p m e n t s b a s e do nt 91 s t e e l ( 9 c r lm o - v n b ) ，t h en e w e s tg e n e r a t i o no ff e r r i t i c h e a t r e s i s t a n c es t e e l ，t 9 2s t e e l ( 9 c r 0 5 m o1 8 w - v n b ) ，w a sd e v e l o p e dt h r o u g hd e c r e a s i n g m ot o0 5p e r c e n ta n di n c r e a s i n gw t o1 8p e r c e n ta sw e l la sb e i n gm a n u f a c t u r e dw i t h t h e r m a lm e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s s ( t m c p ) i ti st h ep r o m i s i n gc a n d i d a t ef o rt h e s u p e r h e a t e ra n dr e h e a t e rw i t hs t e a mt e m p e r a t u r eo f5 8 0 - - 6 0 0 * ca n dm e t a lw a l l t e m p e r a t u r eo f6 0 0 - 6 2 0 。ci nn e wg e n e r a t i o no fs u p e r c r i t i c a la n du l t r as u p e r c r i t i c a l p o w e rs t a t i o nb o i l e r b a s e do np a r t i a ls t a t i s t i c s ，t h en u m b e ro fu s cu n i tu n d e ro rp r e p a r e df o r c o n s t r u c t i o ni sn e a rt o5 0a l lo v e ro u rc o u n t r y t h e s eu n i t sc o v e rt w ol e v e l so f 6 0 0 m wa n d10 0 0 m ww i t ht h em a i ns t e a mi n l e tp r e s s u r eo f2 5 - 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ai nw m b y s m a wt or e s u l ti ni t si m p a c tt o u g h n e s sv e r yl o w w i t hw e l d i n gh e a ti n p u tr e d u c e d a m o u n to fm - ad e c r e a s e sa n di t sd i s t r i b u t i o ns t a t u sc h a n g e sa sw e l l ，c o n s e q u e n t l yt h e i m p a c tt o u g h n e s s o fw m i m p r o v e s p w h tc a ni m p r o v et h et o u g h n e s so fw m d r a m a t i c a l l y m - ad e c o m p o s e si n t o 0 【- p h a s ea n dm 2 3 c 6c a r b i d ed u r i n gp w h t , w h i c hr e s u l t i nw m st o u g h n e s s i n c r e a s i n g a f t e rp w h to f7 6 0 。c 6 0 m i nt h ei m p a c tt o u g h n e s so fw mb yt i gi s n e a rt ob ms ，a n dw i l lr i s ef u r t h e rw i t hh o l d i n gt i m ep r o l o n g e d i nw mo fs m a w m ad e c o m p o s e si n t ol a t h l i k ec a r b i d ed i s t r i b u t e db e t w e e nb a i n i t e f e r r i tb o u n d a r i e s w i t hm g ht e m p e rr e s i s t a n c e a f t e rp w h to f7 6 0 。c 12 0 m i ni m p a c tt o u g h n e s so fw m r i s e so b v i o u s l y , b u tc h a i n l i k ec a r b i d em a k ei m p a c tt o u g h n e s so fw m b ys m a ws t i l l m u c hl o w e rt h a nt h a to fb m i no r d e rt om e e tt h eu r g e n td e s i r ef o rw e l d i n gp r o c e d u r ei ne n g i n e e r i n g ，t w o k i n d so fw e l d i n gm e t h o d so ft i ga n dt i gf o rr o o tw e l dp a s sp l u ss m a wf o rt h e o t h e rw e l dp a s s e sw e r ee m p l o y e di nw e l d i n gp r o c e d u r eq u a l i f i c a t i o nf o rt w o s p e c i f i c a t i o n s o ft 9 2s t e e lt u b e so f0 4 8 2 x 7 5 m ma n d0 5 0 8 x 8 8 m m t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r e so fw e l d i n gj o i n t sr e a c h e dt h eb a s i c r e q u i r e m e n t sr e g u l a t e db y “w e l d i n gp r o c e d u r es p e c i f i c a t i o nd l t 8 6 8 2 0 0 4 ”t h e w e l d i n gp r o c e s sw i t hc o n s i d e r a t i o no fs p e c i f i cc o n d i t i o n si nc o n s t r u c t i o nf i e l dw a s s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ow e l d 16 6 2 j o i n t so ft 9 2 s t e e lo f10 0 0 m wu s c p o w e r u n i t k e yw o r d s ：p o w e rs t a t i o n ，u s c ，h e a tr e s i s t a n c es t e e l ，t 9 2s t e e l ，w e l d ，h a z ，t h e r m a l s i m u l a t i o n x i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：旌日期：型! 二 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ：缉翩虢忸 日期：型! 墅型二 山东大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1引言 发展大容量、高蒸汽参数的电站机组是提高燃料使用效率、降低二氧化碳排 放的有效手段，但提高机组运行参数( 尤其是蒸汽温度) ，对电站锅炉用耐热钢 提出了更高的要求，因此，开发用于超临界、超超临界电站锅炉用新型耐热钢 成为了制造高效洁净电力能源设备的关键技术之一【卜5 1 。在用于电站锅炉的过热 器、再热器等高温部件时，t p 3 0 4 、t p 3 4 7 等奥氏体不锈钢表现出良好的高温强 度，但不锈钢具有导热系数低、应力腐蚀敏感性高、热膨胀系数大等缺点，并 不能很好的满足机组安全高效运行的要求9 1 。因此，铁素体耐热钢的开发成为 世界各国电站锅炉用钢的重要发展方向，国际上，珠光体、贝氏体、马氏体耐 热钢统称为铁素体钢l l , 1 4 】。 1 2电站锅炉用铁素体耐热钢的发展历史 铁素体耐热钢的发展可以分为两条主线，一是逐渐提高主要耐热合金元素 c r 的含量，从2 2 5 c r 提高到1 2 c r ；二是通过添加v 、n b 、w 、m o 、c o 等合 金元素，使钢的6 0 0 。c x l 0 5 h 蠕变断裂强度由3 5 m p a 提高到6 0 、1 0 0 、1 4 0 、1 8 0 m p a ， 1 0 万h 6 0 0 c 的变断裂强度 第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段 3 5 n m a 6 0 m p a1 0 0 胁1 4 0 l m p a 一c+w 1 2 2 5 c r - i m oi -盟叫2 2 5 c r - i m 。vl m 0 帅 “i2 2 5 c r - 1 6 m v n b l a s m e t 2 2 h c m 2 s ( s t b a 2 4 )翔9 c r 一2 m o p 6 m e t 2 3s t b a 2 4 j 1 ) 一a - v h c m g m 未( s t b a ：o ) 一i9 c r - - i m oi -置痞一2 m o v n b a s m e t 9e m l 2 ( s t b a 2 6 )+ v o 帆4 9 2 1 3 ) v n b 一m o 叫9 c r - i m 。v n b l 嘶嘲l9 c r - i m o v n b i + w i e 9 1 1 1 9 c r - 0 5 m o - i 8 w v n b t e m p a l o v f 一9 ( a s m e r g ls t b a 2 s ) n f 6