新型耐热钢的焊接专题讲座PPT.ppt

新型耐热钢及其焊接 山东电建二公司检测中心2009年3月 说明 焊接知识简介 新型耐热钢的焊接特点 新型耐热钢的发展 1焊接知识简介 焊接 通过加热或加压 或两者并用 并且用或不用填充材料 使工件达到结合的一种方法 1 1焊接方法分类 1 2焊接接头的组成 焊接接头由焊缝 熔合区和热影响区三部分合金钢的热影响区组织分布 熔合区 淬火区 部分淬火区 回火区 易淬火钢 2新型耐热钢发展 提高火力发电厂效率的方法三大主机的效率 锅炉 汽轮机 发电机 总 锅炉 10 30 汽轮机 90 发电机 90 同样温度下 538 538 超临界压力比亚临界锅炉机组的效率高1 7 在同样的压力条件下 24 1mpa 蒸汽温度538 538 由提高到600 610 锅炉机组的效率高3 5 提高火电机组锅炉蒸汽温度 压力参数是提高火电厂效率的最有效方法 特别是温度对效率的影响更为显著 2 1火电机组热效率 美国电力研究所 epri 总结的世界各国火电机组参数演变的历史 2 2开发耐高温性能更好的耐热钢是发展超临界 超超临界机组的关键技术之一 对于高温承压部件钢管的要求是 a 足够的高温蠕变断裂强度和持久塑性 b 良好的高温组织稳定性 c 良好的高温抗氧化性 d 良好的加工工艺性 2 3耐热钢的发展 锅炉和管道用钢的发展可以分为两个方向 一是铁素体耐热钢的发展 另一是奥氏体耐热钢的发展 所谓珠光本 贝氏体 马氏体耐热钢 按国际惯例 统称为铁素体耐热钢 2 4铁素体耐热钢的发展 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cr的成分 从2 25cr提高到12cr 二是通过添加v nb mo w co等合金元素 使钢的600 105h蠕变断裂强度由35mpa逐步提高到60 100 140 180mpa 部分铁素体钢的的化学成分 doc 2 4 1低合金耐热钢 20世纪50年代 电站锅炉钢管大多采用含cr 3 含mo 3 的铁素体耐热钢 其典型钢种及最高使用壁温为 15mo 530 12crmo 540 15crmo 540 12cr1mov 580 15cr1mo1v 580 10crmo910 580 当时 在壁温超过580 时 一般都需要使用奥氏体耐热钢tp304h tp347h 700 然而由于其价格昂贵 导热系数低 热膨胀系数大及存在应力腐蚀裂纹倾向等缺陷 不可能被大量采用 故世界各国从20世纪60年代初开始 进行了长达30多年的试验研究 来开发适用于温度为580 650 范围内的锅炉用耐热钢 2 4 2em12钢的开发 20世纪50年代末 比利时liege冶金研究中心研究了 超级9cr 钢 其化学成分为9cr 2mo 并添加了nb v等合金元素 材料牌号为em12 法国瓦鲁瑞克公司生产出em12的过热器管 1964年 法国电力公司批准em12钢管可用于620 的过热器和再热器 代替过去使用的不锈钢管 但是 由于该钢种是二元结构 冲击韧性差 后来未得到广泛应用 2 4 3钢102的开发 20世纪60年代初 中国按原苏联的耐热钢系列研究出了钢102 12crmowvtib 推荐使用温度为620 经长期使用经验证明 其使用温度以低于600 为宜 钢102主要用于壁温小于等于600 的过热器 再热器管 2 4 4t23 hcm2s t24钢的开发 hcm2s是在t22 2 25cr 1mo 钢的基础上 吸收了钢102的优点而改进的 它在600 时的强度比 22高93 与钢102相当 但由于 含量降低 加工性能和焊接性能优于钢102 在一些情况下可以焊前不预热 当壁厚小于等于8mm时 焊后可不热处理 该钢已获得asme锅炉压力容器规范case2199认可 被命名为sa213 t23 t24 7crmovtib10 10 钢是在t22钢的基础上进行改进的 与t22钢的化学成分比较 增加了v ti b含量 减少了c含量 于是降低了焊接热影响区的硬度 提高了蠕变断裂强度 在一些情况下 t24也可以焊前不预热 当壁厚小于等于8mm时 焊后可不热处理 sa213t23t 小口径管子sa335p23p 大口径管子cr1 9 2 6 mo0 05 0 3 w1 45 1 75 另加入v nb等微量合金元素 t23主要用于600 c过热器 再热器管p23主要用于575 c集箱 蒸汽管道 在gb5310中的牌号 07cr2mow2vnbb 2 4 5f11 f12钢的开发 20世纪60年代末 德国研究开发了12cr钢 f12 x20crmov121 钢和f11 x20crmowv121 钢 该钢至1979年正式纳入din17175标准 主要用于壁温达610 的过热器 壁温达650 的再热器以及壁温为540 560 的联箱和蒸汽管道 但含碳量高 焊接性差 2 1 6典型的新型铁素体耐热钢 91 91钢的开发 1974年美国能源部委托橡树岭国家试验室 ornl 与燃烧工程公司 ce 联合研究用于中子增殖反应堆计划的钢材 开始改进原有的t9 9cr 1mo 钢 以研究开发一种新的9cr 1mo钢 要求这种新钢种综合早期9cr钢和12cr钢的性能 并具有良好的焊接性 到1982年 测试了超过一百种成份的试验样品 最后确定为改良型9cr 1mo钢 即t91 p91钢 经试验该钢种在593 10万h条件下的持久强度达到 韧性也较好 从技术和经济角度分析 这种钢与em12相比 mo含量减少一半 nb v也低 1983年美国asme认可了这种钢 称为t91 p91 即sa213 t91 sa335 p91 1987年法国瓦鲁瑞克公司针对t91与f12和em12的评估技术报告 认为t91 p91有明显优点 强调要从em12转为使用t91 p91 20世纪80年代末 德国也从f12转向t91 p91 t91可用于壁温小于等于600 的过热器 再热器管 p91可用于壁温小于等于600 的联箱和蒸汽管道 2 4 7t92 p92 t122 p122钢的开发 20世纪90年代初 日本在大量推广 91 91的基础上 发现当使用温度超过600 时 t91 t91已不能满足长期安全运行的要求 在调峰任务重的机组 管材的疲劳失效也是个大问题 于是 日本继续在开发新的在机组锅炉用钢方面做了大量的试验研究工作 目前已生产出得到asme标准认可的钢管有sa213 t92 nf616 sa335 p92 nf616 sa213 t122 hcm12a sa335 p122 hcm12a 这些钢种已经在大型锅炉的高温部件上采用 nf616 t92 p92 钢 是在t91 p91钢的基础上再加1 5 2 0 的w 降低了mo含量 增强了固溶强化效果 在600 下的许用应力比 91高34 达到tp347的水平 是可以替代奥氏体钢的候选材料之一 nf616在600 10万h下的持久强度可达130mpa 数据表明 nf616作为超临界锅炉过热器和再热器管件 不仅在600 650 内与奥氏体钢相当或优于奥氏体钢 且在600 时的 是sus321h的1 26倍 是sus347h的1 12倍 仅就蠕变断裂强度出发 用nf616钢管可取代超临界和超超临界锅炉中的奥氏体过热器 再热器管 并可用于壁温小于等于620 时的主蒸汽管道 t92 p92 t122 p122钢的开发 t122 p122 hcm12a 是改进的12cr钢 添加2 w 0 07 nb和1 cu 固溶强化和析出强化的效果都有很大增加 600和650 和许用应力分别比x20crmov121提高113 和168 具有更高的热强度和耐蚀性 比已广泛使用的 12钢的焊接性和高温强度有进一步改善 尤其是由于含 量的减小 使焊接冷裂敏感性有了改善 其主要性能有以下几点 a 蠕变强度 经2万h以上蠕变破断试验 证实该种钢具有稳定的高温强度 在550 650 内 均高于同一温度下的t91钢 在650 以下时 也高于sus347h 其600 时许用应力约为t91 p91的1 3倍 也高于奥氏体钢sus347h b 抗蒸汽氧化性能和抗高温腐蚀性能优于9cr钢 c 物理性能 作为高铬马氏体钢 其热传导性比奥氏体钢较好 热膨胀系数小 氧化垢不易剥离 适用于620 以下的主蒸汽管道 新材料的应用 有效地降低了管壁厚度 减小了材料的用量 并使管系布置条件得到了改善 2 1 8nf12 save12新型铁素体耐热钢的开发 nf12 save12钢是为了提高超超临界锅炉效率而急需开发的能够用于650 的铁素体耐热钢 通过对12cr w co钢的研究 表明高的钨和低的碳含量能够提高蠕变断裂强度 而且 o的存在可以避免 铁素体的形成 试验证明 nf12钢的蠕变断裂强度高于p92 p91和f12钢 相信不久的将来 这种蠕变强度优良的nf12钢一定能用于34 3mpa 650 的超临界锅炉中 新型的9cr 12cr铁素体耐热钢成分的共同特点 1 低的含碳量 以前所有的耐热钢都主要是通过弥散分布的合金炭化物获得高温强度的 因此总是要把炭保持在0 1 以上的较高水平 新型的铁素体耐热钢冲破了这一界限 把炭降低了0 1 以下 说明这一类钢的常温强度和高温强度都不是完全依赖于弥散分布的合金炭华物而获得的 2 低的p s含量 如果仔细阅读这一类的标准 可以发现对这些钢中的杂质元素含量的限定比以前所有的铁素体耐热钢都严格得多 例如美国国家橡树岭实验室推荐的成分中 p s的控制目标值分别都为小于0 010 其商用材料控制的允许范围分别为不大于0 020 和不大于0 010 除p s以外 还对cu sb sn as等元素的允许范围也分别作出了规定 3 具有微量的nb al n b和较低的v含量 这些元素是作为对钢进行微合金化处理的目的而加入的 成分上的共同特点成为它们于传统铁素体耐热钢在冶金上的一个原则性区别 在常温力学性能方面的共同特点是具有较高的 0 2和明显优越的冲击韧度 在具有较高的 0 2的同时 具有明显高于传统铁素体耐热钢的高温蠕变断裂强度 可见这类钢的成分特点是含c低 纯净度高及经过了微合金化处理 在力学性能方面具有明显高的常温和高温强度 并同时具有高的韧度和塑性 这是只有强韧化才能达到的效果 因此可以认为这一系列新开发的铁素体耐热钢是属于强韧型的钢 2 5新型奥氏体钢 在发展铁素钢的同时 奥氏体钢作为另一种主要的耐热钢也有了的较大发展 奥氏体钢按含cr量分为四类 即15cr 18cr 20 25cr和高cr ni合金 这些钢种正在发展过程中 最初添加ti nb 是从抗腐蚀的角度来提高钢的稳定性 其次在保持稳定的前提下 适当降低了ti和nb的含量 以提高蠕变强度 而不是提高抗腐蚀性 然后添加cu 以铜富相的沉积和热处理的改进来提高沉积强化 进一步的趋势是添加0 2 n和一定量的w 以增强固溶体的强度 2 5 1新型细晶奥氏体耐热钢super304h的开发 super304h是tp304h的改时型 添加了3 cu和0 4 nb 从而获得了极高的蠕变断裂强度 在600 650 下的许用应力比tp304h高30 这一高强度是奥氏体基体中同时产生nbcrn nb n c m23c6和细的富钢相沉淀强化的结果 运行2 5年后的性能试验表明 该钢的组织和力学性能稳定 而且价格便宜 是超临界锅炉过热器 再热器的首选材料 2 5 2tp347hfg的开发 tp347hfg钢是通过特定的热加工和热处理工艺得到的细晶奥氏体耐热钢 虽然tp347h钢经高温下正常化固溶处理 其许用应力在18cr 8ni钢中最高 然而高的固溶温度使这种钢产生粗晶粒结构 导致蒸汽侧抗蒸汽氧化能力降低 现已开发出一种既可以采用较低的固溶处理温度 使钢具有较细的晶粒 又具有较高蠕变强度的tp347hfg钢管 它不但有极好的抗蒸汽氧化性能 而且比tp347h粗晶钢的许用应力高20 以上 tp347hfg钢的应用对降低蒸汽侧氧化是一个有前途的对策 已被广泛应用于超超临界机组锅炉过热器 再热器管 2 5 3hr3c tp310nbn 钢的开发 hr3c是日本住友金属命名的钢牌号 在日本jis标准中的材料牌号为sus310jitb 在asme标准中的材料牌号为tp310nbn hr3c钢是tp310耐热钢的改良钢种 通过添加元素铌 nb 和氮 n 使得它的蠕变断裂强度提高到了181mpa 正是由于该钢种的综合性能较tp300系列奥氏体钢中的tp304h tp321h tp347h和tp316h和任何一种都更为优良 所以在tp347h耐钢乃至新型奥氏体耐热钢super304htp347hfg钢不能满足向火侧抗烟气腐蚀和内壁抗蒸汽氧化的工况 应选用hr3c耐热钢 钢材的细晶化和微合金控轧技术 为了进一步细化晶粒 从20世纪60年代开始 研究开发了控制轧制技术 所谓控制轧制技术 是在比常规轧制温度低的条件下 采用强化压下变形和控制冷却等工艺措施来提高热轧钢材的强度和韧度等综合性能的轧制方法 实际工程中 通常采用铁水的预处理 精炼和炉后对钢水的纯净处理 使钢的纯度大幅度提高 然后通过控制轧钢时钢坏的加热温度 控制轧制变形的温度区间 变形速度 加大成形后的冷却速度等措施 迫使形变后的奥氏体在再结晶后晶粒没有长大的机会 或者不让它再结晶 甚至使形成的铁素体发生形变和再结晶来获得晶粒度极细小的铁素体组织 用这种方法获得强度高 韧性好的钢材 在微合金控轧技术的研究开发中还明确 nb等微合金化元素不仅能有效地提高再结晶起始温度 更由于它们是强碳化物 氮化物形成元素 在奥氏体形变过程中 在适当温度下会以极微细的质点析出 一方面起到阻止奥氏体晶粒长大的作用 一方面成为众多铁素体转变核心 利于获得更细的铁素体晶粒 一系列低碳低合金的高强度 高韧度的结构钢已从20世纪70年代开始成功地在工程中应用 国外把这种冶炼和热轧加工制作钢材的技术命名为tmcp thermal mechanicalcontrolprocess 过程 p92钢的焊接特点 新 ppt 强韧型铁素体耐热钢的焊接性 tmpc工艺生产的低合金高强度结构钢焊接的特殊性 tmpc工艺生产的低合金高强度结构钢 由于其钢质的纯净度高 塑性和韧度高 故可以预期这类钢的焊接裂纹倾向会比相同合金系统的非tmpc钢小 事实也证明了这一点 可是焊接的热影响区 由于遭受焊接的加热 不仅破坏了原先的tmcp得到的性能 而且事后又不可能有条件给以恢复 此外 焊缝金属是一种和母材成分相近的一次结晶粗大的铸造组织 它也不可能有经受tmcp过程的条件 用传统的工艺焊接 这两个区域的力学性能可能会远不如母材 使焊接接头的性能严重的不均一 其矛盾主要表现为 haz粗晶区的韧度恶化和焊缝金属的韧度远低于母材 焊接裂纹敏感性 焊接冷裂纹再热裂纹焊接热裂纹 焊缝韧性 强韧化的低合金高强度钢的开始使用时 普遍遇到的问题是接头的韧度严重恶化 p91钢在开始工程使用时也遇到同样的问题 尤其是厚壁构件 这一现象是容易理解的 因为焊缝金属是从温度非常高的熔融状态冷却下来的铸造结构 它没有机会经过tmcp过程 晶粒得不到细化 nb等微合金元素还固溶在基体内 没有机会充分析出 其韧度就会比母材差很多 焊缝金属在800 500 的冷却时间 t8 5 的影响过大的焊接线能量 过高的预热温度和过高的层间温度都会增大t8 5 导致低劣的烛缝韧度 因此 合理选择这些工艺参数 对确保焊缝韧度至关重要 焊后热处理工艺对焊缝韧性的影响 较高的回火温度 较长的回火时间可以得到较高的韧度 从焊接施工的角度出发 希望采用较高的回温度 这样可以缩短回火时间 介回火温度受焊缝金属ac1的限制 为了保证焊缝金属的韧度 往往希望焊缝金属含有较低的nb和较高的ni与mn 而ni和mn是使ac1降低的元素 因此焊缝金