超超临界机组钢材焊接技术介绍4.doc

焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 1 28 目目 录录 1 前前言言 2 2 SA335 P92 钢钢的的焊焊接接 2 2 1概述 2 2 2P92钢化学成份及性能特点 3 2 3P92钢焊接的重点及难点 3 2 4P92钢的焊接工艺 5 2 5P92钢现场的安装焊接 16 3 新新型型奥奥氏氏体体钢钢的的焊焊接接 19 3 1概述 19 3 2新型CR NI 纯奥氏体钢焊接控制的难点 21 3 3四种新型奥氏体钢焊接裂纹敏感性的比较 23 3 4影响CR NI 奥氏体钢应力腐蚀的因素 23 3 5焊接新型奥氏体钢的工艺原则 24 3 6焊接工艺评定 24 3 7新型奥氏体不锈钢现场的安装焊接 25 4 结结束束语语 26 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 2 28 超超临界机组新型耐热钢的焊接技术超超临界机组新型耐热钢的焊接技术 1前言前言 广东河源发电厂 2 600MW 工程将安装建设我省第一台超超临界机组 该工程锅炉 选用上海锅炉厂生产的超超临界锅炉 设计参数较超临界机组又有较大的提升 为满足机组在高参数下长期安全可靠运行的需要 超超临界锅炉受热面部件及主 蒸汽管道等选用了众多的新钢材如 SA335 P92 T P122 SUPER304H TP347HFG HR3C 等等 该类钢材均是近两年来我 国引进的新型耐热钢 目前其焊接技术尚未为大多数电建施工单位所熟悉和掌握 上述钢种可以分为两类 一类为马氏体耐热钢 后三种为奥氏体不锈钢 其 中 SA335 P92 是适合我国国情而大量设计选用的钢种 其高温强度 抗氧化性均优 于 P91 钢 通常用于 620 超超临界机组的主蒸汽管道 再热热段管道 而 T92 SUPER304H TP347HFG HR3C 则主要用于锅炉的再热器及过热器等受热 面 新钢材的大量使用 必然给现场的安装带来众多新的问题 其中最关键的是增加 了安装焊接施工及质量管理的难度 基于上述情况 作为超超临界机组的焊接技术 主要应解决P92和25Cr 20Ni HR3C 等新型耐热钢的焊接工艺问题 2SA335 P92 钢的焊接钢的焊接 2 1 概述概述 众所周知 SA335 P91材料由于其良好的高温持久性能和抗氧化性能 目前已普 遍应用于我国300MW 600MW等火力发电机组高温管道和部件中 相关的焊接工艺也已 成熟 但P91钢的极限长期使用温度仅585 已不能满足更高参数机组发展的需要 为此 世界有关钢材研究机构顺着P91钢研发的思路 在P91钢合金成份的基础上 增 加了约1 7 的W 将Mo含量从1 降到约0 5 并严格控制冶炼扎制等工艺 从而研发了 强度等级更高的高合金耐热钢 即SA335 T P92钢 SA335 T P92钢的高温热稳定性和 热强性较P91钢提高了约30 极限长期使用温度达到了625 如图1为部分耐热钢材 料许用应力的对比 P122钢含Cr量较高 但材料的焊接性较差 长时高温运行的组织 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 3 28 稳定性稍差 P92钢高温持久强度高 焊接性与P91接近 因此 在同等参数条件下 选用P92材料可大大减少管材厚度和重量 不仅能较好的解决构件的承载问题 也可有 效降低安装及焊接施工工艺操作的难度 图1 耐热钢材料许用应力与温度的关系 2 2 P92钢化学成份及性能特点钢化学成份及性能特点 SA335 P92钢母材的基本成份为0 1 C 9 Cr 0 5 Mo 1 7 W 同时加入了V Nb N 和B等微合金化元素 对其化学成份的严格控制和均匀化使其淬火后可获得几乎不含残 余 铁素体的全马氏体组织 经淬火 回火处理后 P92钢的显微组织为Mo和W固溶强化 的回火马氏体 其基体含有回火析出的M23C6类金属碳化物 Fe Cr或Mo的碳化物 以 及以MX形式存在的V和Nb的碳 氮化物 从而使P92合金的高温蠕变强度在P91合金的基 础上得到进一步的提高 SA335 P92钢各类合金元素的含量见表1 常温力学性能见表2 表1 SA335 P92钢化学成份范围 元素元素 C CMnMnSiSiS SP PNiNiCrCr Wt Wt 0 07 0 130 30 0 60 0 5 0 01 0 02 0 40 8 5 9 5 元素元素 MoMoW WV VNbNbAlAlB BN N Wt Wt 0 3 0 61 5 2 0 0 15 0 2 5 0 040 0 09 0 0 040 0 001 0 00 6 0 030 0 070 表2 SA335 P92钢常温力学性能 标准标准材质材质屈服强度屈服强度 MPa MPa 抗拉强度抗拉强度 MPa MPa 纵向延伸率纵向延伸率 冲击韧性冲击韧性Akv J Akv J 硬度硬度HBHB A213 A335A213 A335P92P92 440 620 2041 250 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 4 28 2 3 P92钢焊接的重点及难点钢焊接的重点及难点 2 3 1 预热及层间温度的控制 P92钢合金含量在10 以上 属高合金钢 虽然该钢的合金成份中C S P含量较低 但仍存在一定的冷裂纹倾向 因此P92钢焊接时必须采取预热措施 但从接头质量来看 预热温度过高 则会在接头中引起晶界碳化物沉淀和形成铁素体 对韧性很不利 而 一旦碳化物沉淀 铁素体组织形成后 必须进行调质处理才能得到有效解决 实践证明 SA335 P92钢在焊接前进行150 200 的预热 层间温度应控制在150 250 即可有 效防止焊接冷裂纹的产生 2 3 2 焊接接头冲击韧性的保证 P92 钢与 P91 钢相比由于 W 的加入提高了高温蠕变性能 但组织稳定性不如 P91 钢 P92 钢在 500 650 范围内有较明显的时效倾向 在时效过程 中 Cr W Mo 等合金元素与 Fe Mn Si 形成金属间化合物 Laves 相 导致冲击 韧性恶化 而且 W 是 铁素体形成元素 也会影响到焊缝的冲击韧性值 因此 焊接 施工时应严格控制焊接及热处理工艺 确保焊缝有足够的冲击韧性裕量 使机组移交 后能长期安全可靠运行 由于焊缝熔敷金属没有控轧和形变热处理 晶粒不可能由此获得细化 再者 熔 敷金属中的 Nb V 在凝固冷却过程中难以呈微细的 C N 化合物析出 焊缝的韧性会 远不如母材 因此 焊接时必须采取多层多道 选用小规范参数等焊接操作工艺措 施 并充分利用层道间的热循环作用来改善组织和细化晶粒 提高焊缝的韧性 供货状态优良的母材性能受到焊接的高温循环 母材热影响区性能必会明显劣 化 而且劣化程度将随焊接热输入的增大而加剧 因此在焊接过程中应特别注意热输 入的控制 遵照上述焊接工艺 可以得到欧洲标准规定的冲击韧性大于 41J 的焊接接头 为 了判断冲击韧性是否满足要求 国内焊接界推荐 P91 P92 硬度范围为 160 250HB 来 界定 2 3 3 焊后热处理工艺的控制 由于 P92 钢的抗回火性高 回火温度在 750 770 时可得到析出物和碳化物如 M23C6 及 MX 型钒 铌碳氮化物的回火马氏体组织 这些析出物通过沉淀强化而改善 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 5 28 了材料蠕变断裂强度 需要较高的焊后热处理温度 但其焊接熔敷金属的相变转变温 度 Ac1 值约为 800 835 如超过 Ac1 值将再次奥氏体化而得到部分未回火的马氏 体组织 造成接头的性能及冲击韧性极差 因此 对 P92 钢焊后热处理温度的控制要 求有较高的精度 通常回火热处理恒温时间的计算约为 4 7min mm 且不少于 4 小 时 此外 焊口焊接完成后应缓冷至 100 以下待焊缝金属组织全部转变为马氏体 后 立即进行焊后热处理 由于焊后热处理的温度控制范围较窄 且要保证整个管段 内外壁 上下区温差在规定范围之内 因此热处理加热器的布置以及热电偶监控点的 设置等非常重要 可以说热处理工艺措施恰当与否是 P92 焊口焊接成败的关键所在 2 3 4 热处理加热方式的选择 由于传统的中频感应加热方法由于存在明显的集肤效应 因此 近年来在电建施 工中应用越来越少 所谓集肤效应是指当交流的感应电流流过导体时 导体表面的电 流密度大于深层电流密度的一种现象 工程上规定从导体表面到电流密度为导体表面 的 1 e 0 368 的距离 为集肤深度 频率越高 集肤效应更严重 造成焊后热处理 时 内外壁温差可达到几十度 不能保证内壁焊接应力降低及得到良好的综合机械性 能 此外 依据 火力发电厂焊接热处理技术规程 DL T819 2002 第 5 1 2 条的规 定 中频感应加热宜用于对厚度小于或等于 30mm 的焊件进行加热 基于上述理由 由于我公司本次 P92 钢的工艺评定选用的管件壁厚为 53mm 因 此选用现行电力规范推荐的远红外加热的方式对焊件进行预热及焊后热处理 目前 国内已有个别电建单位倡导采用新型的中频感应加热系统 ProHeatTM35 预热和去 应力系统来完成 P92 钢的预热和焊后热处理 我们对此也一直在关注中 在规程允许 及该项技术成熟后 必要时我公司也将进行相应的技术研究和探讨 2 4 P92钢的焊接工艺钢的焊接工艺 2 4 1 我公司P92焊接工艺评定基本情况如下 母材材质 SA335 P92 规格 354 53mm 焊接位置 6G 焊接方法 钨极氩弧焊 焊条电弧焊 焊丝 9CrWV 2 4mm 焊条 CHROMET 92 2 5 3 2mm 坡口型式 双 V 型坡口 坡口尺寸如图 2 所示 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 6 28 2 4 2 对口装配及点固焊 试件对口错边量 1 0mm 对口间隙见图2所示 点固焊采用坡口内定位块进行 坡口内定位块选用P91材质 定位块固定情况如图3所示 图3 定位块的点焊 2 4 3 焊接工艺及注意事项 2 4 3 1 在正式开始焊接操作前 为了熟悉和掌握 P92 钢焊接材料的工艺性能 验证 拟定的焊接工艺的可行性 我们进行焊接模拟试验 模拟试验采用 P92 钢焊 接材料 母材选用规格为 219 40 的 P91 钢管口 工艺条件参照拟订的正式 焊接工艺评定进行 并针对模拟试验的结果对正式的工艺评定方案进行了必要 的调整 模拟试验为我们最终一次性顺利完成工艺评定奠定了坚实的基础 2 4 3 2 氩弧焊打底焊接的前二层和焊条电弧焊时的第一 二层焊道背面进行充氩保 护 2 4 3 3 充氩保护范围以坡口中心为准 每侧各 300 400mm 处 用已加工好的圆形 钢板封住管件两侧 打底焊接及充气情况如图 4 所示 图2 P92工艺评定坡口示意图 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 7 28 图4 打底焊接充气情况 2 4 3 4 充氩保护流量开始时可为 20 30L min 施焊过程中流量应保持在 8 15L min 2 4 3 5 由甲乙两名焊工对称施焊 氩弧焊打底过程如图 5 所示 2 4 3 6 P92 焊接的工艺参数如表 5 所示 表表3 3 SA335 P92焊接工艺参数焊接工艺参数 焊条 丝 焊条 丝 电流范围电流范围 焊层焊焊层焊 道道 焊接焊接 方法方法 型型 牌牌 号号 规格规格 mm 极性极性电流电流 A 电压范围电压范围 V 焊接速度范围焊接速度范围 mm min 焊层厚度焊层厚度 mm 1GTAW9CrWV 2 4正接90 11011 1228 352 0 2 5 1 2 2GTAW9CrWV 2 4正接120 12511 1250 552 0 2 5 1 2 3SMAWCHROMET 92 2 5反接85 9022 24120 140 2 5 3 0 1 2 4SMAWCHROMET 92 3 2反接115 12022 24140 150 2 5 3 0 5层以上SMAWCHROMET 92 3 2反接125 13022 24130 160 2 5 3 0 2 4 3 7 氩弧焊打底时 焊接电弧电压为 11 12V 焊接电流为 95 110A 焊接速度 应控制在 28 35mm min 打底焊层厚度不小于 3mm 2 4 3 8 自第三层起采取焊条电弧焊方法 以下简称 SMAW 进行填充及盖面焊接 2 4 3 9 SMAW 焊接时注意每层焊接接头应错开布置 具体如图 6 所示 乙焊工施焊 甲焊工先施焊 起弧点 乙焊工在此处观察甲焊工打 底根部情况 甲焊工施焊 乙焊工施焊 甲焊工观察乙焊 工施焊情况 乙焊工在此处观察甲 焊工打底根部情况 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 8 28 图5 氩弧焊打底顺序 图6 焊条电弧焊时两名焊工对称施焊 2 4 3 10施焊过程中为多层多道焊 焊接时每层焊道的厚度不大于所用焊条直径 焊条 摆动的宽度最宽不超过所用焊条直径的 3 倍 焊层焊道布置如图 7 所示 2 4 3 11焊缝整体焊接完毕 应将焊缝表面焊渣 飞溅清理干净 自检合格后 按工艺 规定及时进行焊后热处理 2 4 3 12为得到细小的焊缝组织 在焊接过程中应严格控制线能量 我们根据模拟试验 所选定的焊接参数进行焊接 最终共分 21 层填充 89 道 每道的焊接线能量 控制在 9 3 19 8KJ cm 保证了焊接接头的质量 按工艺要求圆满完成了焊 件的焊接工作 图7 多层多道焊示意图 2 4 4 热处理工艺 接头处 乙2 甲1 接头处 乙2 甲1 甲2 乙1 接头处 甲2 乙1 接头处 更换焊条时 焊条收弧时将焊条引 至熔池边缘 以免在熔池中心收 弧温度过高形成弧坑裂纹 分道焊时 分两道完成单层焊接时 第一 道焊缝盖住上一层焊缝的2 3处 29 26 23 20 17 第三层2 5mm焊条SMAW填充 第四 起3 2mm焊条SMAW填充盖面 分道焊时 分三道完成单层焊接 时 第一道焊缝焊至焊缝中心处 6 5 4 第一层GTAW打底 第二层GTAW填充 3 1 2 31 18 15 1211 9 7 14 13 10 8 19 16 30 27 24 21 28 25 22 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 9 28 2 4 4 1 热处理加热方式的选择 为了确保热处理时内壁焊缝同样达到规定的 热处理温度和恒温时间 必须将内外壁温差控制 在规定范围内 本工艺评定我们规定应将内外壁 温差控制 10 范围以内 为此我们特进行了 热处理专项模拟试验 通过采取分区加热及控制 升温速度等措施 总结了远红外加热时焊口内外 壁温差大小与加热速度变化的一般性规律 为正 式工艺评定以及今后工程施工热处理工艺参数的 图 8 预热时加热器布置情况 选择提供了有力的依据 图 8 所示为预热包炉的情况图片 2 4 4 2 加热设备 选用 ZWK II 60 型智能温控仪进行加热 管口上下 左右均用履带 式远红外加热器进行分区控制和加热 2 4 4 3 预热及层间温度控制 预热及层间温度工艺曲线如图 9 所示 图9 P92钢焊接时预热及层间温度控制曲线图 预热时加热器 保温层及热电偶的布置如图 10 所示 热电偶共设置 6 个 规格为 0 8mm 位置如图 10 所示 为便于将焊件上下温差控制在工艺允 许范围内 我们采用上下分区控制加热的方法 保温宽度不小于8倍母材厚度且至 少比加热带宽100mm 热电偶6 热电偶2 热电偶1 加热带 不小于5倍母材厚度且至少 比加热带宽100mm 保温棉 保温层厚道 40mm 热电偶4 热电偶3 热电偶5 加热宽度 5倍母 材厚度 60mm 时间 h 温度 GTAW层间温度150 200 200 10 150 10 SMAW层间温度150 250 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 10 28 图10 焊接时热电偶布置图 预热加热及层间温度实际记录曲线如图 13 所示 2 4 4 4 焊后热处理 当焊缝整体焊接完毕 试件要冷却到 100 以下停留 0 5 1 小时 待焊缝金 属金相组织全部转变成马氏体后 再及时加热进行焊后热处理 加热器布置及宽度 测温点布置等见图 11 所示 热电偶 1 2 3 4 5 6 9 10 规格为 0 8mm 热电偶 7 8 规格为 3 2mm 热电偶 1 2 3 4 5 6 为测温点 7 8 为控温点 9 10 为参考点 保温棉 保温宽度不小于8倍母材厚度且至 少比加热带宽100mm 热电偶9 热电偶2 热电偶6 8 加热带 热电偶4 保温层厚道 40mm 热电偶10 热电偶3 热电偶5 7 加热宽度 5倍母 材厚度 60mm 热电偶1 加热宽度不少于5倍母材 厚度且 100mm 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 11 28 图11 焊后热处理热电偶布置图 焊后热处理采用 4 块远红外履带式加热器进行分区控温 以利于控制焊件的 热处理温差 焊后热处理工艺曲线如图 12 所示 图12 焊后热处理工艺控制曲线 实际焊后热处理温度记录曲线如图 14 所示 图13 实际的预热及层间温度记录曲线 降温速 度 150 冷至300 以下 可不控温 升温速 度 150 h 温度 765 5 7h 时间 h 200 80 100 150 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 12 28 图14 实际的热处理温度记录曲线 1 图14 实际的热处理温度记录曲线 2 2 4 5 焊后检验 2 4 5 1 试样外观及无损检验 外观检查 表面无缺陷 外观检查符合 DL T868 标准要求 超声波探伤 未发现应记录缺陷 RT 检验 底片显示 2 5 1 圆形缺陷 1 个 质量等级为 I 级片 2 4 5 2 各项力学性能试验 根据 DL T868 工艺评定规程要求 需对试件进行拉伸 弯曲 冲击等力学性 能检验 以及金相分析等 各式样的取样部位见图 15 图15 式样取样位置示意图 1 拉伸试样 2 3 侧弯试样 4 冲击试样 5 金相试样 为保证试验数据的真实性和权威性 我们特委托国内权威机构 西安热工 研究院作为第三方检验单位负责进行各项理化试验 6 3 9 4 1 2 12 1 5 3 4 2 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 13 28 与其它已进行 P92 工艺评定的电建单位不同的是 为了更好的分析我公司拟 定的 P92 钢工艺方案的正确可行性 我们特额外增加 铁素体含量测定及 W W 夹杂分析试验 并出具了相关试验分析报告 拉伸试验依据 GB 2651 89 进行 试验结果如表 4 所示 表4 P92焊接工艺评定拉伸试验数据 断后断裂处出现的缺 陷 试样编号 截取 位置 负荷值 KN 抗拉强 度 Rm b M Pa 种类数量 断裂 位置 85 157 3545 6G 1A 外弧面 6点处375 505650无0断母材 85 157 3545 6G 1A 根层 6点处380 937635无0断母材 85 157 3545 6G 1A 平均值 642 5 85 157 3545 6G 1B 外弧面 12点处373 599685无0断母材 85 157 3545 6G 1B 根层 12点处429 178720无0断母材 85 157 3545 6G 1B 平均值 702 5 根据 GB 2653 89 进行侧弯试验 试验结果如表 5 所示 表5 P92焊接工艺评定侧弯试验数据 拉伸面出现的裂纹或缺陷 试样编号截取位置 侧弯试验结果 D 4T 180 种类数量 85 157 3545 6G 7A12点至3点中间无裂纹无0 85 157 3545 6G 7B3点至6点中间无裂纹无0 85 157 3545 6G 7C6点至9点中间无裂纹无0 85 157 3545 6G 7D9点至12点中间无裂纹无0 根据 GB 2650 89 进行冲击试验 冲击韧性值最低为 76J 最高达 130J 具 有较好的韧性裕量 完全符合有关规定要求 试验结果如表 6 所示 表6 P92焊接工艺评定冲击韧性试验数据 试样编号截取位置 缺口方 位 Akv J 断口上发现 的缺陷种类 85 157 3545 6G 4A 1 外弧面 4点焊缝86无 85 157 3545 6G 4A 2 根层 4点焊缝104无 85 157 3545 6G 4B 1 外弧面 4点焊缝100无 85 157 3545 6G 4B 2 根层 4点焊缝84无 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 14 28 85 157 3545 6G 4C 1 外弧面 4点焊缝76无 85 157 3545 6G 4C 2 根层 4点焊缝88无 85 157 3545 6G 4D 1 外弧面 4点热影响区112无 85 157 3545 6G 4D 2 根层 4点热影响区124无 85 157 3545 6G 4E 1 外弧面 4点热影响区130无 85 157 3545 6G 4E 2 根层 4点热影响区114无 85 157 3545 6G 4F 1 外弧面 4点热影响区124无 85 157 3545 6G 4F 2 根层 4点热影响区124无 根据 GB 2654 89 进行布氏硬度 HBS 试验 硬度取样部位见图 16 试验 结果见表 7 及图 17 焊缝 母材 热影响区熔合线 1 222120 19 1817 16 15 14131211 10 9 8 7 654 3 2 26 2524 23 1 9 9 7 7 5 5 33 22 1 8 8 6 64 4 图16 布氏硬度检验部位示意图 表7 布氏硬度试验测定值一览表 测点编号测点硬度测点编号测点硬度测点编号测点硬度测点编号测点硬度 119781971519722213 219792021620223198 3215101931720224195 4224112171819725195 5215122241919526241 62151322420202 71981421121219 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 15 28 180 190 200 0 210 220 230 母 材 区 热 影 响 区 焊 缝 区 热 影 响 区 母 材 区 240 硬度值 区域 图17 接头硬度分布示意图 工艺评定试件的力学性能试验结果均合格 试验达到预期效果 2 4 5 3 金相试验 根据 DL T868 2004 DL T884 2004 标准进行宏观金相检验 宏观金相照片 见图 18 检验结果见表 8 图18 宏观金相照片 表8 宏观检验结果情况一览表 检查项目裂纹未熔合气孔未焊透夹渣咬边根部突出内凹 结果无无有无无无无无 数量 个别 见图18 位置 焊缝 若有 图号 图18 黑点 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 16 28 微观金相 见图 19 20 21 均为回火马氏体组织 400 微观金相符 合要求 图19 焊缝区 图20 熔合线 图21 热影响区 2 4 6 结论 2 4 6 1 我公司针对 SA335 P92 钢的成份 特点及焊接中需注意的事项 通过模拟试 验制定焊接工艺操作方案 热处理操作方案 并严格按要求进行焊接工艺评定 试件的所有试验结果均符合要求 工艺评定获得了圆满成功 2 4 6 2 目前我公司已出具了正式的工艺评定报告 并正在组织进行相关技术总结和编 写 SA335 P92 钢焊接工艺规范书 为 P92 钢在施工现场的焊接作准备 2 5 P92钢现场的安装焊接钢现场的安装焊接 作为高温高压部件的合金钢焊口 对其焊接质量的追求不能再仅停留在满足焊后 无损检验合格的层次上 事实上 对于 P91 P92 等新型耐热钢焊口的焊接 最关键 问题应是通过严格的焊接工艺过程的控制 最终能得到综合性能好 能满足机组安全 可靠运行的焊接接头 为此 现场安装施工时必须严格按工艺要求控制好焊接及热处 理过程中影响焊缝性能的每一个环节 确保焊接接头的综合性能满足设计要求 2 5 1 焊接材料管理 焊接材料正确合理的使用是焊接质量保证中重要的一环 工程开工前我们将编制 焊接材料管理制度 以明确焊接材料验收 贮存 烘干 标识 发放 使用及回收 处理等职责要求 确保各个环节严格把关 控制焊材质量 杜绝错用焊材现象 施工 现场设有焊接材料仓库和焊条房 配备各种型号的恒温箱 烘箱共 4 台 并配有抽湿 机 排气扇等以确保通风 干爽并使用温湿计控制库房相对湿度保持在 60 以下 温 度在 5 以上 焊工凭经签发批准的焊接工作单领取焊条 焊丝 在现场焊条只能存 放于焊条保温筒内 并通电恒温在 100 120 为加强现场的文明施工 我们在焊接施工中实行焊条头回收制度 每位焊工均配 有专用焊条头回收盒并要求做到 工完 料尽 场地清 每天回收的焊条头应达到 当天焊接焊条量的 98 以上 并登记留底 以此作为奖罚依据 同时 从提高效率 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 17 28 节约成本出发 要求每根焊条头的预留长度不能超过 6cm 借助这些措施 杜绝施工 现场焊条头乱丢的现象 达到文明施工的目的 2 5 2 焊工的培训和考试 我公司现有各类别焊工 450 余名 其中 持电力 I 类证的焊工近 300 名 持有 P91 有效焊工证的焊工有 60 余名 该 60 名焊工完全掌握了 P91 等高合金耐热钢的焊 接技术要领 实际工作经验丰富 因此 在超超临界机组新型耐热钢 P92 的施工焊接 中 我们将在该 60 名具备 P91 资质的焊工中 择优进行 P92 工艺的培训 并考取相 应的焊工合格证 由于 P92 的焊接工艺与 P91 存在很多相同点 操作的要求也差别不大 按我们的 经验 具备 P91 焊接经验的优秀焊工 在进行强化培训后 完全可以在短时间内掌握 P92 钢的焊接操作技能 针对每台 600MW 超超临界机组 我们计划培养 P92 焊工 20 名 以满足现场施 工的需要 2 5 3 焊接质量管理 本工程包括 P92 焊口焊接在内 我们将严格实行焊接质量三级检查验收制度 由 焊工进行焊后外观自检并在焊口自检表上签认 然后由焊接质检员进行专检并填写焊 口外观质量检查评定表 最后由焊接质检工程师进行抽查并在移交资料上签字合格 这样层层把关 确保焊口质量 同时 为做好对焊接前 焊接过程及焊接结束后三个阶段的质量控制 由质检工 程师在分项工程开工前编制该项目的现场焊接质量计划 在质量计划中确定了各工序 间的见证点 检查点和停工待检点 工序移交时由相关人员进行验收签证 这样各级 岗位人员各尽其职 各负其责 有效控制现场焊接质量 针对 P92 管口的焊接 我们将实行旁站监督制度 即在每台机组第一个 P92 焊口 焊接时 公司质量部将派专人前往工地参与 P92 焊接的技术交底及各项焊接准备工作 的监督检查 以及参与第一个 P92 焊口焊接过程中的旁站监督 每个 P92 焊口焊接 时 工地焊接质检员将全过程进行旁站监督 通过开展旁站活动 确保 P92 焊口焊接 的万无一失 焊口的无损探伤 由焊接工程师根据每天焊口的完成情况 填写 焊口 NDE 委托 单 及焊口定位表交质检工程师检查确认抽样后转送 NDE 工程师 NDE 人员依据检 验规范要求的抽查比例对每个焊工按批进行无损探伤 由 NDE 工程师填写 NDE 日报表 及不合格焊口的 焊口返修单 返回焊接 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 18 28 部门 以便对返修焊口进行及时处理 直到焊口合格为止 同时按标准规定进行加倍 检验 焊口返修次数按焊接篇进行 如果有 P92 焊口需要返修 我们将组织召开质量 分析会 研究缺陷产生的原因和返修方案等 确保返修一次成功 为激发焊工提高焊接质量的意识 本工程将实行 焊接质量奖罚制度 制度规 定 焊工个人质量奖取决于焊接的受监焊口一次探伤合格率和焊口数量 根据材质 规格 探伤比例的不同计发质量奖 对于不合格焊口 除该焊口不受奖外 还另外加 扣罚一定的焊口当量 质量奖罚制度的实行 真正做到奖罚分明 可提高焊工的劳动 积极性和对焊接质量的重视程度 保证本工程的施工焊接质量 在 P92 钢焊接过程中 我们组建 P92 焊接 QC 小组 开展 QC 活动 分析 P92 施工中遇到的困难和质量问题 总结积累经验技术数据 研究改进方案 为确保 P92 钢焊口的质量服务 2 5 4 焊接过程的控制 焊接过程的控制主要是对在部件开工 焊接 检查 验收到工序完成的过程中 通过设置和检查过程的见证点 检查点和停工待检点等方式 从而对材料 工艺参 数 规范要求进行控制 使焊口的质量达到验收标准的要求 其过程如图 22 所示的流 程图 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 19 28 项目工程师签发焊接工作单 开工前施工技术准备 焊接作业指导书的编制 审批 焊口图纸绘制 审批 部件开工前的技术 安全交底及签证 电焊班长发放工作单及自检表 焊工凭工作单领取焊接材料 对口 焊接工程师抽查并进行焊口编号 焊接 焊缝外观检查及签证 进行焊后热处理 需要时 返回剩余焊材 回收焊条头并签证 焊接工程师回收工作单并填写外观检查记录 焊接工程师填写NDE委托单 NDE结果 安装工程师下达部 件开工工作联系单 合格 焊接工程师整理资料并准备工序移交 不合格 焊接返修单 焊接质检员 外观质量专 检 焊接质 检工程师抽 查 图22 焊接施工管理流程图 2 5 5 P92钢现场焊接的工艺要点 2 5 5 1 焊接操作中应注意 三小一多 薄而快 的要领 即 采用小规格焊条 小电流 小摆动 多层多道焊工艺 关键因素是通过控制线能量而降低热输入量 避免 层间温度过高 焊层过厚 导致形成焊缝晶粒粗大 影响焊接接头力学性能 2 5 5 2 为保证根部质量 焊口背面应采取充氩气保护的措施 充气方法与 P91 焊口 相同 2 5 5 3 打低焊时 采用氩弧焊打底并填充一层 即用氩弧焊焊两层 防止出现根部裂 纹 手工焊条填充焊接是 最好选用 3 2 的焊条进行焊接 2 5 5 4 应严格控制预热温度及层间温度 在防止裂纹的产生的同时 确保得到晶粒细 小的焊后组织 除合理布置热电偶位置进行监测外 焊接过程中用手提式测温 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 20 28 仪再次进行温度监控 确保层间温度不超过 250 2 5 5 5 焊后热处理采用分区控温 合理布置热电偶监测温度 严格控制焊后热处理温 度以满足工艺要求 焊后热处理采用分区控温法严格控制整个试件的温度 使 温差在 10 以内 保证焊接接头最终成为细小的回火马氏体组织 2 5 5 6 因超超临界机组主蒸汽管道壁厚接近 100mm 施焊及热处理时间长 为了避 免因施工的临时停电引起的焊接及热处理过程的突然中断而引发质量问题 在 施工现场应配备必要的备用电源以作应急之用 确保 P92 焊口的焊接及热处 理的一次性成功 以保证焊缝质量 2 5 5 7 试验证明 采用远红外的加热方式来进行 P92 焊口的预热及焊后热处理加热 只要控制好升温速度 对管口分区进行控制加热 则管口的内外壁及上下区域 的温差完全可以控制在工艺要求范围内 热处理效果非常理想 2 5 5 8 现场 P92 焊口的焊接 只要严格按工艺评定的要求进行全过程的质量控制 则每一焊口的焊接将仅是同一工艺的重复 可以确保焊缝的质量及综合性能达 到设计要求 3新型奥氏体钢的焊接新型奥氏体钢的焊接 3 1 概述概述 目前 在我国超超临界机组锅炉高温过热器 末级再热器等受热面管道中使用的 新型纯奥氏体钢主要有 TP347HFG 18Cr11NiO 9Nb SUPER304H 18Cr9Ni3CuNb HR3C 25Cr20NiNbN 还有推崇在蒸汽650 压力达350MPa 时使用的 NF709 20Cr25NiMoTiN 钢 HR3C经真空冶炼 锻制 冷扎和1200 下30分钟的固溶处理后 比常规的不锈钢 材料具有更高的高温强度和耐蚀性能 对HR3C材料进行650 700 下1000小时的蒸 汽氧化试验和合成煤灰环境下的热腐蚀试验 结果表明HR3C钢的耐蒸汽腐蚀和热腐蚀 性均优于一般的18 8不锈钢 SUPER304H简称超级304 在受热面形成后必须作整屏固溶化热处理 SUPER304H高 温下的许用应力较高 但在抗高温蒸汽氧化及抗烟气高温腐蚀上比HR3C稍差 因此在 超超临界锅炉中 一般在选材上采用抗氧化性更强的HR3C与SUPER304H相组合的方式 将SUPER304H作喷丸处理后用于锅炉相对温度较低处 易氧化的高温区则采用HR3C 如 图23所示 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 21 28 图23 超超临界锅炉过 再 热器管材质的选用 该四类新型纯奥氏体钢的化学成份见表9 传统的TP347H和TP304H钢的化学成分见 表10 表9 四类新型奥氏体钢的化学成份 表10 传统的的TP347H和TP304H钢的化学成分 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 22 28 图24 常规和高级不锈钢管许用应力对比 从表9与表10中可以看出 TP347HFG 的成分和传统的TP347H 没有原则区别 新 型奥氏体钢主要有以下几个共同的特点 1 新型奥氏体钢与传统奥氏体钢比较 不仅都含有稳定化元素Nb 而且还含有更多 的强化元素 因此高温许用应力大幅度提高 如图24所示 但这些强化元素将在 强化钢的同时会使钢材时效后的塑性韧性大幅降低 2 为了避免高温下运行时不会出现 相而发生脆化 其Cr Ni 元素成份含量确保了 它们都是较为稳定的纯奥氏体组织 3 碳 硫和磷等杂质被限制得很低 而且随着Cr Ni 含量的提高 这些元素被控制 得更低 3 2 新型新型Cr Ni 纯奥氏体钢焊接控制的难点纯奥氏体钢焊接控制的难点 3 2 1 焊接裂纹 3 2 1 1 焊接 Cr Ni 纯奥氏体钢容易出现焊接高温结晶裂纹 高温液化裂纹和高温脆 性裂纹 熔融的熔敷金属在凝固结晶过程中 当残留在凝固晶粒间的液体薄膜 被收缩应力拉开而又不能用足够的液体金属填充满时 就会形成结晶裂纹 这 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 23 28 种裂纹常出现在焊缝中 尤其容易发生在焊缝收尾部分和弧坑处 3 2 1 2 在焊接热影响区的过热区 焊接的高温加热 使该区域母材局部熔化 在冷却 时的凝固过程中 局部熔融的母材金属的晶界也可能出现上述晶间的液体薄膜 被拉开而无法填补的现象 导致在热影响区的过热区形成裂纹 这种裂纹称为 高温液化裂纹 高温液化裂纹发生在热影响区的母材过热区中 在多层多道焊 情况下 也可能发生在焊缝中的焊层间和焊道间的热影响区中 3 2 1 3 在焊接热影响区的过热区 材料虽然没有发生局部熔融 但在高温下其塑性降 到了很低水平时 也可能在应力作用下 由于塑性不足而产生裂纹 从而形成 高温脆性裂纹 3 2 1 4 上述裂纹的产生都与材料中的 Ni C Si Nb S P Sn Sb 等元素的含量 有关 该类元素会明显提高裂纹形成的敏感性 其中除 Ni Nb 是必须按量加 入的外 其它元素的含量必须给予严格的限制 据此 可以理解为什么表 9 中 所列的钢随着 Cr Ni 含量的提高 对 C S P 含量的限制就越加严格 控制 的含量水平也越低 这个原则也必然成为选择和设计焊接这类钢熔敷金属成分 的准则 3 2 2 接头抗腐蚀性能的降低 3 2 2 1 18 8 型 Cr Ni 奥氏体钢焊接以后若经过敏化 接头的热影响区 HAZ 可能发 生晶间腐蚀 含有稳定化元素的 Cr Ni 奥氏体钢焊接以后经过敏化虽然不会出 现 HAZ 的晶间腐蚀 但可能会呈现刀状腐蚀 3 2 2 2 Cr Ni 奥氏体钢最容易发生应力腐蚀的温度范围是 50 300 因此对于焊 接表 9 所列各新钢种时 必须重视的是防止其发生应力腐蚀 尤其应重视防止 接头在锅炉升温运行时间内发生应力腐蚀 3 2 3 接头的脆化 3 2 3 1 Cr Ni 纯奥氏体钢在固溶状态下具有优良的塑性 但是表 9 所列的钢中 除了 TP347HFG 以外 都含有众多提高其高温蠕变强度的沉淀强化元素 3 2 3 2 材料在高温运行过程中 这些沉淀强化元素逐渐以碳化物 氮化物或金属间化 合物形式弥散析出 它们在强化材料的同时 明显降低材料的塑性和韧性 3 2 3 3 用这些钢材制成的锅炉部件 其运行温度恰好是这些钢 相析出的温度区 钢材在开发设计时就考虑到要避免析出 相而脆化的倾向 3 2 3 4 焊缝金属也会有这种时效脆化的倾向 因此除了上述由于时效造成的脆化以外 还需要防止 相脆化 焊接时如果焊接材料选择得正确 也就可以避免 相 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 24 28 脆化的危险 3 3 四种新型奥氏体钢焊接裂纹敏感性的比较四种新型奥氏体钢焊接裂纹敏感性的比较 采用刚性固定法和可调拘束试验法测试比较表9所列钢的高温裂纹的敏感性 试样 采用不填丝的氩弧焊打底 焊条电弧焊填充和盖面的焊接工艺 通过对试验结果分析 可以得出以下结论 1 TP347HFG 钢氩弧焊打底焊缝中的裂纹率明显地低于TP347H 钢 填充和盖面焊 时热影响区的裂纹都很低 从试验结果可以看出 焊接TP347HFG 钢并不比传统 为我们所熟悉的TP347H 钢更困难 2 在相同的条件下 Super304H 钢的裂纹敏感性成倍地低于TP347H 钢 而HR3C 钢的裂纹敏感性略高于TP347H 钢 3 四种钢的裂纹敏感性从小到大的次序是 TP347HFG Super304H HR3C NF709 其中TP347HFG 和Super304H 的 裂纹敏感性明显低于TP347H 钢 HR3C 和NF709 的裂纹敏感性略高于传统的 TP347 H 4 TP347HFG和Super304H 焊缝的裂纹敏感性远比热影响区高 3 4 影响影响Cr Ni 奥氏体钢应力腐蚀的因素奥氏体钢应力腐蚀的因素 Cr Ni 奥氏体钢构件在热水或高温水 氯化物溶液 碱溶液和连多硫酸 H2SXO6 等介质中会发生应力腐蚀破坏 火电站中的应力腐蚀大多是在热水或高温 水和氯化物介质中发生的 3 4 1 介质的特性 3 4 1 1 在热水和高温水 或水蒸汽 介质中 氯离子和氧离子的浓度对应力腐蚀有重 要影响 随着氯离子含量的增加 应力腐蚀破裂速度加快 但是溶解氧对应力 腐蚀破裂起了决定性的作用 一般情况下 在仅有微量氯离子而没有氧存在的 情况下 Cr Ni 不锈钢不会产生应力腐蚀 可见溶解氧和氯离子的同时存在是 产生应力腐蚀的必要条件 3 4 1 2 PH 值也影响应力腐蚀破裂的进程 PH 值增加可能会减缓 Cr Ni 不锈钢的应力 腐蚀破裂速度 一些试验说明当 PH 值 6 7 时 Cr Ni 不锈钢对应力腐蚀破裂 最敏感 此外温度升高也会提高应力腐蚀破裂的速度 3 4 2 应力作用 一般认为应力腐蚀破裂的时间ts 和应力 间的关系可用方程表示为 logts a b 显然应力增加应力腐蚀破裂速度加快 但是当应力减小到一定水平时 就不会发 生应力腐蚀 这个临界应力的数值随着介质 温度和钢材的不同而不同 但无论如何 焊接技 术 广东河源发电厂 2 600MW 超超临界机组安装工程 技术方案技术方案 超超临界机组新耐热钢的焊接超超临界机组新耐热钢的焊接 3 25 28 确保低的应力水平对减缓和防止应力腐蚀是极为重要的 3 4 3 冷作变形 冷加工变形对应力腐蚀破裂的影响是很明显的 一般情况下 在冷变形量很小时 随着变量的增加 Cr Ni 奥氏体钢对应力腐蚀破裂的敏感性将剧增 3 4 4 钢材的成份 当介质是高温水时 通常Cr Ni Si 会降低Cr Ni 奥氏体钢对应力腐蚀破裂的敏 感性 而N P则是有害的 3 5 焊接新型奥氏体钢的工艺原则焊接新型奥氏体钢的工艺原则 3 5 1 采用低热输入的焊接方法 根据前面的讨论 焊接这类钢首先要克服的是焊接 裂纹 在获得完整的焊接接头情况下 还要避免接头发生应力腐蚀破裂和焊缝 相脆化的危险 因此为了防止焊缝发生高温裂纹 只能采用降低焊接热输入 降低层间温度的工艺方法和工艺措施 也就是说 应尽量采用焊接热输入低的 TIG 焊工艺以及确保层间温度低的短焊道和间断焊方法 3 5 2 焊接材料 熔敷金属的选择只能考虑选择采用和母材成分相同且杂质含量低的 材料 或采用镍基焊材如Inconel 82 等焊材 3 5 3 防止污染 为了防止发生应力腐蚀破裂 需要确认施工过程以及随后的储存 运输 运行过程中是否存在有氯离子 如果无法避免氯离子对焊接热影响区的 污染 就需要进行焊后固