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1000MW级超超临界火电机组锅炉用新型耐热钢的焊接 标签：SA-210C25MnG20MoG时间：2012-03-02 14:00:36点击：114回帖：0上一篇：一串红下一篇：电子式调节阀1000MW级超超临界火电机组锅炉用新型耐热钢的焊接杨 富(中国电力企业联合会) 摘 要：本文分析了1000MW级（P=2528MPa，T=600/600，一次再热）超超临界火电机组锅炉可选用的新型耐热钢（T23、T24、T92P92、T122P122、Super304H、TP347HFG、HR3C）的焊接性，结合我国电力安装行业焊接T91P91钢的经验，提出了可供选用的新型耐热钢存在的焊接技术问题及解决思路。关键词：超超临界锅炉 新型耐热钢 焊接1 新型铁素体耐热钢的焊接性分析、焊接技术难点及解决思路1.1 水冷壁用钢T23（HCM2S）和T24钢水冷壁用钢一般应具有一定的室温和高温强度，良好的抗疲劳、抗烟气腐蚀、耐磨损性能，并要有好的工艺性能，尤其是焊接性能。通常SC、USC锅炉都采用膜式水冷壁。由于膜式水冷壁组件尺寸及结构的特点，使其焊后不可能在炉内进行热处理，故所选用的钢材的焊接性至关重要，要在焊前不预热、焊后不热处理的条件下，满足焊后焊缝和热影响区硬度不大于350HV10的有关规定，以保证使用的安全性。由此可见，水冷壁用钢的开发也是发展SC、USC锅炉的技术关键之一。随着SC、USC锅炉蒸汽压力、温度的升高，水冷壁温度也会提高，例如在31MPa/620的蒸汽参数下，出口端的汽水温度达475，投运初期中墙温度为497，结垢后可升至513，热负荷最高区域的管子壁温可达520，瞬间最高温可达540。这就需要合金含量更高，热强性更好的钢材。T23（HCM2S）是在T22（2.25Cr-1Mo）钢的基础上吸收了102钢的优点改进的，600时的强度比T22高93，与102钢相当，但由于C含量降低，加工性能和焊接性能优于102钢。T24（7CrMoVTiB10-10）钢是在T22钢的基础上改进的，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。在一定的焊接工艺条件下，二者都可以在焊前不预热，焊后不热处理的条件下，焊缝和热影响区的硬度均低于350HV10。T23、T24钢是蒸汽温度620超超临界锅炉水冷壁上部管子的最佳选择材料。 T23、T24钢的焊接技术难点是：在焊前不预热、焊后不热处理的条件下，焊缝和热影响区的硬度不大于350HV10。 解决问题的思路：从国外购进T23或T24钢管及其焊接材料；进行焊接性能试验、焊工培训、焊接工艺评定，确定最佳的焊接方法和焊接工艺及焊工实际操作方法。1.2 联箱和管道用钢P92、P122钢由于联箱（末级过热器、再热器出口联箱）与管道（主蒸汽管道、导汽和再热蒸汽热段管道）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。对钢材的要求：应具有足够高的持久强度、蠕变强度、抗疲劳和抗蒸汽氧化性能，还要具有良好的加工工艺和焊接性能。由于铁素体耐热钢的热膨胀系数小、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，所以铁素体耐热钢是联箱、管道的首选钢材。随着SC、USC锅炉蒸汽温度和压力参数的提高，要求所用钢材的热强性越高，可以提高联箱和管道运行的安全性，还可以减少因管壁过厚引起热应力的增加和给加工工艺带来的困难。对于汽轮机入口温度参数为600/600的超超临界机组，锅炉过热器、再热器出口温度可达605/603，所以应选用新型铁素体耐热钢P92或P122。但应指出，末级过热器联箱与主蒸汽管道应选用同种钢，避免在过热器出口位置出现异种钢焊缝。P91、P92、P122的许用应力与温度的关系曲线如图1所示：图1 许用应力与温度的关系曲线 由图1可见，P92（NF616）、P122（HCM12A）在600时的许用应力均高于T91P91。 新型铁素体耐热钢P92、P122钢的焊接性分析： 新型铁素体耐热钢主要指P91、P92、P122钢。这类钢的焊接性的主要问题是：焊接冷裂纹、焊缝韧性低、热影响区软化及型裂纹。根据有关资料介绍，这类钢没有热裂纹和再热裂纹问题。1.2.1 焊接冷裂纹由于这类钢的C、S、P等元素含量低，且具有晶粒细、韧性高的特点，所以它们的焊接冷裂纹倾向大为降低。但是，这类钢还是有一定的冷裂纹倾向，焊接时必须采取一些必要的预防措施。图2（a）、（b）、（c）分别给出了：T23（HCM2S）、P91（Mod、9Cr-1Mo）、P22（2.25Cr-1Mo）、P122（HCM12A）和P92（NF616）钢焊接接头斜Y型坡口试验裂纹率与预热温度间的关系。由图2（a）、（b）、（c）给出的这几种钢的斜Y型拘束裂纹试验结果看，它们的冷裂纹敏感性均低于P22钢。对冷裂纹敏感性是按：T23P92P122P91P22的顺序增高；而合金含量是按P22T23P91P92P122的顺序增加的。显然这与采用传统碳当量评估冷裂纹倾向的结果完全不一致。所以，无论是国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量公式还是其它的哪一种碳当量公式对这类钢都不适用。图2（a） T23、P91钢和P22钢焊接接头斜Y型坡口试验裂纹率与预热温度间的关系图2（b）P122（HCM12A）钢与P91钢焊接接头斜Y型坡口试验裂纹率与预热温度间的关系图2（c） P92（NF616）钢焊接接头斜Y型坡口试验裂纹率与预热温度间的关系防止P92、P122钢焊接接头产生冷裂纹的措施：（1）严格控制预热温度和层间温度参照图1.2的试验结果，P92、P122钢焊接的预热温度和层间温度宜控制在200300范围内，钨极氩弧焊打底时可适当降低至100200。（2）严格控制焊缝的含氢量，防止氢致延迟裂纹的产生要选择低氢型碱性专用焊条（丝），严格按照焊条（丝）说明书上的规定烘焙，施焊时，应放入80120的便携式保温筒内随用随取。如焊后不能及时进行热处理时，要进行后热消氢处理。（3）减少焊接缺陷，降低焊接接头应力状态焊接缺陷会引起应力集中，致使应力成倍增长，引起冷裂纹产生，故应尽量减少焊接缺陷。拉伸拘束应力的存在是产生冷裂纹的充分条件。拉应力大，冷裂倾向大，因此，要避免强行对口。1.2.2 焊缝韧性低采用现今的电弧焊接工艺焊接P92这类钢，焊缝是由温度非常高的熔融状态冷却下来的铸造组织，不可能由此获得以极细颗粒弥散析出的Nb、V碳氮化合物和高度细化了的晶粒，即不具备细晶强韧化的韧化条件。相反，由于熔池的高温以及快速的凝固冷却，熔敷金属中的Nb、V等微合金化元素可能仍大部分固溶在金属中，不仅不能有助于细化晶粒、韧化焊缝，反而通过固溶强化降低了焊缝韧性。特别是W的存在更加剧了焊缝韧性的降低。可以认为这是焊缝韧性低的根本原因，也就是说目前的电弧焊技术还不可能使这种钢的焊缝韧性达到和母材相当的水平。我国在采用P91钢管作为主蒸汽管焊接过程中也遇到了焊缝韧性劣化的问题，并引起了电力行业广大焊接工作者的关注，通过8年多的大量试验研究和实践，这个问题才得到初步解决。影响P92这类钢焊缝韧性的因素分析及改善的途径：（1） 焊接方法的影响根据目前电力行业的焊接技术水平，P92这类钢的主汽管道将采用的是TiG打底SMAW填充盖面。如果焊接材料选择正确，焊接工艺和热处理工艺合理，P92这类钢焊缝韧性低的问题会得到解决。（2） 焊缝化学成分的影响早期的研究工作发现，当焊缝金属成分与母材成分完全一致时，其冲击韧性较低。这是因为P92这类钢中Cr、Mo、V、Nb等铁素体形成元素较多，若焊缝与母材的化学成分相同，那么在焊缝冷却凝固过程中，在焊缝中很容易形成-Fe。P92这类钢焊缝热处理后应为单一的回火马氏体组织。回火马氏体组织可通过控制铬当量得到，铬当量公式是美国CE公司指出的：Creq=Cr+6Si+4Mo+1.5W +11V+5Nb+9Ti+12Al-40C-30N-4Ni-2Mn-1Cu（%）当Creq10时，不会出现-Fe；Creq12时，出现-Fe；Creq值越高，-Fe的含量越高。当10 Creq1h10020020030010012076010150/h4h150/h300TiG图3 焊接热处理热循环曲线图 PWHTSMAW 图4 焊接接头裂纹的分类为了防止产生型裂纹，焊接时在保证熔化良好、不生产焊接冷裂纹的基础上，应尽量不采用过高的预热及层间温度，不采用过大的焊接线能量，采取多层多道焊，焊层厚度为23mm，确保上层焊道对下层焊道的回火作用，尽力使热影响区软化带变得窄一些，软化带宽度越窄，其拘束强化作用越强，软化带的影响就越小。另外，该问题还可以通过接头设计和制造过程中的一些措施得到缓解，如减小横向应力、控制焊接缺陷、降低应力集中等。 P92、P122这类钢焊接的难点是：焊接冷裂纹、焊缝韧性低、热影响区热影响区软化及型裂纹 解决问题的思路：从国外购进P92、P122钢管及其焊接材料；进行焊接性能试验、焊工培训、焊接工艺评定，确定最佳的焊接工艺、热处理工艺及焊工实际操作方法。2 新型奥氏体耐热钢的焊接性分析、焊接技术难点及解决思路过热器、再热器用钢Super304H、TP347HFG和HR3C。Super304H是TP304H的改进型，添加了3Cu和0.4Nb获得了极高的蠕变断裂强度，在600-650时许用应力比TP304H高30%，被列为18Cr-8Ni型奥氏体不锈钢之首，这一高强度是奥氏体基体中同时产生NbCrN、Nb（N、C）、M23C6和细的富铜相沉淀强化的结果。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，是超超临界锅炉过热器、再热器的首选材料。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钢在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TP347H钢管晶粒再细化工艺。此工艺即使在较高的固溶处理时也能获得细晶粒，晶粒的细化是通过在固溶处理工艺中碳化铌的沉淀来完成的。通过这个工艺处理的管子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。HR3C（25Cr-20Ni-Nb-N）钢是日本住友金属命名的钢牌号，在日本JIS标准的材料牌号为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）使得它的蠕变强度提高到了181MPa，正是由于该钢种的综合性能较之TP300系列奥氏体钢中的TP304H、TP321H、TP347H和TP316H的任何一种都更为优良，所以，在TP347H耐热钢乃至新型奥氏体耐热钢Super304H和TP347HFG钢不能满足向火侧抗烟气腐蚀和内壁抗蒸汽氧化的工况下，应选用HR3C钢。过热器、再热器在高参数锅炉中所处的环境条件最恶劣，其所用钢材在满足持久强度、蠕变强度要求的同时，还要满足管子外壁抗烟气腐蚀、飞灰冲蚀性能、管子内壁抗蒸汽氧化性能，并具有良好的冷加工工艺性能和焊接性能。过热器、再热器管的金属壁温比蒸汽温度高出达2539（我国规定为50）。在605603的蒸汽参数下，末级过热器、再热器和炉膛屏式过热器的外圈管选用Super304H或TP347HFG为宜，在腐蚀性大的高温区则应采用抗腐蚀性和抗氧化性能更好的HR3C。但在管排的低温区域可以选用新型铁素体耐热钢，如T23、T91、T92、T122等。 Super304H或TP347HFG钢的焊接技术难点是：（1） 焊接接头有应力腐蚀裂纹倾向；（2） 焊缝接头有热裂纹倾向；（3） 焊接接头的时效和相脆化；（4） 大量的异种钢焊接问题；（5） 联箱管接头角焊缝的焊接质量控制；（6） 角焊缝的检验方法。以上焊接难点均要在锅炉制造过程中解决，此处不再赘述。特别强调，不应将异种钢焊接问题带到安装现场。但电厂在将来的检修中还会遇到这些问题。3 关于超超临界火电机组锅炉焊接质量标准的探讨五十年来，电力安装行业对电站焊接质量的评定是以传统的无损检验一次合格率作为唯一标准的。然而，对于新型铁素体耐热钢而言，由于它们的焊接裂纹倾向小，焊缝和热影响区性能对工艺的敏感性大，焊接质量标准除包含无损检验一次合格率外，还应包含“使用性能合格”，而使用性能是否合格是由工艺评定的结果得出来的。因此，首先要有一个正确的焊接工艺评定结果，其次要确保施工时的焊接工艺与焊接工艺评定时的工艺完全一致。这就是电站焊接质量的“使用性能合格”标准。我们应对此有充分的认识，否则就会出现无损检验结果中射线透照X光片为一级，而由于焊接工艺不对，出现焊缝化学成分或金相组织不合格，而在运行中提前失效破坏。如某热电厂的主蒸汽管道焊缝，在安装后无损检测是合格的，但由于焊缝金属化学成分不合格，结果仅运行了两个月，就因焊缝出现裂纹而泄漏，不得不将主蒸汽管道全部焊缝割掉重新焊接。 作者简介:杨富（1940 ），男，清华大学焊接专业毕业，教授级高级工程师，国际焊接工程师，电力行业锅监委顾问，国家电监会电力安全专家委员会材料专家，中国焊接学会第六届理事会常务理事，中国电机工程学会第七届理事会理事。长期从事火力发电厂锅炉监督、焊接施工、科研和技术管理工作。发表论文数十篇。The welding of Modern Heat Resisting Steels Used For Boiler of 1000MW Class Ultra-Supercritical Fossil-fired UnitsYang Fu(China E