焊接工艺调查.ppt

超临界机组高中压进汽插管焊缝失效分析及处理,大唐华中电力试验研究所2015年8月,2020/5/30,2,1、概述2014年4月4日，某厂660MW机组在运行时发现高中压缸下缸#3高压进汽插管焊缝泄漏。汽轮机为哈尔滨汽轮机厂设计制造的CCLN660-25/600/600型超超临界凝汽式汽轮机。机组于2009年6月投产，已运行3.2万多小时。高中压进汽插管材料为1Cr9Mo1VNbN(P91)，高中压外缸材料为ZG15Cr2Mo1(F22)。采用的是镍基焊材填充的手工电弧焊焊接工艺。,2020/5/30,3,2、调查分析,2.1宏观检查泄漏处位于#3高压进汽插管焊缝靠插管侧熔合线处，是一条长约3/4圆周的裂纹，1/4裂纹已贯穿，见图1。,裂纹,图1#3高压进汽插管焊缝裂纹形貌,插管,缸体,2020/5/30,4,图2高压进汽插管结构图,进汽插管,插管焊缝,接高压导汽管,高压外缸,2020/5/30,5,图3插管焊缝结构图,插管侧和缸体侧母材坡口上分别是约8mm和15mm的镍基焊条过渡层，焊缝中间是用镍基焊材填充。焊缝裂纹具体处于插管镍基过渡层的熔合线上，焊接接头结构形式及裂纹位置图3。,缸体,中间焊缝,出现裂纹处,插管,过渡层,2020/5/30,6,对其余7个高中压进汽插管的焊缝进行全面探伤检查，发现其余7个焊缝都存在多条宏观裂纹。裂纹的分布有沿两侧熔合线和焊缝上两种。高压进汽插管焊缝裂纹最长约30mm，中压进汽插管焊缝裂纹最长约80mm，位于中压#4进汽插管焊缝靠近缸体（F22）侧焊缝表面。,2.2表面探伤检验,2020/5/30,7,图4：中压#4进汽插管焊缝裂纹形貌,裂纹,缸体,插管,2020/5/30,8,对高中压进汽插管的焊缝全部进行金相检查，焊缝金相组织均为胞状和柱状树枝晶，晶粒粗大。焊缝均存在有晶间腐蚀倾向并存在微观沿晶裂纹。,图5：#1高压进汽插管焊缝组织形100,2.3微观组织检验,图6：#2高压进汽插管焊缝裂纹形貌100,2020/5/30,9,图7：#4高压进汽插管焊缝裂纹形貌100,图8：#3中压进汽插管焊缝晶间腐蚀形貌100,2020/5/30,10,图10：#4中压进汽插管熔合线及焊缝裂纹形100,图9：#4中压进汽插管焊缝裂纹形貌100,2020/5/30,11,2.4焊接工艺调查,该型号机组为引进日本三菱公司技术，高中压进汽插管焊接采用三菱公司提供的镍基合金堆焊、整体镍基合金材料填充的焊接工艺。焊接工艺要点如下：1.在插管侧坡口用ENiCrFe-1焊条堆焊约15mm的过渡层，堆焊前预热200-250，堆焊后74010高温回火处理。2.在缸体侧坡口用ENiCrFe-1焊条堆焊约8mm的过渡层,堆焊前预热200-250,堆焊后未进行焊后热处理。3.插管组装到缸体后，采用ERNiCr-3焊丝打底和ENiCrFe-1焊条,2020/5/30,12,填充，焊前不再预热，采用冷焊法，要求层间温度不超过150，焊后不再进行热处理。汽轮机厂家提供了过渡层堆焊的焊接工艺评定报告，从报告的内容看，评定的项目是齐全的，焊样经过外观检查、无损探伤、拉伸、弯曲、金相、硬度等检测，也均合格。说明过渡层堆焊焊接工艺是有合格的工艺评定为依据的。未提供焊接接头镍基焊材填充的焊接工艺评定报告。同时未见到插管焊缝的焊接记录、焊后检验等资料。,2020/5/30,13,2.5原因分析,从所了解的焊接工艺来看，缺少镍基焊材填充的焊接工艺评定报告。从现场检查情况看，所有的焊缝都存在微观裂纹，有普遍性；从微观金相组织看，焊缝金属晶粒粗大，存在晶间腐蚀裂纹，说明焊接时规范较大、焊缝在“敏化温度区”停留时间较长。,堆焊层与P91钢的强度差别大，堆焊工艺执行效果不佳及热处理效果不良，会导致P91插管侧镍基堆焊界面成为强度薄弱部位。,2020/5/30,14,综上所述，认为焊接时工艺控制不当，致使焊缝金属晶粒粗大及在敏化温度区停留时间过长而出现焊缝金属的晶间腐蚀倾向，造成高中压进汽插管焊缝出现普遍的沿熔合线的晶间腐蚀裂纹及焊缝晶间腐蚀裂纹。P91钢与镍基合金界面,镍基焊缝金属与两侧母材金属的线膨胀系数差值较大，在机组启-停和变动负荷工况时，两侧母材与镍基合金界面区域形成的热应力相对较大。,2020/5/30,15,区域较大的热应力和结构残余应力，是插管焊缝沿堆焊层熔合线开裂泄漏的主要原因。因此，所有焊缝已不能通过修复的方法来消除缺陷，需要：将焊缝全部清除，重新进行焊接。更换焊接工艺，应尽量少用或不用镍基材料焊接。,2020/5/30,16,3、焊接工艺方案,P91钢属于9Cr-1Mo高强度马氏体耐热钢，主要用于亚临界、超（超）临界机组壁温不超过600的高温集箱和蒸汽管道。该钢具有相当高的冷裂倾向，在不预热条件下焊接裂纹达100%，当预热200250时可避免冷裂纹的产生。在焊接过程中严格控制焊件的层间温度和控制焊接输入热量，焊接接头在焊后状态为高硬度的不稳定组织，必须及时焊后热处理。,3.1焊接性分析,2020/5/30,17,F22属于Cr及Mo固溶强化的贝氏体热强铸钢，具有良好的综合性能，主要用于工作温度566的汽轮机内缸、阀壳、喷嘴室等铸件。其碳当量为0.85-1.09%，同样具有较大的淬硬倾向，若焊后冷却速度稍高，极易产生冷裂纹。同时，还有一定的再热裂纹倾向，可通过焊前预热、控制好层间温度、低的焊接线量等措施来控制。,2020/5/30,18,一、采用同质材料作为填充金属（热焊法）P91钢与F22均属于B类钢，焊接时：1）焊材一般按与F22匹配选择，焊丝可选用TIG-40、焊条E6015-B3（R407）。2）预热温度按P91钢、焊后热处理按与F22要求的上限温度来确定。优点：工艺成熟，焊接质量有保障，接头的化学成份和高温性能与母材相当。缺点：工作量大、工艺复杂、操作难度大。,3.2焊接工艺,2020/5/30,19,二、采用镍基材料作为填充金属（冷焊法）镍基焊材含镍量大于60%，含有多量其它因素，耐高温、耐腐蚀。常用的是Ni-Cr-Fe系和Ni-Cr系列。镍基焊材的最大优点就是焊后不用热处理。高中导进汽插管与缸体装配时，由于缸体体积和厚度较大，结构也比较复杂，焊后在局部加热较高温度的话，若工艺控制不当，很容易在加热部位造成较大应力，引起缸体变形。这就是汽轮机厂选用镍基材料焊接（冷焊法）、避免焊后高温回火处理的原因。,2020/5/30,20,存在的问题：1.焊缝具有较大的焊接热裂纹倾向，需严格控制热输入量，减少接头在高温停留时间。2.焊接接头的晶间腐蚀倾向大。3.镍基材料焊缝线膨胀系数大，在使用时与两侧母材金属的熔合线上产生较大的膨胀应力，容易引起焊缝熔合线处开裂。,2020/5/30,21,4.焊后超声波探伤检验的问题。还没有相应检验标准。目前，电力行业焊接方面的规程还没有这方面的规定。综合以上两种工艺方案，为彻底消除插管焊缝缺陷隐患，决定采用同质材料工艺(工艺方案一）对焊缝进行处理，镍基焊材工艺(工艺方案二）可做为临时处理措施。,2020/5/30,4、处理情况全部焊缝同时采用方案一处理，难度大、工期长，综合考虑，对#3、#4高压进汽插管焊缝进行彻底处理，其它6道焊缝先按工艺方案二进行临时处理，以后再逐步彻底处理。,4.1彻底处理措施,工艺要点：1.将原焊缝的过渡层、填充层和两侧母材热影响区淬硬层全部打磨去除，靠近缸体侧焊缝底层留4mm,靠近插管侧焊缝底层留2mm，并圆滑过渡。（为防止打磨至焊缝根部，局部应力过大,2020/5/30,造成底部焊肉撕裂管道错位，可用钢板对称布置将两端母材临时“搭桥”点焊定位，插管侧点焊需加热处理防止裂纹产生。3.应按照P91钢的焊接操作工艺要点进行施焊。4.焊后热处理控制在74010，在保证焊缝及热影响区热处理温度的同时，保证缸体母材温度不超过710，要在缸体侧布置一个热电偶实时监控缸体温度。新焊口经过表面探伤、超声波探伤、金相组织和硬度检查。,2020/5/30,工艺要点：1.打磨裂纹，对打磨深度超过5mm的采用冷焊法补焊，未超过5mm的可圆滑过渡，不用补焊。2.层间温度小于1503.小电流、短弧焊、断续、分散、对称焊。补焊部位经过表面探伤检查。,4.2临时处理措施,2020/5/30,25,5.1焊缝形式目前已检查10台同类型机组，发现高中压进汽插管焊缝共有三种形式：1）P91插管与F22缸体对接，采用镍基焊材。2）P91插管与F22缸体对接，采用同质焊材。3）F22插管与F22缸体对接，采用镍基焊材。,5、同类型机组检查情况,第3种插管形式如下图。,图11：第3种插管形式图,2020/5/30,26,过渡段,进汽插管,外缸,不同之处：在P91插管上设计加装了一段P22材质的过渡段，与缸体对接时成为P22同种钢焊接，仍采用镍基合金堆焊、整体镍基合金材料填充的焊接工艺。适用于额定蒸汽温度566的超临界机组。同时，焊接方法改为自动焊，易于控制焊接规范。,27,2020/5/30,5.2检查情况：1）第1种类型的共4台机组，检查时发现焊缝表面普遍存在无规律分布小裂纹，金相检验发现焊缝组织晶粒粗大，并存在微观裂