1bs超超临界机组钢材焊接技术介绍4.doc
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1、焊接技 术 广东河源发电厂(2600MW)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 31/28 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
2、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(2600MW)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 32/28 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 2600MW 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
3、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
4、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
5、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(2600MW)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 33/28 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
6、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
7、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% 0.070.130.300.60 0.50.010.020.40 8.59.5 元素元素 MoMoW WV VNbNbAlAlB BN N Wt%Wt% 0.30.61.52.0 0.150.2 5 0.0400.09 0 0.040 0.0010.00 6 0.0300.070 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
8、(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-A335P92P924406202041250 焊接技 术 广东河源发电厂(2600MW)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 34/28 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
9、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150200的预热,层间温度应控制在150250,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 500650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
10、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
11、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 160250HB 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 750770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(2600MW)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 35/28 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
12、 值约为 800835,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 47min/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
13、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/e0.368 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
14、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:35453mm 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 3.2m
15、m) 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(2600MW)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 36/28 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
16、规格为 21940 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 300400mm 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(2600MW)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
17、接 37/28 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 2030L/min,施焊过程中流量应保持在 815L/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) 1GTAW9CrWV2.4
18、正接90110111228352.02.5 1-2/2GTAW9CrWV2. 4正接120125111250552.02.5 1-2/3SMAWCHROMET 922.5反接85902224120140 2.53.0 1-2/4SMAWCHROMET 923.2反接1151202224140150 2.53.0 5层以上SMAWCHROMET 923.2反接1251302224130160 2.53.0 2.4.3.7 氩弧焊打底时,焊接电弧电压为 1112V,焊接电流为 95110A,焊接速度 应控制在 2835mm/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
19、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(2600MW)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 38/28 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
20、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 9.319.8KJ/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
21、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(2600MW)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 39
22、/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
23、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
24、温度150200 20010 15010 SMAW层间温度150250 焊接技 术 广东河源发电厂(2600MW)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 310/28 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 0.51 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 3.2
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