锅炉检验师培训锅炉焊接.ppt
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1、锅炉焊接,上海市特种设备监督检验技术研究院 顾福明 工学博士 教授级高工,国家高级安全评价师,AWS焊接检验师,国际焊接工程师 电话:13524522468 EMAIL:,内容,1、锅炉的主要材料 2、材料焊接 3、电站锅炉受压元件的焊接 (1)锅筒焊接 (2)集箱焊接 (3)受热面管焊接 (4)膜式水冷壁焊接 7,锅炉钢种繁多。 1锅筒(俗称汽包)用钢 国产锅筒用钢板按GB713锅炉碳素钢和低合金钢钢板规定 国外中高压锅筒常用钢板牌号有P335GH(19Mn6)、DIWA353(BHW35)、DIWA373(WB36)、SA-517Gr.70、SA-299等; 锅筒主要选材为20g16Mng
2、19Mng(P355GH)SA-515 Gr.70、SA-299BHW35WB36等。 2集箱及受热面管用钢 我国用于集箱及受热面管的钢管材料20G,20MnG,25MnG,15MoG,20MoG1,2CrMoG,等。,一、锅炉用材料,国产锅炉用钢板,高压锅炉用无缝钢管 GB5310-1995,国内外集箱用钢管钢号对照,二、材料的焊接,2.1 低碳钢的焊接 1低碳钢焊接特点 低碳钢含碳量低,锰、硅含量少,在通常情况下不会因焊接而引起严重组织硬化或出现淬火组织。这种钢的塑性和冲击韧性优良,其焊接接头的塑性、韧性也极其良好。 2. 低碳钢焊材选用 (1) 焊条 应根据焊缝金属强度与母材等强的原则选
3、用焊条,当厚度增大时,在同等强度等级中应选用抗裂性能好的焊条,如低氢型焊条等。 (2) 埋弧焊焊丝和焊剂 低碳钢埋弧焊时,由于母材中合金成分不多,故即可采用焊丝渗合金,也可采用焊剂渗合金。 (3) 气体保护焊焊丝 首先要满足焊缝金属与母材等强,焊缝化学成分与母材的一致性则放在次要。,3低碳钢焊接要点 (1) 焊接时不需要预热及控制层间温度和后热,整个焊接过程中不需采用特殊的工艺措施,焊后也不必进行热处理。 (2) 在严寒的低温条件下焊接低碳钢或焊接大厚度的焊缝时,为避免焊接裂纹,应采取以下措施。 1) 焊前预热,焊接过程中保持层间温度。 2) 采用低氢型或超低氢型焊条。 3) 定位焊时,加大电
4、流,减慢焊速。 4) 整条焊缝尽量一次连续焊完。 (3) 低碳钢埋弧自动焊时,为保证其接头的冲击韧性和冷弯性能,应适当控制热输入量,不宜采用大规范焊接。 (4) 氩弧焊打底焊时,背面不必进行氩气保护。,2.2 低合金高强度钢的焊接 1低合金高强钢焊接特点 低合金高强钢的含碳量一般不超过0.20,合金元素总量一般不超过5。正是由于低合金高强钢含有一定量的合金元素,使其焊接性能与碳钢有一定差别,其焊接特点表现在: (1) 焊接接头的焊接裂纹 1) 冷裂纹 低合金高强钢由于含有强化钢材的C、Mn、V、Nb等元素,在焊接时易淬硬,这些硬化组织很敏感,因此,在刚性较大或拘束应力高的情况下,很容易产生冷裂
5、纹。 2) 再热裂纹 再热裂纹又称消除应力裂纹(SR裂纹),是焊接接头在焊后消除应力热处理过程或长期处于高温运行(一定范围内的再次加热)中发生在靠近熔合线粗晶区的沿晶开裂。 低合金高强钢焊接接头一般不易产生再热裂纹,如16MnR、15MnVR等。 但对于Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金高强钢,如07MnCrMoVR,由于Nb、V 、Mo是促使再热裂纹敏感性较强的元素,因此这一类钢在焊后热处理时应注意避开再热裂纹的敏感温度区,防止再热裂纹的发生。,(2) 焊接接头的脆化和软化 1) 应变时效脆化 焊接接头在焊接前需经受各种冷加工(下料剪切、筒体卷圆等),钢材会产生塑性变形,如果该区再经2
6、00450的热作用就会引起应变时效。应变时效脆化会使钢材塑性降低,脆性转变温度提高,从而导致设备脆断。PWHT可消除焊接结构这类应变时效,使韧性恢复。 2) 焊缝和热影响区脆化 低合金高强钢易淬硬,热输入过小,HAZ会出现马氏体引起裂纹;热输入过大,WM和HAZ的晶粒粗大会造成接头脆化。应将热输入限制在一定范围。 3) 焊接接头的热影响区软化 由于焊接热作用,低碳调质钢的热影响区(HAZ)外侧加热到回火温度以上特别是Ac1附近的区域,会产生强度下降的软化带。但一般其软化区的抗拉强度仍高于母材标准值的下限要求。,2低合金高强钢焊材选用 (1) 选择与母材强度相当的焊缝金属 (2) 由于这类钢都具
7、有不同程度的冷裂纹倾向,所以,在等强度原则的前提下,严格控制焊材中的氢含量是非常重要的,应尽量选用低氢型的焊材。并严格控制焊材的存放和使用。 (3) 考虑焊后加工工艺的影响。对焊后需经热处理、热卷(热弯)的焊件,应保证焊缝金属经热处理后仍具有要求的强度、塑性和韧性等。,3低合金高强钢焊接要点 (1) 选用低氢或超低氢高韧性的焊材,且重视烘干、保存以及坡口的清理,以减少焊缝中的扩散氢。 (2) 一般应注意不要使用过大的热输入。 (3) 对于碳及合金元素含量较高、屈服强度也较高的低合金高强钢,在选用较小热输入的同时,还要增加焊前预热、焊后及时后热等措施。 (4) 焊接低碳调质钢时,要严格控制焊接热
8、输入, (5) 加强对焊接接头的无损检测。对再热裂纹敏感的钢种,应在PWHT前后都要做射线或超声检测。,2.3. 耐热钢的焊接 耐热钢是以Cr-Mo为基的低合金钢,具有较好的高温抗氧化性和热强性,是热动力设备及中、高温的主要材料。常用的钢号有12CrMo、15CrMo、15CrMoR、14CrlMoR、12Cr2Mo、12CrlMoV、20CrMo、2.25CrlMo等。 1耐热钢的焊接特点 (1) 淬硬性 低合金耐热钢中的主要合金元素Cr和Mo等都能显著提高钢的淬硬性。在较高的冷却速度下可能形成全马氏体组织,比如12Cr2Mo1R焊接时,如果焊接热输入较小、钢板厚度较大且不预热,就有可能发生
9、100的马氏体转变。 (2) 冷裂纹 由于Cr-Mo钢极易产生淬硬的显微组织,再加上焊缝区足够高的扩散氢浓度和一定的焊接残余应力共同作用,焊接接头易产生氢致延迟裂纹。这种裂纹在热影响区大多是表面裂纹,在焊缝金属中通常表现为垂直于焊缝的的横向裂纹,也可能发生在多层焊的焊道下或焊根部位。冷裂纹是Cr-Mo钢焊接中存在的主要危险。,(3) 消除应力裂纹 又称为再热裂纹。Cr-Mo钢是再热裂纹敏感性钢种,敏感的温度范围一般在500700之间。大量试验结果表明,钢中Cr、Mo、V、Nb、Ti等强碳化物形成元素对再热裂纹形成有很大影响。 (4) 热裂纹 当焊道的成形系数(熔宽与熔深比)小于1.21.3时,
10、焊道中心易形成热裂纹。这是因为窄而深的梨形焊道,低熔点共晶聚集于焊道中心,在焊接应力作用下,导致焊道中心出现热裂纹。 (5) 回火脆性 Cr-Mo钢及其焊接接头在350500温度区间长期运行过程中发生脆变的现象称为回火脆性。例如某厂一台2.25Cr-1Mo钢制容器在332432运行30000h后,钢的40J脆性转变温度从-37提高到了+60,并最终导致灾难性的脆性断裂事故。,2、耐热钢焊材选用 (1)不但要考虑焊缝金属与母材的常温强度等强,同时也要使其高温强度不低于母材标准值的下限要求。 (2)焊缝金属的铬、钼含量不得低于母材标准值的下限。 (3)为保证焊缝金属有同样小的回火脆性,应严格限制焊
11、材中的氧、硅、磷、锑、锡、砷等微量元素的含量。 (4)为提高焊缝金属的抗裂性,应控制焊材中的含碳量低于母材的碳含量,对于低合金耐热钢的焊缝金属含碳量最好控制在0.080.12范围内,这样才会使焊缝金属具有较高的冲击韧性和与母材相当的高温蠕变强度。,3、耐热钢焊接要点 (1)预热与层间温度 耐热钢焊前必须预热,预热的目的是为了防止冷裂纹的产生,对含铬、钼、钒等元素的耐热钢而言,预热还可以有效地避免和减少再热裂纹的产生。 (2)焊后热处理 对于低合金耐热钢,焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余应力,而且更重要的是改善组织提高接头的综合力学性能,包括提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性,降低焊缝及热影响
12、区硬度,还有就是使氢进一步逸出以避免产生冷裂纹。 (3)后热 Cr-Mo钢冷裂倾向大,焊后必须立即消氢。 (4)对于低合金耐热钢而言,允许的焊接热输入范围较宽,为了防止冷裂纹的产生,希望焊接时热输入不要过小。,2.4. 不锈钢的焊接 所谓不锈钢是指其铬含量必须在12以上。不锈钢奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体一铁素体双相不锈钢,沉淀硬化型不锈钢。 2.4.1 不锈钢的焊接特点 1奥氏体不锈钢焊接特点 (1)焊接热裂纹 奥氏体不锈钢焊缝易形成粗大的柱状晶组织,在凝固结晶过程中,若硫、磷、锡、锑、铌等杂质元素含量较高,就会在晶间形成低熔点共晶,在焊接接头承受较高的拉应力时,就易在焊
13、缝中形成凝固裂纹,在热影响区形成液化裂纹,这都属于焊接热裂纹。防止热裂纹最有效的途径是降低钢及焊材中易产生低熔点共晶的杂质元素和使铬镍奥氏体不锈钢中含有412的铁素体组织。 (2)晶间腐蚀 根据贫铬理论,在晶间上析出碳化铬,造成晶界贫铬是产生晶间腐蚀的主要原因。为此,选择超低碳焊材或含有铌、钛等稳定化元素的焊材是防止晶间腐蚀的主要措施。 (3)应力腐蚀开裂 应力腐蚀开裂通常表现为脆性破坏,造成奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂的主要原因是焊接残余应力。焊接接头的组织变化或应力集中的存在,局部腐蚀介质浓缩也是影响应力腐蚀开裂的原因。,2铁素体不锈钢及其焊接特点 (1)焊接高温作用下,在加热温度达到1000
14、以上的热影响区特别在近缝区的晶粒会急剧长大,焊后即使快速冷却,也无法避免因晶粒粗大化引起的韧性急剧下降及较高的晶间腐蚀倾向。 (2)铁素体钢本身含铬量较高,有害元素碳、氮、氧等也较多,脆性转变温度较高,缺口敏感性较强。因此,焊后脆化现象较为严重。 (3)在400600长时间加热缓冷时,会出现475脆化,使常温韧性严重下降。在550820长时间加热后,则容易从铁素体中析出相,也明显降低其塑、韧性。,3马氏体不锈钢及其焊接特点 Cr13型马氏体不锈钢焊缝和热影响区的淬硬倾向特别大,焊接接头在空冷条件下便可得到硬脆的马氏体,在焊接拘束应力和扩散氢的作用下,很容易出现焊接冷裂纹。当冷却速度较小时,近缝
15、区及焊缝金属会形成粗大铁素体及沿晶析出碳化物,使接头的塑、韧性显著降低。 低碳及超级马氏体不锈钢的焊缝和热影响区冷却后,虽然全部转变为低碳马氏体,但没有明显的淬硬现象,具有良好的焊接性能。,2.4.2 用不锈钢焊材选用 1奥氏体不锈钢焊材选用 保证焊缝金属的耐蚀性能及力学性能与母材基本相当,或高于母材,一般要求其合金成分大致与母材成分匹配。 2铁素体不锈钢焊材选用 铁素体不锈钢焊材基本上有三类:1)成分基本与母材匹配的焊材;2)奥氏体焊材;3)镍基合金焊材,由于其价格较高,故很少选用。 3马氏体不锈钢焊材选用 焊缝成分应尽量接近母材的成分。为了防止冷裂纹,也可采用奥氏体焊材,这时的焊缝强度必然
16、低于母材。,2.4.3、用不锈钢焊接要点 1奥氏体不锈钢焊接要点 总的来说,奥氏体不锈钢具有优良的焊接性。几乎所有的熔化焊接方法均可用于焊接奥氏体不锈钢, (1) 由于奥氏体不锈钢导热系数小而热膨胀系数大,焊接时易于产生较大的焊接变形和应力,因此应尽可能选用焊接能量集中的焊接方法。 (2) 由于奥氏体不锈钢导热系数小,在同样的焊接电流下,可比低合金钢得到较大的熔深,焊接电流较小。 (3) 焊接规范。采用小热输入。焊条电弧焊时,宜采用小直径焊条,快速多道焊 (4)奥氏体不锈钢焊接时一般不需要预热。应控制较低的层间温度,一般不超过150。,2铁素体不锈钢焊接要点 在焊接铁素体不锈钢时,应尽量采用小
17、的热输入,即采用能量集中的方法,并严格控制层间温度。 铁素体不锈钢在热影响区的高温区产生敏化,焊后经700850退火处理,使铬均匀化,可恢复其耐蚀性。 普通高铬铁素体不锈钢可采用焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊等熔焊方法。为了防止裂纹,改善接头塑性和耐蚀性,以焊条电弧焊为例,可以采取下列工艺措施。 (1) 预热100150左右,使材料在富有韧性的状态下焊接。含铬越高,预热温度应越高。 (2) 采用小的热输入、不摆动焊接。多层焊时,应控制层间温度不高于150。 (3) 焊后进行750800退火处理。由于碳化物球化和铬分布均匀,可恢复耐蚀性,并改善接头塑性。,3马氏体不锈钢焊接要点 对于Cr13型马
18、氏体不锈钢 (1) 预热。预热温度随钢材含碳量的增加而提高,一般在100350范围内。 (2) 后热。对于含碳量较高或拘束较大的焊接接头,焊后采取后热措施,以防止焊接氢致裂纹。 (3) 焊后热处理。为改善焊接接头塑、韧性和耐蚀性,焊后热处理温度一般为650750。 对于超级及低碳马氏体不锈钢,一般可不采取预热措施,当拘束较大或焊缝中含氢量较高时,采取预热及后热措施,预热温度一般为100150,焊后热处理温度为590620。,2.5 异种钢的焊接 在大容量高参数电站锅炉中,受热面管的高温部位达到600以上,因此在温度较高的部位选用蠕变强度较高和抗氧化能力较强的奥氏体铬-镍不锈钢,而与之连接的较低
19、温度区则采用珠光体贝氏体马氏体系列耐热钢,在长期高温高压的工况条件下,这类接头容易产生过早失效。 1、异种钢焊接的特点 (1)焊缝稀释 焊接时由于母材金属熔化而使焊缝金属稀释。 (2)过渡层 异种钢焊接时,在毗邻铬-钼钢一侧熔合线附近的焊缝金属中,形成一层与内部焊缝金属成分不同的过渡层。过渡层中,合金元素比铬-钼多,比奥氏体钢少,往往形成马氏体,高硬度的马氏体组织会使脆性增加,塑性显著降低。,(3)碳迁移 异种钢接头在焊接过程焊后热处理及长期高温运行中,存在碳的扩散迁移。在高温条件下,铬-钼合金钢中的碳向奥氏体焊缝金属扩散迁移,结果在铬-钼合金钢中产生脱碳层,形成软化带;奥氏体钢一侧则由于增碳
20、而形成硬化带。在长期高温运行时,脱碳层母材由于碳元素的减少,而成薄弱部分。提高焊缝金属含镍量,提高铬-钼合金钢碳化物形成元素的含量,能显著减弱碳的扩散迁移。 (4)膨胀系数差别大 奥氏体钢膨胀系数比珠光体类钢大3050%,在加热冷却及长期高温运行条件下,都会在熔合区产生较大的热应力。由于异种钢接头长期失效基本上发生在低合金钢一侧熔合面上。 (5)蠕变强度不匹配 异种钢接头奥氏体与铬-钼低合金钢随温度升高而蠕变强度下降的规律是不一样的,珠光体钢蠕变开始温度低于奥氏体钢,随着温度的升高,珠光体钢蠕变强度下降幅度很大,奥氏体钢的蠕变强度下降幅度小。随着温度升高,两者的蠕变强度差值愈来愈大,特别是采用
21、Inconel 82作为填充金属时,其蠕变强度高于奥氏体钢,这样铬-钼低合金钢与焊缝蠕变强度差别更大,致使低合金钢侧产生蠕变开裂。提高异种钢接头低合金钢侧蠕变强度,有助于提高异种钢接头寿命。,2、异种钢焊接工艺: (1)焊接异种钢接头时,要求焊缝金属稀释率低,但靠近焊缝界面的熔合区和焊缝根部的实际稀释率要比其它部位大得多,一般要求根部焊缝的平均稀释率控制在30%以下。为了降低熔合比,减少焊缝金属尤其是焊缝根部的稀释,应采用较大的坡口,推荐采用角度不小于70无钝边的V型坡口或U型坡口。 (2)采用较小的焊接热输入,以利于防止热裂纹和降低稀释率。 (3)不预热焊接会增大铬-钼钢侧热影响区的淬硬倾向
22、,但采用镍基填充金属,焊缝金属溶解氢的能力较大,塑性较好,接头的组织应力较小,同时管子对接的拘束程度也不大,因此异种钢焊接时不预热或采用较低的预热温度是可行的。,(4)选择合适的焊接材料 在焊缝金属被稀释的情况下,保证异种钢接头特别是熔合区仍有满意的高温性能,则熔合区过渡层要窄,焊缝金属要有足够的抗碳迁移能力,同时焊缝金属的膨胀系数要接近铬-钼低合金钢。根据上述原则,推荐采用Inconel 82镍基填充材料。 (5)采用过渡段 采用过渡段的目的是尽可能改善材料的蠕变强度差别。 (6)焊后热处理 生产实践证明,采用镍基焊接材料,拘束应力较小时,在淬硬倾向不严重时,或者进行焊前预热,焊后可以不进行
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