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超超临界机组锅炉用新型耐热钢的焊接

作者:佚名 文章来源:不详 点击数:

更新时间:2008-9-26 14:20:30

摘要: 摘要:

目前火电机组正在向着高参数大容量方向发展,蒸汽温度和压力进一步提

高,为此开发了一些新型马氏体耐热钢和奥氏体耐热钢。这些钢的合金元素含

量较以前的锅炉用钢更高, 焊接性能相比之下有所下降。文章主要介绍了超超临界机组用新钢种的焊接性能、化学成分、焊接接头的 组织、蠕变性能和典型的失效方式等。 关键词: 超超临界机组;锅炉;耐热钢;焊接;火力发电厂 关键词: 超超临界机组是目前火电发展的必然趋势。最高蒸汽温度超过了 600℃,蒸汽压力超过 25MPa,而且还在 不断升高,但这有赖于耐热钢的发展。目前应用于超超临界锅炉的新型马氏体耐热钢有 T/P91、T/P92 (NF616)、E911、T/P122(HCM12A)等,奥氏体耐热钢有 TH347HFG、Super304 和 HR3C 等。其中多 数在国内是首次使用,对它们的焊接性能研究尚少,对其焊接接头性能的研究更是空白。

随着技术进步,大多数高温焊接接头中已不存在影响安全使用的宏观缺陷,而是焊接接头组织的不均
[ 1]

匀性问题和由此引起的蠕变性能的不均匀性问题



1 新型马氏体耐热钢的焊接

超超临界机组锅炉用新型马氏体耐热钢常用于超超临界机组管道和过热器管上。T/P91 钢使用温度小 于 593℃。T/P92 和 E911 是在 T/P91 耐热钢基础上发展起来的新型耐热钢,其中 T/P92 是在 T/P91 的基础 上通过加入 1.5%~2.0%W 代替部分 Mo 元素, 元素含量下降到 0.3%~0.6%而形成的。 Mo E911 是在 T/P91 的基础上加入 0.9%~1.1%W 而形成的。它们的使用温度可升高到 620℃。这些 9%Cr 钢具有良好的力学性 能。T/P122 是新型的 12%Cr 耐热钢。由于 Cr 含量的提高,在加工制造过程中更容易出现 δ 铁素体,通常 加入 1%的 Cu 来抑制这种有害组织的形成。这种钢的抗氧化性较好。马氏体钢的下一步发展是在这些钢的 基础上加入 Co、B 等合金元素来进一步提高抗蠕变性能和抗氧化性能。

1.1 新型马氏体耐热钢焊接性能分析

新型马氏体耐热钢一般通过控轧控冷工艺制造。在焊接过程中,焊缝金属没有这种控轧控冷的机会,
[ 2]

很难通过细晶强化和位错强化来改善焊接接头的性能。对新型马氏体耐热钢的焊接性能需进行分析



(1) 焊接接头的脆化。马氏体耐热钢焊接头的脆化主要是由粗晶组织引起的,焊缝金属晶粒粗大是 由于在焊接过程中,奥氏体化时间较长,晶粒长大速度较快形成粗大的奥氏体组织,在随后的冷却中得到 粗大的马氏体组织,从而降低接头的韧性,故在焊接过程中应使用较低的焊接线能量。

(2) 热影响区的软化。马氏体耐热钢的供货状态为正火+回火,即调质处理。焊接时,在细晶热影 响区和临界热影响区将会产生软化现象。焊接时,细晶热影响区所经受的温度稍高于 AC3,临界热影响区 所经受的温度在 AC1~AC3 之间,处于这一温度区间的金属发生部分奥氏体化,沉淀强化相在这一过程中不 能够完全溶解在奥氏体中,在随后的热过程中未溶解的沉淀相发生粗化,造成这一区域的强度降低。软化 对短时高温拉伸强度影响不大,但会降低持久强度,长期高温运行后,在软化区会产生Ⅳ型裂纹。焊接线 能量、预热温度对软化带影响较大。焊接线能量不宜过大,预热温度不能过高。软化区宽度越窄,其拘束 强化作用越强,软化带的影响越小。

(3) 焊接冷裂纹。冷裂纹是在焊后冷却过程中,在 Ms 点以下的温度范围内形成的一种裂纹,又称 延迟裂纹。产生这种裂纹的三要素为淬硬组织、氢元素和应力。马氏体耐热钢淬硬倾向高。焊接过程中氢 主要来源于母材和焊条,氢的含量越高越易聚集形成裂纹。拉应力也是产生冷裂纹的一个重要因素,在焊 接过程中应尽量减少拘束度,防止产生较大的拘束应力。P92、P122 等新型耐热钢为防止出现氢致裂纹所 需的预热温度与 P91 接近而远低于合金含量更低的 P22 钢,部分原因是这些钢马氏体转变温度降低,在预 热和层间温度下未转变的奥氏体的有益作用。为了防止冷

1.2 新型马氏体耐热钢焊接接头的化学成分

(1) T/P91 钢

[3]

。对于 T/P91 钢,为保证焊接接头有足够的韧性,因而应对焊接接头中的合金元素

含量进行控制。元素 Nb 对冲击韧性的影响较大,其在焊缝金属中一般控制在母材含量中的下限。Ni 能够 有效地改善焊接接头的冲击韧性,对 Ni 含量的适当控制是有益的,这是由于:①它降低了 AC1 点,使得

AC1 与焊后热处理(PWHT)温度接近,改善了回火性能;②它减少了形成 δ 铁素体的可能性。可是当 Ni 含量大于 1%时,AC1 的降低幅度过大,PWHT 温度容易超过 AC1,导致形成未回火的马氏体组织。长期服 役过程中, 过量的 Ni 还会改变沉淀相的变化发展过程, 恶化蠕变性能, Ni 的含量一般控制在 0.4%~1.0%。 故 元素 V、C、N 等对焊缝金属韧性的影响不大。Mn 含量较母材为高,主要目的是为了脱氧,保证形成合适 的焊缝金属。一些专家认为 Mn+Ni 的含量最大不超过 1.5%,以防止 AC1 降低过多。Si 也是一种有效的脱 氧剂,与 Cr 共同作用可提高钢的抗氧化性。尽管有一些规范规定焊缝金属的 Si 含量和 P91 母材要一致, 但降低 Si 的含量有助于韧性的改善,AWS 规定焊材中 Si 的含量不高于 0.30%,而低于母材中 Si 的含量。

(2) T/P92 钢。T/P92 马氏体钢

[4,5]

的韧性水平较 T/P91 低,蠕变强度较高,对于它们的填充金属一

般要求 SMAW、SAW 焊接时要保证室温冲击韧性 CVN>41J。试验证明,使用和 T/P92 相同化学成分的焊 材将会导致焊接接头韧性和蠕变强度的降低,尤其对 SAW,这种情况更为严重。C、N 化合物的形成以及 元素 B 对蠕变断裂强度有着重要影响,它们的加入增加了材料的屈服强度和抗拉强度,但降低了塑性和韧 性。Mn 和 Ni 对强度的影响不大,但是,Mn 和 Ni 的含量超过基体金属的上限时能够显著改善焊接接头的 韧性,同时降低 AC1,Mn 和 Ni 的含量一般小于 1.5%,同时可以用 Co 来代替部分 Ni。为了避免 δ 铁素体 的生成,应适当控制 W 的含量。B 能够提高蠕变强度,但会降低焊接接头的韧性,其成分含量应控制在基 体金属下限左右。V、Nb、Co 对韧性不利,其含量也应控制在下限左右。除了这些元素的影响外,还应考 虑 Ti、Al 氮化物的影响。

(3) E911 和 T/P122 钢。E911 钢 T/P92 钢的成分分析。对于 T/P122 钢

[3]

的化学成分和 T/P92 钢相似,其焊接接头化学成分的分析可参照

[3]

,由于其合金元素含量较高,焊接时容易在焊接接头中产生 δ 铁素

体。这 2 种钢焊接接头成分的分析均可借鉴 T/P91 钢和 T/P92 钢的分析方法。

1.3 新型马氏体耐热钢焊接接头的组织

[ 6]

新型马氏体耐热钢的组织

(包括焊接接头的组织)均为马氏体。焊接接头是一个不均匀体,不同区域

经历的热过程不同,会导致微观组织的不同,例如马氏体板条的位向、大小、原奥氏体晶粒度、碳化物的 类型、 形状、 分布等在 BM、 HAZ、 WM 中有大小的差异, 其力学性能也有差别, 长期运行容易在 FG、 ICHAZ 中形成Ⅳ型损伤等。

图 1 给出了 T/P92 焊接接头焊缝金属的 TEM 像。在焊态下,组织为典型的回火马氏体+M23C6 颗粒在 原奥氏体晶界和亚晶界处的弥散分布,偶尔可以看到处在 M23C6 颗粒的包围之中的岛状 δ 铁素体。PWHT 后,组织发生了相当大的回复,但马氏体结构和 M23C6 颗粒在焊缝晶界的分布清晰可见。

图 1 T/P92 焊接接头焊缝金属的 TEM 像

在 T/P92 焊接接头细晶热影响区(FGHAZ)的 TEM 像见图 2。焊态下发现了薄弱的回火马氏体组织, 马氏体板条不清晰,M23C6 颗粒的分布也不够均匀。PWHT 后可以观察到亚晶以及低密度位错的存在,其 中部分亚晶已发生了多边化。

图 2 T/P92 焊接接头细晶热影响区的 TEM 像

1.4 新型马氏体耐热钢焊接接头的蠕变性能

[3,7]

许多试验业已证明这些新型耐热钢焊接接头的高温失效位置主要出现在焊接接头的热影响区
[ 3]

。热

影响区是焊接接头的薄弱区域。对于焊缝金属

,一些试验结果表明,采用匹配焊接材料可使焊缝金属的

高温(600、650℃)蠕变断裂强度低于母材。对于 T/P91、T/P92、E911 钢采用匹配焊接材料焊接时,可以 得出以下结论:① 焊缝金属的蠕变断裂强度低于母材;② 随着持久断裂时间的增加,焊缝金属的蠕变断裂强度与母材的差距 越来越大。

新型马氏体耐热钢的横向焊接接头高温蠕变试验的失效位置在 HAZ 的外侧,即靠近母材的 HAZ,一 般称之为细晶热影响区和临界热影响区。这一区域在焊接过程中发生部分奥氏体化,大多数 C、N 化合物 沉淀析出,PWHT 时发生再结晶。由于缺少 C、N 等晶内强化元素,从而使这一区域的马氏体组织发生软 化,在这一软化区域易发生Ⅳ型损伤。由焊接接头的硬度测量也可知道这一区域的硬度比母材和焊缝金属 低许多,一般情况下相差 30HV 左右。

虽然低温高应力短时持久试验下,焊接接头的失效发生在焊缝或母材处,但在高温低应力下发生的Ⅳ 型损伤是 CrMo 钢的一个典型特征。从目前的发电厂使用经验看,这种焊接接头的主要失效还是Ⅳ型损伤。 同时,也存在其他 2 种关于焊缝金属对焊接接头性能影响的观点,特别是焊缝金属的优化可以延迟Ⅳ型损 伤的发生。这 2 种观点都认为焊缝金属的蠕变强度将影响蠕变量在焊接接头不同区域的分布。一种观点是

降低焊缝金属的强度,会使其与Ⅳ型区的强度相当;另一种观点是扩大焊接接头熔合区的宽度,会使这一 区域的强度和母材相当,以减少Ⅳ型区的蠕变量,延长使用寿命。

普遍认为焊接接头的失效模式受控于 HAZ,但是目前关于焊缝金属的选择是否能够延迟损伤或延长部 件的使用寿命并没有统一的观点。

1.5 新型马氏体耐热钢焊接接头的韧性

新型马氏体耐热钢焊接时如果焊接参数选用不当,很容易产生粗大的马氏体、没有回火的马氏体,还 有可能形成 δ 铁素体等。这些组织都对焊接接头的韧性不利
[ 3]

。虽然高温时接头的脆性断裂是不可能的,

但考虑水压试验、检修等因素,通常对焊接接头的室温冲击韧性也有要求。影响焊接接头室温冲击韧性的 因素如下:① 焊接方法。焊接方法将对焊接接头的韧性有着重要的影响。韧性与氧含量有关,通常 GTAW(氧含量 100×10-6~200×10-6)<SMAW、SAW(氧含量 400×10-6~800×10-6),TIG 焊的韧性比 SMAW 和 SAW 好。② 化学成分。一般情况下,能够改善蠕变性能的元素均会恶化焊缝金属的韧性,例如元素 Nb、V、N 和 Si 等,其中 N 和 Si 的影响较小。能够抑制 δ 铁素体的形成,保证获得全马氏体组织的合金元素如 Ni、Mn 等 对提高焊缝金属韧性有利。③ 焊后热处理。焊后热处理的目的是降低焊接残余应力和改善组织性能。为了保证焊接接头的韧性,焊后热 处理的回火作用是非常重要的,它可以使焊接接头获得完全回火的马氏体组织。④ 其他因素。焊接过程中发生的晶粒细化对焊接接头的韧性也有利。此外,焊层厚度、焊接时的对口以及焊 接环境等也对接头的韧性有一定的影响。焊层厚度薄,则韧性较高。

对于焊缝金属,不同的标准对其室温(+20℃)冲击韧性有着不同的要求。对于 T/P91 钢焊缝金属, AWS 没有对其室温(+20℃)冲击韧性作出要求,但在非强制性的附录 A5.5-96 中建议这种钢焊接接头 的冲击韧性可由厂商和客户协商确定。在欧洲的 EN 1599:1997 中规定了这种钢焊缝金属的室温(+20℃)冲击韧性最小值不得低于 38J,平均值不得低于 47J。

2 新型奥氏体耐热钢的焊接

目前超超临界机组高温过热器(SH 和高温再热器 RH)的主要设计材料为 TP347HFG、Super304、HR3C 等。这些材料的合金含量如 Cr、Ni 等较铁素体耐热钢有着很大的提高。为了保证焊接接头和母材具有较佳
[ 8~ 9]

的匹配性,焊接材料的选取也必须为奥氏体型焊接材料 列问题:

。奥氏体耐热钢在焊接和使用过程中易出现下

(1) 晶间腐蚀。晶间腐蚀是奥氏体耐热钢一种极其危险的破坏形式。它的特点是沿晶界开始腐蚀时表 面上一般不容易发觉,但它使承压管道焊接接头的力学性能显著下降了,因而易发生早期破坏。根据“碳化物 析出造成晶间贫铬”理论,在 450~850℃范围内, 和 Cr 易在奥氏体晶粒边界处形成碳化铬,使得晶粒边界处 C 局部贫铬。 晶界处的含 Cr 量当降低到小于 12%时, 钢材会丧失耐腐蚀性能。 另外, Fe-Cr 合金在 400~550℃ 环境中长期加热时,会产生一种特殊的脆性,硬度显著提高,冲击韧性严重下降。此情况称为 475℃脆性。 而在实际焊接过程中经过测量发现,焊接接头往往是在温度区间 400~550℃内停留的时间最长,所以对 475℃脆性需要多加关注。

(2) 应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹(SCC)是应力和腐蚀联合作用引起的一种低应力脆性裂纹。奥氏体 不锈钢线膨胀系数大,导热性差,在结构复杂、刚度较大的情况下,焊接变形受到约束,焊后构件特别是 焊接接头会存在较大的焊接残余应力,而奥氏体耐热钢的组织特征和腐蚀介质的存在,满足了产生 SCC 的 充要条件,从而使奥氏体不锈钢产生 SCC 的倾向较大。奥氏体耐热钢的 SCC 有晶间、晶内和晶间/晶内混 合等 3 种形式, 但是以晶间 SCC 最常见。 Super304H 的应力腐蚀敏感性与 TP304H 接近, TP347HFG 和 HR3C 等敏感性稍低。在发电厂锅炉奥氏体钢过热器管的现场焊接中,一般不要求对接头进行焊后热处理,但如 果运行环境中确有导致应力腐蚀的环境条件,则需要考虑焊后处理。

(3) 热裂纹。热裂纹主要有结晶裂纹和液化裂纹 2 种形式。结晶裂纹是在结晶后期,由于低熔点共晶 形成的液态薄膜削弱了晶粒间的联系,在拉应力作用下发生开裂的裂纹;液化裂纹是指近缝区或多层间部 位在热循环的作用下被金属重新熔化,在拉伸力的作用下沿奥氏体晶界开裂的裂纹。现有的研究表明, Super304H 和 TP347HFG 的热裂纹敏感性低于常规的 TP347H,而 HR3C 的热裂纹敏感性较高。

(4) 再热裂纹。由于奥氏体不锈钢热膨胀系数大,导热率低,故在焊接时接头附近的温度场和变形量 极不均匀,导致很大的残余应力。在随后的 PWHT(SR)或者高温服役时,残余应力的释放以及应力集中

会使晶界的塑性变形较大,从而产生裂纹。这种裂纹一般出现在粗晶 HAZ 区,属沿晶裂纹,在粗晶区易于 扩展,扩展一旦遇到细晶组织即停止。

由于大的热膨胀系数和低的热传导率,在与焊缝连接的母材中存在较大的塑性变形。这个应变影响区 (SAZ)与焊接参数(如焊条直径、电流/电压以及电极的摆动幅度等)有关,能够扩展到距熔合线约 25mm 处。

稳定化奥氏体钢,如 TP321 和 TP347 中的再热裂纹是长期存在的问题。焊后冷却过程中碳化物在母材 位错处的沉淀析出,导致晶内强化,晶界区域的蠕变集中,从而形成低塑性晶间裂纹。TP316 由于没有强 碳化物形成元素和相对高的蠕变塑性,一度被认为对于再热裂纹是免疫的。可是,在 SAZ 中存在复杂的多 轴残余应力,与单轴应力相比,其塑性大量下降。在英国能源的 TP316 钢焊接接头中曾出现过再热裂纹。

以上提及的再热裂纹部分地归因于大零件的壁厚,其具有大的拘束。

3 结束语

发电厂高温焊接接头的完整性对于发电厂的安全运行有着重要影响。 由于焊接接头的组织性能不均匀, 导致焊接接头在运行过程中会产生应力的再分配和蠕变应变在软化区域的集中,有可能使这一区域早期失 效。

马氏体耐热钢存在的主要问题有焊接接头的脆化、热影响区的软化、焊接冷裂纹和长时间服役时产生 的Ⅳ型裂纹等。奥氏体耐热钢存在的主要问题有焊接接头中的晶间腐蚀、应力腐蚀、热裂纹和再热裂纹等。

超超临界机组锅炉中的一些新型耐热钢在我国没有使用经验,应加强研究,以保障我国超超临界机组 锅炉的设计、制造、安装质量,确保超超临界机组的安全运行。

4 参考文献


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