超临界火电机组TP347H与T91异种钢小径管焊接工艺

点赞:22110 浏览:96379 近期更新时间:2024-01-08 作者:网友分享原创网站原创

摘 要:随着超(超)临界火电机组设备中金属部件使用钢材种类的逐渐增多,不可避免会遇到异种钢焊接的问题.本文通过对马氏体耐热钢(T91)和奥氏体钢(TP347H)的性能分析,详细阐述了T91+TP347H焊接存在的难点,特别是早期换失效的问题,探讨了T91与TP347H异种钢接头的焊接方法、焊接材料及焊接工艺要点.经某电厂超临界机组检修过程中实际应用表明,该工艺切实可行,并在实践中取得了良好效果.


关 键 词:T91;TP347H;异种钢;早期失效;焊接工艺;

在现代火力发电厂的建设过程中,新型高合金钢越来越多的应用到锅炉中,特别是在过热器系统中,炉内部分常采用TP347H这类不锈钢作受热面小管,而在热室中与之相连的是直径很大的蒸汽联箱,常采用T91材料,这就不可避免地产生了这两种异种钢材的焊接问题,如何分析和制订这两种材料焊接工艺,以保证现场异种钢对接的焊接质量就成了一个重点需解决的问题.

某电厂二期工程2×600MW超临界火力发电机组锅炉设备由东方锅炉厂制造,高温过热器进、出口联箱材质均为SA213—T91,在炉内高温过热器的小管材质为TP347H,在电厂检修处理过程中,通过对两种材质性能的分析,制订了合适的工艺,取得了较好的效果.

1焊接母材化学成分及合金化原理分析

T91钢是在9CrlMo钢的基础上采用纯净化、细晶化冶金技术,以及微合金化、控轧、控冷等技术开发出的新一代中合金耐热钢.在593℃/l0万h条件下的持久强度达到100MPa,韧性也比较好.

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T91钢和部分9%—12%CR钢及常用的低合金钢和奥氏体不锈钢的化学成分如表1;

T91钢中各合金元素分别起到固溶强化、弥散强化和提高钢的抗氧化性、抗腐蚀性能.具体如下:

(1)碳是钢中固溶强化作用最明显的元素,对于T91这类马氏体钢,含碳量的上升会加快碳化物球化和聚集速度,加速合金化元素的再分配,降低钢的焊接性、耐腐蚀性和抗氧化性,故耐热钢一般都希望降低含碳量.

(2)T91钢中含微量氮,氮的作用体现在两方面,一方面起固溶强化的作用,另一方面,T91钢中还含有少量AL,氮能与其形成ALN.ALN在1100度以上才大量溶入基体,在较低温度下又重新析出,能起到较好的弥散强化作用.

(3)铬主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力,含铬量小于5%时,600℃开始剧烈氧化,而含铬量达5%时,就具有良好的抗氧化性,T91含铬量提高到9%左右,使用温度能达到650℃.

(4)钒与铌都是强碳化物形成元素,加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物.为提高高温强度,在使用期间使钢中各碳化物能缓解析出,必须将V含量控制在0.25%以下;添加微量Nb能使C以NbC的形式固定下来,以提高高温强度.

(5)Mo是决定高Cr铁素体耐热钢高温蠕变断裂强度的重要合金元素,高的Mo含量,可起到固溶强化作用和碳化物(M23C6,M6C)及金属间化合物(FE2MO)析出强化作用.

TP347H是一种经过改良的18—8型的奥氏体不锈钢,它把Ti,Nb,Mo等碳化物形成元素形成的稳定碳化物固溶,然后在失效时使它们在晶内弥散析出,不仅可以改善抗晶间腐蚀能力,也可以提高蠕变断裂强度.这种奥氏体不锈钢被应用于制作电厂锅炉中管壁温度高于580℃部分,尤其在现在的超临界火电机组中的过热器、再热器均采用该种钢材.由于此类钢组织为单相奥氏体组织,因此焊后无淬硬倾向,但焊接时存在晶间腐蚀、应力腐蚀及焊接热裂纹的问题.加入Mo可提高奥氏体铬镍不锈钢的抗点状腐蚀与裂纹腐蚀能力,增加Ni含量在于增加奥氏体组织的比例,并提高抗应力腐蚀的能力,因为铬、镍合金元素形成NiO和CrO,阻止了外介质的腐蚀,高温时表现出良好的热稳定性和较高的强度,特别是抗蠕变性能尤其突出.

2焊接性分析

TP347H与T9l异种钢焊接的问题在于,异种钢焊接时由于不同成分、不同晶体结构的金属熔合在一起,在其熔合线附近出现了化学成分、金相组织、机械性能和物理性能的不均匀,由于这些不均匀性的存在,给焊接接头的安全使用带来不利影响.其存在主要问题如下:

2.1熔合比的影响

根据舍夫勒组织图,焊缝组织将不可避免地出现脆硬马氏体组织.为了减小T91钢对焊缝的稀释作用,需采用较小的熔合比,同时通过在焊接材料增加焊缝中奥氏体形成元素(如镍元素)的数量,可使焊缝保持奥氏体状态,避免产生淬硬的马氏体组织.将工件倾斜成上坡焊与坡口底部开成圆弧形都是可以减小熔合比.减小熔合比,可减小母材中的碳、硫等有害元素进入焊缝.硫是促进形成热裂纹的有害元素,而碳含量多,可使马氏体量也相对增多,冷裂敏感性增大.所以减小熔合比,有利于提高焊缝质量.

2.2焊缝交界面的碳迁移

由于焊缝两侧合金元素含量有很大差异,马氏体T91侧Cr的含量只有约9%,而奥氏体TP347H侧Cr的含量达19%左右.而Cr是一种强碳化物形成元素,使碳元素不断从马氏体侧向奥氏体侧迁移,在奥氏体侧形成高硬度的增碳层,韧性下降,脆性上升,而马氏体侧形成组织软化,强度降低的脱碳层.碳扩散层是异种钢焊接接头中的薄弱环节,它对接头的常温和高温瞬时力学性能影响不大,但将降低接头的高温持久强度,一般要降低10%~20%左右.即使同类钢焊接,只要母材与焊缝的合金化程度不同,也可能出现碳迁移现象,在不同Cr—Mo钢的焊接接头中,影响碳迁移的主要因素是Cr含量的差异、接头被加热的温度和在高温下停留的时间.加热温度和高温下停留时间的共同影响可以用回火参数P来表示,回火参数是研究蠕变时推导出的,也称Larson.Miller参数,其表达式为L4J:

P等于T(1gt+C)×10一(1)

式中,T为加热温度,K;t为高温下停留时间,h;C为常数,碳迁移时取C等于10.资料表明,回火参数P越大,脱碳层宽度和增碳层宽度也越大.