超超临界火电机组锅炉用新型耐热钢的焊接工艺

2015-10-31刘炜

中国科技纵横 2015年14期

关键词：耐热钢马氏体超临界

刘　炜

（河南第一火电建设公司，河南郑州 450000）

超超临界火电机组锅炉用新型耐热钢的焊接工艺

刘炜

（河南第一火电建设公司，河南郑州 450000）

随着科学技术水平的不断提升，近年来，我国火力厂电气设备规模也在逐年扩大，并且大大提升了其现代化技术成分，现阶段新型耐热钢焊接工艺在超超临界火电机组锅炉中得到了广泛地应用与推广，通过加强对设备安全运行的管理及维护，才能推动火力厂的快速发展。本文主要对超超临界火电机组锅炉新型马氏体耐热钢焊接性能、新型奥氏体耐热钢焊接影响因素及操作技术进行了分析与探究。

超超临界火电机组锅炉新型耐热钢焊接工艺性能操作技术影响因素

作为现阶段火电发展的主要方向，超超临界机组的应用，不仅可以对机组效率进行有效提升，更能降低污染物的排放量。当蒸汽温度在600摄氏度以上时，蒸汽压力则在25Mpa以上，并呈现出不断上升的趋势，超超临界机组的应用离不开新型耐热钢的发展。P91、P92（NF616）、E911、P122（HCM12A）等都是超超临界机组应用的新型马氏体耐热钢，TH347HFG、Super304与HR3C等为奥氏体耐热钢。这些钢的合金元素含量必须在10%以上，这将增加焊接工作的难度。焊接接头失效作为电站高温承压部件失效的一种主要方式，往往出现早期失效的倾向，因此焊接接头完整性的提高对电站机组安全运行具有重要作用。焊接接头完整性主要是焊接接头性能与母材相一致，体现在成分、组织、性能及结构的连续性。一般情况下，焊接接头性能无法与母材相同，但必须使之相近。新型耐热钢作为超超临界机组锅炉焊接的主要工艺，只有对其焊接性能进行分析，才能提高工作效率。

1　新型马氏体耐热钢焊接性能的分析

通常情况下利用控轧控冷工艺进行新型马氏体耐热钢的制造，焊缝金属在焊接过程中，没有控轧控冷的机会，无法利用细晶强化与位错强化的方式对焊接接头的性能进行改善，因此焊接接头的性能与母材之间一定具有差别，这些马氏体耐热钢焊接性能主要体现在以下几点:

1.1焊接接头的脆化

马氏体耐热钢焊接接头主要具体两种脆化方式:粗晶组织与淬硬组织引起的脆化。焊缝金属具有粗大的晶粒，其主要原因在于焊接过程中，奥氏体化具有较长的时间，晶粒具有极快的生长速度，因此，焊接过程中焊接线应具有较低的能力。因为马氏体耐热钢具有较高的合金元素含量，如焊接后无法有效控制冷却速度，应出现淬硬组织情况，进而致使焊接接头脆化现象的出现，为有效处理这个问题，应选用预热的方式。

1.2热影响区的软化

正火与回火是马氏体耐热钢的供货状态，也就是调质处理。焊接时软化现象将在细晶热影响区与临界热影响区出现。产生这个问题的主要原因在于，细晶热影响区在焊接过程中承受的温度在Ac3以上，临界热影响区承受的温度则在Ac1与Ac3之间，位于Ac1与Ac3温度范围内的金属有少量将产生奥氏体化现象，沉淀强化相在奥氏体内不能全部溶解，在接下来的热过程中没有溶解的沉淀相将出现粗化线形，进而降低这个区域内的强度。软化对短时高温拉伸强度具有较小的影响力，但具有强度降低的作用。软化区在高温长期运行中将会出现IV型裂纹。对软化具有较大影响力的因素为焊接线能量与预热温度，当焊接线具有较大能量时，则其就具有较高的预热温度，促使软化区不断加宽。因此，焊接线不能具有较大能量，也不能具有较高的温度，当软化区具有较小宽度，则其就具有较强的拘束强化作用，其就有较小的软化带影响作用。

1.3焊接冷裂纹

冷裂纹是在焊后冷却过程中在Ms点以下及更低温度范围内形成的一种裂纹，也被叫做延迟裂纹。淬硬组织、氢元素及应力是产生裂纹的主要要素。淬硬组织是在马氏体耐热钢焊接冷却过程中控制不好的情况下产生的，这种情况的发生将导致裂纹的出现。母材与焊条是焊接过程中氢的主要来源，氢含量越高易聚集形成裂纹，通常采用低氢型焊条进行制造与安装，并进行烘焙与保温工艺的制订。

表1　新型9%—12%Cr钢焊接与焊后热处理工艺规范

2　超超临界机组锅炉用新型奥氏体耐热钢的焊接影响因素

因高温过热器（SH）与高温再热器（RH）具有较高的蒸汽参数，在设计过程中应对其烟气侧腐蚀与蒸汽侧氧化性能进行充分考虑。通常情况下，铁素体耐热钢强度可以对SH/RH需求进行满足，但其具有较差的抗烟气侧腐蚀与蒸汽侧氧化性能，对机组运行的安全性将造成极大的影响，因此，在设计SH/RH时，通常都会选用奥氏体不锈钢。现阶段主要选用TP347HFG、HR3C等材料作为超超临界机组SH/RH的主要设计材料。这些铁素体耐热刚材料中如:Cr、Ni等合金含量较高，为确保焊接接头能符合其母材需求，应选用奥氏体型材料作为焊接的首选材料。因奥氏体耐热钢具有较大的热膨胀系数，及较差的导热性能，在超超临界机组锅炉用新型奥氏体耐热钢焊接与应用中往往存在诸多问题，如下所示。

2.1晶间腐蚀

作为奥氏体耐热钢一种较为危险的破坏形式，晶间腐蚀的特点主要为顺着晶界逐渐腐蚀，不易从表面看出，将减少承压管道焊接接头的力学性能及产生早期破坏情况。遵循“碳化物析出造成晶间贫铬”理论，C与Cr在450摄氏度与850摄氏度之间奥氏体晶粒边界处形成碳化铬，促使晶粒边界出现部分贫铬现象。晶界位置Cr量如下降到12%以下，钢材将出现耐腐蚀性能消失的情况。除此之外，长期在400摄氏度与550摄氏度之间对Fe—Cr进行加热，将会出现一种特殊性的脆性，并能有效提升其硬度，降低冲击韧性等，也被叫做475摄氏度脆性。

2.2应力腐蚀裂纹

应力腐蚀裂纹是应力与腐蚀联合作用引起的一种低应力脆性裂纹。奥氏体不锈钢线具有较大的膨胀系数及较差的导热性，在较为复杂的结构与较大刚度情况下，将约束焊接变形，焊后构件尤其是焊接接头具有较大的焊接残余应力，奥氏体耐热钢组织特点及腐蚀介质的存在将对SCC的需求进行最大的满足，进而促使奥氏体不锈钢出现较大的SCC倾向。晶间、晶内及晶间/晶内混合是奥氏体耐热钢SCC的主要形式，最常用的形式为晶间SCC。

2.3热裂纹

结晶裂纹与液化裂纹是热裂纹的主要形式，结晶裂纹是在结晶后期，因熔点低共晶形成的液态薄膜对晶粒间的联系进行了削弱，在拉应力作用下将有开裂裂纹情况的出现，在热循环作用下近缝区与多层间部位被金属重新熔化，在拉伸力作用下，顺着奥氏晶界开裂的裂纹。

3　超超临界火电机组锅炉用新型耐热钢焊接操作技术的应用

（1）焊道类型也就是热输入类型将对新型铁素体耐热钢（9%到12%之间的Cr）焊缝金属冲击值造成极大的影响。在条件允许的情况下，可进行横摆焊道的焊接位置设置。在焊缝宽度上P91钢横摆焊道冲击功要高于线状焊道。横摆焊道的焊层较薄，因此，通过下一层焊道热处理细化晶粒作用，相比线状焊道厚焊层，前一层具有更高的“回火效应”。由此可见，利用优化焊接工艺可以获得较高的焊缝金属冲击值。焊接线能量、焊缝尺寸与顺序等都会对显微组织再热细化作用造成极大的影响。

（2）在焊缝金属组织晶粒度与晶粒细化程度方面，合理操作技术具有至关重要的作用。焊缝金属韧性提升必须先对焊缝金属细晶组织比例与细化晶粒进行有效提高，操作技术在焊缝金属晶粒度与细化晶粒作用中具有重要意义。由此可见，操作技术与焊缝金属晶粒度与细化晶粒之间具有紧密的联系。SMAW焊接过程中，当焊条直径在4毫米以下或具有较低的焊接速度时，通常将2毫米作为单条焊缝的厚度。据大量数据显示，新型铁素体9%到12%之间的Cr耐热钢单层焊道厚度在焊条直径以下时，单焊道摆宽度则控制在3到5毫米之间，只有这样才能确保其韧性符合施工要求。并严重遵循焊接及焊后热处理工艺规范，如表1所示，进行处理。