鄭州鍋爐股份有限公司(河南 450001)段江麗 連艷敏 李 棟 孫臣君
我公司生產(chǎn)的某火力發(fā)電用循環(huán)流化床鍋爐,其過熱器合金鋼集箱采用ASME材質(zhì)SA—335M P11鋼,且壁厚較大,集箱筒體最厚為35mm。本文對φ377mm×30mm集箱的焊接工藝評定試驗進行了簡單的闡述與分析,按本試驗方案中的焊接工藝進行實際生產(chǎn)的產(chǎn)品,經(jīng)檢驗符合相關要求,這為以后進行相關材料、相關結構的焊接工作積累了寶貴的經(jīng)驗。
ASME標準中,SA—335M P11鋼的分類為高溫用鐵素體合金鋼公稱管,國標中低合金耐熱鋼15CrMoG鋼的化學成分和力學性能與SA—335M P11鋼最為接近,如表1、表2所示。
表1 兩種鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))(%)
表2 兩種鋼的力學性能
由此可知,首先SA—335M P11鋼屬于1Cr-0.5Mo鋼,其合金成分總質(zhì)量分數(shù)<5%,為低合金耐熱鋼,其焊接性一般,有淬硬傾向,焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)較可能形成對冷裂紋敏感的組織。其次,由于Cr、Mo為強碳化物形成元素,從而使焊接接頭的過熱區(qū)具有一定程度的再熱裂紋敏感性。再次,Cr-Mo鋼及其焊接接頭在370~565℃溫度區(qū)間長期運行過程中會發(fā)生漸進的脆變現(xiàn)象,即回火脆性。另外,還要考慮壁厚及直徑的影響,壁厚的材料在受載或受壓時,不容易產(chǎn)生塑性變形,在焊接接頭中存在焊接殘余應力的情況下,很容易發(fā)生脆性斷裂。
為了改善其焊接性,保證焊接質(zhì)量,焊接時應采取合適的工藝措施,包括焊前準備、焊接方法的選擇、焊接材料的選配和管理、焊前預熱、焊接參數(shù)的選擇和焊后熱處理。
采用手工鎢極氬弧焊打底,焊條電弧焊填充、蓋面。
鎢極氬弧焊具有低氫、工藝適應性強、易于實現(xiàn)單面焊雙面成形的優(yōu)點。考慮到我單位實際生產(chǎn)情況,焊接接頭的填充層及蓋面層采用焊條電弧焊,為確保焊縫金屬的韌性,降低裂紋傾向,采用低氫型堿性焊條。
預熱是防止焊接接頭冷裂紋和再熱裂紋的有效措施之一。預熱溫度可依據(jù)碳當量法和強度等級來估算,還要考慮到接頭拘束度和焊縫金屬的氫含量。不同碳當量所需最低預熱溫度如表3所示,各國壓力容器法規(guī)規(guī)定的1Cr-0.5Mo鋼最低預熱溫度如表4所示。
表3 焊接材料與碳當量與預熱溫度的關系
表4 1Cr-0.5Mo鋼預熱溫度推薦值
根據(jù)國際焊接學會(IIW)計算碳當量的公式:CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15,可估算出SA—335M P11鋼的標準碳當量:0.388%≤CE≤0.68%。
參考表3和表4,估算出SA—335M P11鋼最低預熱溫度約120℃。預熱溫度并非越高越好,為防止氫致裂紋的產(chǎn)生,規(guī)定較高的預熱溫度是必要的,但過高時,則可能產(chǎn)生馬氏體組織,從而降低韌性。另外,還要考慮到焊接操作時的情況,則最終決定預熱溫度為120~170℃,層間溫度≤250℃。
焊件采用熱切割法下料,機械加工坡口。用風砂輪將焊縫兩側20mm范圍內(nèi)打磨至金屬光澤,清除焊縫及兩側100~200mm內(nèi)的油污等雜質(zhì)。采用火焰加熱,將待焊部位及其周圍150~200mm預熱。
低合金耐熱鋼焊接材料的選擇應根據(jù)鋼材的化學成分、接頭的力學性能要求、結構的拘束程度、焊接結構的服役工況,以及焊后是否要熱處理、焊接位置和施焊要求等方面綜合考慮。
本文所述集箱設計壓力7.74MPa,水壓試驗壓力11.61MPa,運行時工質(zhì)口溫度為395℃,出口溫度為485℃,因此對焊縫的要求是要有較好的力學性能與熱強性能。
由于低合金耐熱鋼在焊接時的主要問題是裂紋和脆化,所以在選擇焊接材料時必須注意以下幾個方面的問題:選擇與母材化學成分相近的焊接材料,為保證焊接接頭的強度、抗裂性和韌性,應選用低氫的焊接材料;考慮熔合比和冷卻速度的影響;考慮焊后熱處理對焊縫力學性能的影響。
H13CrMoA、E5515—B2是1Cr-0.5Mo鋼采用氬弧焊、焊條電弧焊時常用的焊絲、焊條,具有良好焊接性和綜合性能,其合金成分與SA—335M P11鋼基本相當,且E5515—B2為低氫堿性,綜合考慮熔合比、冷卻速度、焊后熱處理的影響,決定選用這兩種焊接材料。焊接材料的化學成分和力學性能如表5、表6、表7所示。
表5 H13CrMoA焊絲的化學成分(GB/T14957—1994)(質(zhì)量分數(shù)) (%)
表6 E5515—B2焊條的化學成分(GB/T5118—1995)(質(zhì)量分數(shù)) (%)
表7 E5515—B2焊條熔敷金屬的力學性能(GB/T5118—1995)
根據(jù)ASME 規(guī)范,進行消除應力退火熱處理。退火溫度(680±15)℃。焊后熱處理可有效地消除焊接接頭中的殘余應力,降低硬度,改善組織。
焊接工藝評定所用SA—335M P11鋼的規(guī)格為φ377mm×30mm,按ASME規(guī)范進行,其焊接工藝如下:預熱溫度:122℃;層間溫度:118~168℃;組裝間隙:0~2mm;坡口形式:U形帶鈍邊和V形帶鈍邊,如圖1、圖2所示;焊接材料:H13CrMoA,φ2.5mm;E5515—B2,φ3.2mm,φ4mm,φ5mm;焊接參數(shù):如表8所示;焊后熱處理:(680±15)℃,180min。
圖2
表8 PQR焊接參數(shù)
根據(jù)ASME 規(guī)范將試件進行焊接接頭力學性能試驗,所得拉伸試驗結果如表9所示,彎曲試驗合格。
表9 PQR拉伸試驗
產(chǎn)品中,筒體材質(zhì)為SA—335M P11鋼的集箱共5根,筒體規(guī)格有φ377mm×30mm、φ325mm×35mm、φ219mm×20mm三種,坡口形式有U形帶鈍邊和V形帶鈍邊兩種。除此之外,產(chǎn)品集箱焊接工藝與評定時完全相同。
采用評定所示焊接工藝,產(chǎn)品上5根SA—335M P11鋼的集箱上共10條環(huán)縫,經(jīng)100%射線探傷,均合格,無缺陷產(chǎn)生。產(chǎn)品試件的力學性能試驗結果也符合相關要求。
通過以上焊接工藝評定(PQR)、實際焊接操作情況以及探傷結果表明:在現(xiàn)有的焊接條件下,通過此焊接工藝評定試驗,證明所選焊接規(guī)范及工藝正確,能夠滿足產(chǎn)品技術要求。集箱筒體主焊縫的焊接質(zhì)量良好,達到了要求的探傷合格標準。為以后進行ASME產(chǎn)品的生產(chǎn)、相關材料、相關結構的焊接提供了寶貴的經(jīng)驗。