王沛(蘭州西固熱電有限責任公司,甘肅 蘭州730060)
火電廠TP347H與T91異種鋼現(xiàn)場焊接工藝研究
王沛
(蘭州西固熱電有限責任公司,甘肅 蘭州730060)
根據(jù)火電廠現(xiàn)場焊接作業(yè)采用兩種不同的工藝,進行TP347H與T91異種鋼焊接工藝試驗,通過對試樣接頭的性能試驗分析,總結(jié)出了采用預(yù)熱但不進行焊后熱處理的全氬弧焊接工藝是TP347H與T91異種鋼現(xiàn)場焊接作業(yè)既經(jīng)濟又可靠的焊接工藝,對火電廠異種鋼現(xiàn)場焊接作業(yè)具有實際指導(dǎo)意義。
異種鋼;現(xiàn)場焊接;工藝研究
近幾年隨著火電機組參數(shù)的不斷提高,對所使用金屬材料的性能要求也越來越高,材料成分越來越復(fù)雜,在鍋爐受熱面金屬壁溫高于580℃的再熱器、過熱器等中,大多選用蠕變強度和抗氧化性能較好的奧氏體不銹鋼(如TP347H等)、馬氏體耐熱鋼(如T91等)等;并且已投入運行的老機組為解決由于運行超溫導(dǎo)致的受熱面管頻繁爆管問題,也開始逐步選用耐高溫、抗氧化性能好的馬氏體高強鋼(如T91等)和奧氏體不銹鋼(如TP347H等)替代低合金耐熱鋼;電站鍋爐奧氏不銹鋼TP347H與馬氏體耐熱鋼T91異種鋼焊接接頭數(shù)量越來越多,為了解決此類異種鋼焊接問題,我們結(jié)合現(xiàn)場實際情況,開展TP347H和T91異種鋼焊接工藝試驗工作。通過對TP347H與T91異種鋼焊接接頭進行可焊性分析,確定焊接方法和焊接材料,研究不同焊接工藝下接頭性能,制定出安全、經(jīng)濟的現(xiàn)場焊接工藝。
1.1TP347H鋼母材性能及焊接性分析
TP347H為奧氏體不銹鋼,具有較高的蠕變強度、抗蒸汽氧化、耐煙氣腐蝕性能,這種材料具有較好的可加工性,主要應(yīng)用于600℃以上的過熱器、再熱器等受熱面管。TP347H鋼焊接時易產(chǎn)生熱裂紋,使用過程中有晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕傾向,其化學(xué)成分組成見表3。
T91屬于馬氏體耐熱鋼,組織結(jié)構(gòu)為回火馬氏體,它有很好的沖擊韌性和高且穩(wěn)定的持久塑性,有很好的抗氧化性和熱強性,具有較高的抗高溫腐蝕的性能,具有良好的工藝性能和物理性能。這種鋼具有較大的淬硬傾向,焊后空冷得到馬氏體組織,焊后極易產(chǎn)生冷裂紋。其化學(xué)成分組成見表3。
1.2TP347H和T91異種鋼焊接特點
TP347H和T91兩者焊接性存在較大差異。兩者其接頭化學(xué)成分、金屬組織和機械性能均相差較大,T91鋼的線膨脹系數(shù)為12.5×10/℃,TP347H鋼的線膨脹系數(shù)為18.9×10/℃,兩者相差較大,焊接時由于應(yīng)力和變形較大易造成開裂等缺陷。由于熔合線兩側(cè)合金元素含量不同,在焊接過程中,熔合區(qū)存在C的擴散遷移,形成脫碳層和增碳層,奧氏體鋼側(cè)生成碳化鉻,使晶界貧鉻,在腐蝕介質(zhì)作用下產(chǎn)生晶間腐蝕,造成該區(qū)抗蠕變能力、持久強度和塑性等的下降,造成接頭的早期失效。因此選用合適的焊接材料與焊接工藝,對確保設(shè)備安全運行至關(guān)重要。
1.3焊接方法及焊材的選取
T91的主要問題是接頭的冷裂紋和過熱脆化,焊接時需要采用小的焊接規(guī)范,并采取預(yù)熱措施;TP347H由于其導(dǎo)熱系數(shù)小而線膨脹系數(shù)大,焊接時易于產(chǎn)生較大的焊接變形,為此,焊接時應(yīng)快速焊,使線能量保持在較低水平,采取較小的焊接規(guī)范。T91和TP347H異種鋼接頭焊接工藝采取全氬弧焊接,焊接時管內(nèi)部要充氬進行保護,防止焊縫背部氧化。
T91和TP347H焊接材料的選擇,應(yīng)該盡量避免焊縫熔合區(qū)產(chǎn)生脆性層,提高焊縫塑性和韌性;防止碳的遷移,減小擴散層;線膨脹系數(shù)在兩母材之間并接近T91,減小異種鋼焊接接頭應(yīng)力,滿足接頭使用性能要求。鎳是一種能降低碳化物穩(wěn)定性的元素,并削弱碳化物形成元素對碳的結(jié)合能力,因而提高焊縫中鎳含量,是抑制熔合區(qū)碳遷移的最有效手段,所以焊接時選用焊絲INCONEL82。
2.1試驗內(nèi)容
選用鎳基焊絲INCONEL82,在兩種不同焊接工藝條件下,TP347H與T91異種鋼進行焊接試驗。對焊接接頭進行力學(xué)性能及金相試驗,評定焊接接頭性能,優(yōu)化焊接工藝參數(shù),制定一種安全經(jīng)濟的焊接工藝。
2.2焊接工藝
焊接第1種工藝包括焊前預(yù)熱和焊后熱處理。焊接第2種工藝包括焊前預(yù)熱和焊后不熱處理,如表1所示。
2.2.1評定條件
表1 焊接工藝編號
1)試件規(guī)格:Ф63×4mm。
2)坡口型式:V型(如圖1所示)。采用較大的坡口角度35°。
圖1 坡口形狀及尺寸
2.2.2焊接方法與材料
采用全氬弧焊接方法,絲牌號:INCONEL82,規(guī)格Φ2.0mm。
2.2.3焊前準備
1)焊工應(yīng)具備T91和不銹鋼小管焊接培訓(xùn)考核合格的資格證書,并進行焊前模擬練習,以掌握焊材、母材及焊機的性能。
2)焊前將坡口及附近內(nèi)外壁鋼材15~20mm打磨見金屬光澤。
3)對口及點固焊
(a)試件對口錯邊量≤0.4mm,對口間隙見圖1所示。
(b)采用根部直接點焊固定。
(c)點固焊前氧乙炔火焰加熱點固焊區(qū)100~150mm,范圍100~150℃。
(d)施焊過程中嚴禁在非焊接部位母材上引弧,焊接臨時固定物。
2.2.4焊前預(yù)熱及層間溫度
1)用電腦控制加熱器進行加熱,采用第2種工藝時可用火焰進行預(yù)熱。
2)預(yù)熱升溫參數(shù):速度150℃/h,預(yù)熱溫度100~150℃,焊接層間溫度200~300℃。
2.2.5焊接工藝參數(shù)
1)工藝參數(shù)見表2。
表2 焊接工藝參數(shù)
2)氬弧焊打底焊厚度2.5≤δws≤3.0;管內(nèi)充氬氣流量8~12(L/min)
3)采用兩層三道排列,單道焊道寬度小于所用焊材直徑的3倍,如圖2所示。
2.2.6焊后熱處理
1)第一種工藝采用遠紅外履帶式加熱片(小管專用),設(shè)備能自動記錄曲線。
對兩種工藝下完成的焊接接頭試樣進行外觀檢查,檢查結(jié)果符合相關(guān)標準要求;進行射線檢驗(RT)和滲透檢驗(PT),檢驗結(jié)果符合相關(guān)標準規(guī)定。
圖2 焊道(層)排列順序
2)第一種工藝焊接完成后進行730~750℃×0.5h回火處理,加熱和冷卻速度≤150℃/h,300℃以下不再控制。
3.1母材和焊絲化學(xué)成分分析
按照標準,分別對鍋爐管TP347H、T91及選用的INCONEL82焊絲進行化學(xué)成分分析,結(jié)果合格。鋼管化學(xué)成分見表3,焊絲化學(xué)成分見表4。
表3 T91和TP347H鋼化學(xué)成分
表4 焊絲的化學(xué)成分
3.2焊接接頭外觀檢查及無損檢測
根據(jù)承壓設(shè)備無損檢測標準NB/T47013-2015
3.3焊接接頭力學(xué)性能試驗
1)按照GB/T228.1~2010標準進行常溫拉伸試驗,兩種焊接工藝下的試樣拉伸試驗 Re0.2為305MPa,Rm為620~633MPa,斷后伸長率44.5%~46.5%,均滿足相關(guān)標準規(guī)定。
2)按照GB/T2653~2008標準進行彎曲試驗,未發(fā)現(xiàn)裂紋,試驗結(jié)果合格。
3)按照GB/T231.1~2009標準對焊接接頭進行布氏硬度試驗,T91側(cè)焊縫鄰近母材及熱影響區(qū)的硬度在190~210HB之間,TP347H側(cè)焊縫鄰近母材、焊縫及熱影響區(qū)的硬度在150~182HB之間,均滿足DL/T438-2009標準對材料的要求。
3.4焊接接頭金相檢驗
焊接試樣進行金相檢驗,在OLYMPUSGX51金相顯微鏡下觀察組織,金相組織無裂紋、無過燒組織、無淬硬性馬氏體組織,符合相關(guān)技術(shù)標準要求。
1)外觀檢查、射線檢驗(RT)和滲透檢驗(PT)無損探傷結(jié)果均合格;
2)不同工藝得到的異種鋼接頭的拉伸試樣均斷于TP347H側(cè)母材,拉伸強度較接近,符合相關(guān)標準規(guī)定,試驗結(jié)果合格;
3)兩種焊接工藝的試樣彎曲試驗結(jié)果合格;
4)不同工藝得到的焊接接頭焊縫鄰近母材、焊縫及熱影響區(qū)的硬度均滿足相關(guān)標準要求,檢驗結(jié)果合格;
5)不同工藝得到的焊接接頭的金相組織均符合相關(guān)技術(shù)標準要求,檢驗結(jié)果合格。
綜合以上試驗結(jié)果可知,兩種焊接工藝均滿足要求,但采用預(yù)熱但不進行焊后熱處理的焊接工藝,不但焊前預(yù)熱工序簡單,而且不包括焊后熱處理程序,省力省時,效率較高,符合機組檢修周期特點,比較適合現(xiàn)場實際焊接作業(yè)要求,故此工藝為火電廠TP347H與T91異種鋼焊接作業(yè)理想的現(xiàn)場焊接工藝。
[1]火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程DL/T869-2012.
[2]火力發(fā)電廠焊接工藝評定規(guī)程DL/T868-2004.
[3]承壓設(shè)備無損檢測標準NB/T47013-2015.
[4]火力發(fā)電廠異種鋼焊接技術(shù)規(guī)程DL/T752-2010.
TG44