600mw超臨界鍋爐焊接技術(shù)

1、P1,2024年3月16日 長沙,超(超）臨界機組鍋爐焊接技術(shù),湖南省電力試驗研究院,P2,2024年3月16日 長沙,什么是焊接？焊接是利用兩個物體原子間產(chǎn)生的結(jié)合作用連接成一體，連接后不能再拆卸的連接方法。 焊接技術(shù)的發(fā)展：中國古代1885年年俄國人別那爾道斯發(fā)明碳弧焊開始20世紀30年代，氣焊和手工電弧焊40年代初出現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)焊條，使焊接技術(shù)得到了一次飛躍。隨后電阻焊和埋弧焊的應(yīng)用，使焊接過程實現(xiàn)了機械化和自動化。

2、50～60年代，不斷出現(xiàn)電渣焊、各種氣體保護焊、超聲波焊、等離子弧焊、電子束焊和激光焊接等方法，使焊接技術(shù)達到了一個新的水平。80年代還進行太空焊接試驗。,P3,2024年3月16日 長沙,可焊性：可焊性是指金屬在采用一定的焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式條件下，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。1)工藝可焊性碳當量公式 ：0.4，0.6冷裂縫敏感系數(shù)PC 式中：h--板厚(mm); H--焊縫金屬中擴散氫的

3、含量(ml/100g) 試驗：拘束試驗、剛性試驗等2)使用可焊性,P4,2024年3月16日 長沙,常用焊接方法間接手工電弧焊 簡稱為手弧焊。它是利用焊條與工件之間產(chǎn)生的電弧熱來熔化被焊金屬的一種手工操作的焊接方法。 埋弧自動焊：又稱為焊劑層下自動電弧焊。是目前生產(chǎn)效率較高的機械化焊接方法之一。 氬弧焊 氬弧焊是以氬氣為保護介質(zhì)的一種電弧焊。氬氣是一種惰性氣體，它既不與金屬起化學反應(yīng)使被焊金屬氧化或合金元素燒損，也不熔解于滾

4、體金屬中產(chǎn)生氣孔，因此氬氣的保護十分可靠，焊縫質(zhì)量高。 非熔化極 熔化極二氧化碳氣體保護焊 二氧化碳氣體保護焊是以CO2氣體作為保護介質(zhì)的電弧焊方法。焊接裝置與熔化極氬弧焊相似，以連續(xù)送進的金屬焊絲為電極，采用自動或半自動方式進行焊接。,P5,2024年3月16日 長沙,電渣焊 ：利用電流通過液態(tài)熔渣時產(chǎn)生的電阻熱作為熱源來熔化電極和焊件實現(xiàn)焊接的一種熔焊方法。在焊工件的兩個端面之間保持一定的間隙，在間隙兩側(cè)有兩個中間通水冷卻

5、的成形銅塊緊貼于鋼板，使被焊處構(gòu)成一個方柱形空腔，在這個空腔內(nèi)由一定導電性液態(tài)熔渣構(gòu)成渣池。焊接時，焊絲送到渣池中，焊絲和工件之間的電流通過渣池產(chǎn)生很大的電阻絲，渣池溫度達1700～2000℃，高溫的渣池將熱量供給工件和焊絲，使工件邊緣和送入的焊絲熔化，液態(tài)金屬的比重較熔渣大，便沉集于渣池底部，形成熔池。隨著焊絲和工件邊緣不斷熔化，熔池和渣池不斷上升，當金屬溶池達到一定深度后，熔池底部逐步冷卻凝固成焊縫。因此，實現(xiàn)了兩個焊件的連接。

6、電阻焊 電阻焊是利用電流通過工件接觸處所產(chǎn)生的電阻熱進行焊接，并在壓力下形成焊接接頭的方法。根據(jù)焊接接頭的型式可分為點焊、對焊和縫焊三種形式。 摩擦焊釬焊,P6,2024年3月16日 長沙,背景,隨著我國電力工業(yè)的進一步發(fā)展,大容量、高參數(shù)超臨界參數(shù)火電機組逐漸開始投入商業(yè)運營。我國首臺國產(chǎn)超臨界600MW 機組已于2004 年9 月30日并網(wǎng)發(fā)電，首臺國產(chǎn)超超臨界1000MW 機組正在建造，這一切標志著我國電力工業(yè)發(fā)展跨上一個新

7、臺階。從目前世界火力發(fā)電技術(shù)水平看，提高火力發(fā)電廠效率的主要途徑是提高蒸汽參數(shù)，即提高蒸汽的壓力和溫度。發(fā)展超臨界和超超臨界火電機組，提高蒸汽參數(shù)對于提高火力發(fā)電廠效率的作用是十分明顯的。下表給出了蒸汽參數(shù)與火電廠效率、供電煤耗關(guān)系。蒸汽溫度和壓力的提高，使得供電煤耗大幅度下降，電廠效率在大幅度提高，為達到提高參數(shù)的要求，關(guān)鍵在于金屬材料能否耐高溫、高壓。,P7,2024年3月16日 長沙,機組參數(shù)與熱效率,注：發(fā)電煤耗用標煤量統(tǒng)

8、計，標煤量是一個統(tǒng)計折算標準，1kg 標煤的發(fā)熱量為7000 大卡,P8,2024年3月16日 長沙,超（超）臨界機組鍋爐的用鋼特點,1） 水冷壁水冷壁用鋼一般應(yīng)具有一定的室溫和高溫強度，良好的抗疲勞、抗煙氣腐蝕、耐磨損性能，并要有好的工藝性能，尤其是焊接性能。 通常SC、USC鍋爐都采用膜式水冷壁。由于膜式水冷壁組件尺寸及結(jié)構(gòu)的特點，其焊后不可能在爐內(nèi)進行熱處理，故所選用鋼材的焊接性至關(guān)重要。要在焊前不預(yù)熱、焊后不

9、熱處理的條件下，滿足焊后熱影響區(qū)硬度不大于360HV10 、焊縫硬度不大于400 HV10的有關(guān)規(guī)定（TRD201　德國蒸汽鍋爐技術(shù)規(guī)范-TRD進行鍋爐壓力容器及其附件制造廠認證即TRD201認證)，以保證使用的安全性。另外，水冷壁管內(nèi)介質(zhì)是液汽兩相，管外壁又在爐膛燃燒時煤粉顆粒運動速度最快的區(qū)域，積垢導致的管壁溫升高和燃燒顆粒沖刷都是選用鋼材要考慮的問題。由此可見，水冷壁用鋼的開發(fā)也是發(fā)展SC、USC鍋爐的技術(shù)關(guān)鍵之一。,P9,202

10、4年3月16日 長沙,超（超）臨界機組鍋爐的用鋼特點,隨著SC、USC鍋爐蒸汽壓力、溫度的升高，水冷壁溫度也會提高，例如在31MPa/620℃的蒸汽參數(shù)下，出口端的汽水溫度達475℃，投運初期中墻溫度為497℃，垢層增厚可升至513℃，熱負荷最高區(qū)域的管子壁溫可達520℃，瞬間最高可達540℃。這就需要合金含量更高，熱強性更好的鋼材。為了滿足這種高參數(shù)鍋爐水冷壁用鋼的要求，在SA213-T22鋼的基礎(chǔ)上，開發(fā)了兩種新鋼材T23(HCM

11、2S）和T24(7CrMoVTiB10-10)，二者都具有良好的焊接性，在焊前不預(yù)熱焊后不熱處理的條件下(壁厚≤8mm )，焊后焊縫和熱影響區(qū)的硬度均低于360 HV10。許用金屬壁溫可達600℃ ，是蒸汽溫度620 ℃以下鍋爐水冷壁的最佳用鋼,P10,2024年3月16日 長沙,超（超）臨界機組鍋爐的用鋼特點,2) 過熱器、再熱器過熱器、再熱器在高參數(shù)鍋爐中所處的環(huán)境條件最惡劣，所用鋼材在滿足持久強度、蠕變強度要求的同時，還要滿足

12、管子外壁抗煙氣腐蝕及抗飛灰沖蝕性能、管子內(nèi)壁抗蒸汽氧化性能，并具有良好的冷熱加工工藝性能和焊接性能,P11,2024年3月16日 長沙,超（超）臨界機組鍋爐的用鋼特點,在燃煤含硫量很低、煙氣腐蝕性很小的條件下，從蠕變強度角度考慮，SC、USC鍋爐過熱器、再熱器，當壁溫≤600℃時，可選用T9l鋼；當壁溫≤620℃時，可選用T92、T122、E9ll鋼；當壁溫≤650℃時，可選用NF12、SAVE12鋼。當燃用含硫量高腐蝕性大的燃煤時

13、，當壁溫≥600℃時（蒸汽溫度≥566℃），過熱器、再熱器應(yīng)選擇TP304H、TP32lH、TP316H、TP347H奧氏體耐熱鋼。而Super304H和TP347HFG兩種細晶奧氏體耐熱鋼蠕變強度高，抗煙氣腐蝕和抗蒸汽氧化性能更好，在超超臨界鍋爐過熱器、再熱器用鋼中得到廣泛的應(yīng)用。當壁溫達700℃時，過熱器、再熱器只能選用高鉻耐熱鋼NF709、SAVE25和HR3C等。目前，我省湘潭發(fā)電有限責任公司超臨界鍋爐屏式過熱器、高溫過熱器、

14、高溫再熱器爐內(nèi)管屏使用的鋼材就是TP347H奧氏體耐熱鋼。,P12,2024年3月16日 長沙,超（超）臨界機組鍋爐的用鋼特點,3) 聯(lián)箱與管道由于聯(lián)箱（末級過熱器、末級再熱器出口聯(lián)箱）與管道（主蒸汽管道、導汽和再熱蒸汽管道）布置在爐外，沒有煙氣加熱及腐蝕問題，管壁溫度與蒸汽溫度相近。這就要求鋼材應(yīng)具有足夠高的持久強度、蠕變強度、抗疲勞和抗蒸汽氧化性能，還要具有良好的加工工藝和焊接性能。,P13,2024年3月16日 長沙,超（超

15、）臨界機組鍋爐的用鋼特點,由于鐵素體耐熱鋼的熱膨脹系數(shù)小、導熱率高，在較高的啟停速率下，不會造成聯(lián)箱、管道厚壁部件嚴重的熱疲勞損壞，所以鐵素體耐熱鋼是聯(lián)箱、管道的首選鋼材。隨著SC、USC鍋爐蒸汽溫度和壓力參數(shù)的提高，要求使用熱強性高的鋼材，這樣既可以提高聯(lián)箱和管道運行的安全性，又可以減少因管壁過厚引起熱應(yīng)力的增加以及給加工工藝帶來的困難。所以，SC、USC鍋爐的聯(lián)箱和管道，當壁溫≤600℃時，選用P91鋼；當壁溫≤620℃時，選用P

16、92 、P122 和E9ll鋼；當壁溫≤650℃時，選用NF12 和SAVE12 鋼。,P14,2024年3月16日 長沙,超（超）臨界機組鍋爐用鋼種類,新型鐵素體耐熱鋼及其特點 鐵素體耐熱鋼的發(fā)展可以分為兩條主線，一是縱向的主要耐熱合金元素Cr 成分逐漸提高，從2.25Cr到12Cr；一是橫向的通過填加V、Nb、Mo、W、Co等合金元素，600℃105h的蠕變斷裂強度由35MPa級向60MPa級、100MPa級、140MPa級、1

17、80MPa級發(fā)展。 另外一條思路就是選用耐溫等級更高的奧氏體不銹鋼。,P15,2024年3月16日 長沙,隨著超（超）臨界火電機組鍋爐蒸汽參數(shù)的提高，所用鋼材逐漸變化，級別逐步提高，僅以高溫受熱面管、蒸汽管為例：,含Cr≤3％的低合金耐熱鋼,含9%～12%Cr的鐵素體（含珠光體、貝氏體、馬氏體）耐熱鋼,含18%～25％Cr的奧氏體耐熱鋼,,,鐵素體耐熱鋼的發(fā)展,P16,2024年3月16日 長沙,,鐵素體鋼發(fā)展的兩條主線:

18、 縱向的主要耐熱合金元素Cr成分逐漸提高，從2.25Cr到12Cr； 橫向的通過填加V、Nb、Mo、Ｗ、Ｃo等合金元素， 600 ℃、10 ５小時的蠕變斷裂強度，由35 Mpa級向60 MPa級、100 MPa級、140 MPa級、180 MPa級發(fā)展。,P17,2024年3月16日 長沙,,15Mo≤530℃ 12CrMo≤540℃ 15CrMo≤540℃ 12Cr1MoV≤580℃

19、15Cr1Mo1V≤580℃ 10CrMo910≤580℃,傳統(tǒng)的鐵素體耐熱鋼及最高使用壁溫為：,P18,2024年3月16日 長沙,超（超）臨界火力發(fā)電機組用鋼及焊接技術(shù)論壇,美國能源部委托橡樹嶺國家試驗室（ORNL）與燃燒工程公司（CE）聯(lián)合研究用于快速中子增殖反應(yīng)堆計劃的鋼材，開始改進原有的9Cr1Mo鋼，以研究開發(fā)一種新的9Cr-1Mo鋼，要求這種新鋼種綜合了早期9Cr和12Cr鋼的性能，并具有良好的焊接性。,典型的新

20、型鐵素體熱強鋼T91/P91鋼,P19,2024年3月16日 長沙,到1980年, 測試了超過一百種成分的試驗樣品，最后確定為改良型9Cr-1Mo鋼，即T/P91鋼，經(jīng)試驗該鋼在593℃／10萬小時條件下的蠕變斷裂強度達到100MPa，韌性也較好，從技術(shù)和經(jīng)濟角度分析，這種鋼與EMl2比，Mo含量減少一半，Nb、V也低。 (ASME),P20,2024年3月16

21、日 長沙,1982年橡樹嶺國家試驗室進行了對比試驗，發(fā)現(xiàn)這種改進的9Cr-1Mo鋼優(yōu)于EM12和F12。 1983年美國ASME認可了這種鋼為T91、P91，即SA213-T91、 SA335-P91。 1987年法國瓦魯瑞克公司針對T91與Fl2和EM12的比較評估研究發(fā)表技術(shù)報告認為T91、P91有明顯優(yōu)點，強調(diào)要從EM12轉(zhuǎn)為使用T91、P91。 80年代末，德國也從F12轉(zhuǎn)向T91、P91。 T91

22、鋼可用于壁溫≤600℃的過熱器、再熱器管，P91鋼可用于壁溫≤600℃的聯(lián)箱和蒸汽管道。,P21,2024年3月16日 長沙,蠕變強度偏離預(yù)測值下降的問題。 這種發(fā)現(xiàn)，對于高Cr鐵素體耐熱鋼的發(fā)展前景，從理論上和應(yīng)用上都提出了新課題，促進了概念更新并向更先進耐熱鋼的發(fā)展，同時也限定了T/P91鋼的使用溫度極限為593℃。,,,自美國20世紀80年代開發(fā)應(yīng)用T/P91鋼以來，T/P91鋼在全世界得到廣泛應(yīng)用。 1996

23、年日本金材所報道了該鋼長時間蠕變后（600℃、650℃，36Mpa，10萬小時），,P22,2024年3月16日 長沙,鍋爐用鐵素體鋼的發(fā)展,P23,2024年3月16日 長沙,部分鍋爐用鐵素體鋼的化學成分,P24,2024年3月16日 長沙,,許用應(yīng)力,P25,2024年3月16日 長沙,,設(shè)計壁厚,P26,2024年3月16日 長沙,新型鐵素體耐熱鋼的焊接,P27,2024年3月16日 長沙,焊接P91新型鐵素體耐熱鋼的

24、歷史回顧 自1996年原電力部電力規(guī)劃設(shè)計總院管道小組提出“關(guān)于我國火電廠主蒸汽管道采用P91鋼的建議”開始 1999年10月山東日照召開了“P91、15X1M1Ф鋼焊接技術(shù)研討會”，頒發(fā)了“T91/P91鋼焊接暫行規(guī)定” 2002年10月以電源質(zhì)[2002]100號文頒發(fā)了“T91/P91鋼焊接工藝導則” 2004年頒發(fā)DL/T869-2004,P28,2024年3

25、月16日 長沙,新型鐵素體耐熱鋼的焊接性 主要指T23/P23、T24/P24、T91/P91、T92/P92（E911、NF616）、T122/P122等鋼。 ▲焊接性的主要問題是： ▲焊接冷裂紋； ▲焊縫韌性低； ▲熱影響區(qū)軟化及Ⅳ型裂紋。 ▲這類鋼的熱裂紋和再熱裂紋不敏感。,P29,2024年3月16日 長沙,□冷裂紋敏感性 這類鋼的C、S、P等元素

26、含量低，且具有晶粒細、韌性高的特點，其焊接冷裂紋傾向大為降低。但除T23/T24鋼之外，其余的鋼具有一定的冷裂紋傾向，焊接時必須采取一些必要的預(yù)防措施。 冷裂紋敏感性按照以下順序增高 T23→P92→P122→P91→P22； 而合金元素含量是按以下順序增加 P22→T23→P91→P92→P122。 與采用傳統(tǒng)碳當量評估冷裂紋結(jié)果不一致。,P30,2024年3月16日

27、 長沙,,T23、P91、P22鋼焊接接頭斜Y坡口試驗裂紋率與預(yù)熱溫度間的關(guān)系,P122（HCM12A）、P91鋼焊接接頭斜Y坡口試驗裂紋率與預(yù)熱溫度間的關(guān)系,,P91,P22,T23,P31,2024年3月16日 長沙,P92（NF616）鋼焊接接頭斜Y坡口試驗裂紋率與預(yù)熱溫度間的關(guān)系,P32,2024年3月16日 長沙,□焊縫韌性低 焊縫是由溫度非常高的熔融狀態(tài)冷卻下來的鑄造組織，不具備細晶強韌化的條件。

28、 由于熔池的高溫以及快速的凝固冷卻，熔敷金屬中的Nb、V等微合金化元素可能仍大部分固溶在金屬中，不能獲得以極細顆粒彌散析出的Nb、V碳氮化合物和高度細化了的晶粒。 單一固溶強化降低焊縫韌性。 在采用P91鋼管作為主蒸汽管焊接過程中也遇到了焊縫韌性劣化問題。,P33,2024年3月16日 長沙,影響P91鋼焊縫金屬韌性的因素及改善途徑 焊接方法的影響 ▲鎢極氬弧焊（GTAW）焊縫的沖擊韌性已超過P91鋼母

29、材的韌性； ▲熔化極氬弧焊（GMAW）焊縫金屬的沖擊韌性數(shù)值分散； ▲手工電弧焊（SMAW）焊縫金屬的沖擊韌性已滿足ASME和EN標準要求； ▲埋弧焊（SAW）焊縫金屬的韌性最差。,P34,2024年3月16日 長沙,,P35,2024年3月16日 長沙,(2) 焊縫金屬化學成分的影響 當焊縫金屬成分與母材成分完全一致時，其沖擊韌性較低。 P91鋼中Cr、Mo、V、Nb等鐵素體形成元素較多，若焊縫與母材的化學

30、成分相同，那么在焊縫冷卻凝固過程中，在焊縫中很容易形成δ-Fe。 美國CE公司的鉻當量公式： Creq=Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb+9Ti+ 12Al-40C-30N-4Ni-2Mn-1Cu 當Creq≤10時，不會出現(xiàn)δ-Fe；Creq≥12時，出現(xiàn)δ-Fe；Creq值越高，δ-Fe的含量越高。,P36,2024年3月16日 長沙,(3) 預(yù)熱、層間溫度的影響

31、 P91鋼的預(yù)熱溫度和層間溫度為200℃即可，考慮到壁厚的影響，控制在200℃~300℃為宜。 過高的預(yù)熱溫度和層間溫度，對防止冷裂紋沒有必要，而且還會因在焊接熱循環(huán)的共同作用下，使焊縫金屬在高溫（1100℃以上）停留時間長，晶粒長大變脆，至使焊縫金屬韌性降低。,P37,2024年3月16日 長沙,(4) 焊接熱輸入量的影響 采用大焊接熱輸入量、高的層間溫度（60kJ/cm, 250℃~350℃）

32、時，韌性僅為3.9~19.5J/cm2， 降低焊接熱輸入量和合適的層間溫度（25kJ/cm；220℃~250℃）時，韌性達到73.2~113.6J/cm2。 降低焊接熱輸入量（焊接參數(shù)） 焊接電流 焊接電壓 焊接速度 充分利用“回火效應(yīng)”，如焊層厚，這種“回火效應(yīng)”就不明顯。,,,,P38,2024年3月16日 長沙,波蘭焊接工作者得出的結(jié)論,,P91焊

33、縫金屬對第一次回火的溫度敏感，在工藝設(shè)計時，應(yīng)努力使先焊焊縫落在后焊焊道750℃以上的熱影響區(qū)內(nèi)，即每層焊層不能厚，防止焊態(tài)的熔敷金屬,經(jīng)歷溫度低于750℃的第二次熱循環(huán)或回火。,P39,2024年3月16日 長沙,,,某單位P91鋼焊接實例,P40,2024年3月16日 長沙,某單位T23鋼焊接實例,P41,2024年3月16日 長沙,(5) 焊后熱處理規(guī)范的影響,P91鋼在RT下純焊縫金屬PWHT條件（溫度/時間）對焊縫沖擊韌

34、性的影響,必須充分參考所選擇的焊接材料說明書上提供的熱處理時間，通過工藝評定來確定。,,,,P42,2024年3月16日 長沙,□影響區(qū)軟化及Ⅳ型裂紋 HAZ外端低于臨界溫度的回火作用或在臨界溫度范圍內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的變化，硬度下降的部位（軟化帶）。 P91這類鐵素體耐熱鋼在高溫長期運行中，往往在焊接接頭的軟化區(qū)發(fā)現(xiàn)裂紋。（Ⅳ型裂紋） 盡力使熱影響區(qū)軟化帶變得窄一些，軟化帶寬

35、度越窄。,P43,2024年3月16日 長沙,新型鐵素體耐熱鋼焊接及焊后熱處理工藝 1、確定T/P91新型鐵素體耐熱鋼焊接及焊后熱處理工藝考慮的因素2、焊接工藝方法的選用3、焊工資質(zhì)與能力培訓4、焊接材料的合理選配 5、坡口形狀 6、預(yù)熱及層間溫度7、組裝點固焊 8、TIG打底焊及管內(nèi)充氬保護,P44,2024年3月16日 長沙,9、焊接熱輸入量10、焊接操作技術(shù) 11、焊后后熱及中間冷卻溫度與時間 12

36、、焊后熱處理溫度、時間和升溫速度 13、推薦新型鐵素體鋼的焊接及焊后熱處理工藝熱參數(shù),P45,2024年3月16日 長沙,新型鐵素體耐熱鋼及其異種鋼的焊接 異種鋼的分類1 9%~12%Cr鋼與其它低合金耐熱鋼焊接2 9%Cr鋼與12%Cr鋼的焊接3 鐵素鐵素體耐熱鋼與奧氏體不銹耐熱鋼焊接,P46,2024年3月16日 長沙,焊接材料選用的可能類型 美國AWS D10.8和英國BS2633工藝標準提

37、供了一些指導性意見。在AWS D10.8中列舉了四種可能的選擇。a) 焊縫成分與低合金鋼一側(cè)材料的成分一致（低匹配）。b) 焊縫金屬與高合金材料側(cè)成分一致，用9Cr-1Mo-V合金系統(tǒng)焊材（高匹配）。c) 焊縫金屬取兩種材料中間的成分如5CrMo或9CrMo（中間匹配）。d) 焊縫金屬采用鎳基合金焊材。,P47,2024年3月16日 長沙,焊接焊接材料選用的原則及規(guī)范a) 基本原則 一般選擇均偏向取低合金成分。b) B

38、S2633規(guī)范與基本原則相似，但建議涉及P91鋼的異種鋼焊接時，宜選用9CrMo焊材。尤其強調(diào)了鎳基合金材料的采用。c) AWSD 10.8規(guī)范則認為無須使用鎳基，除非P91鋼是與奧氏體不銹鋼或鎳基合金相焊接。d) 鎳基合金的使用在一定程度上影響NDT檢測的范圍。,P48,2024年3月16日 長沙,新型奧氏體耐熱鋼特點及其發(fā)展 奧氏體耐熱鋼的高持久強度和優(yōu)良的耐蝕性，是其它耐熱鋼無法比擬的。高蒸汽參數(shù)鍋爐的過熱器、再熱器、

39、厚壁集箱和主蒸汽管道的高溫段運行條件惡劣，因此需要更高持久強度和抗熱腐蝕性的鍋爐用鋼。奧氏體以其優(yōu)異的綜合性能使它稱為發(fā)展超超臨界機組的重要耐熱材料。 按照成分和ASME標準習慣，將奧氏體鋼分為18％（以18Cr-8Ni為代表）和20％-25％Cr（以合金800H為代表）兩大系列 ，超（超）臨界奧氏體用鋼都是以著兩類代表添加合金元素發(fā)展而來的。,P49,2024年3月16日 長沙,新型奧氏體耐熱鋼特點及其發(fā)展 最初人們將18－8不

40、銹鋼當作耐熱鋼來使用，把它們用來制作管壁溫度高于580℃部分的過熱器、再熱器。雖然18－8不銹鋼具有熱強性穩(wěn)定，抗腐蝕性和抗氧化性優(yōu)良的特點，但蠕變斷裂強度水平較低，若用它來制作蒸汽管道和集箱，壁厚就會很厚。并且，其導熱性差、線脹系數(shù)大、對應(yīng)力腐蝕和熱疲勞敏感等缺點也逐漸暴露出來。二十世紀80年代，人們不斷通過添加合金成分改善這類鋼的性能，利用Ti、Nb、Mo等形成穩(wěn)定碳化物在晶內(nèi)固溶析出，改善了抗晶間腐蝕能力，同時提高了強度；科研人員

41、發(fā)現(xiàn)添加適量的Ti、Nb、Mo合金元素可促使析出金屬間化合物進一步脫溶強化奧氏體耐熱鋼，由此開發(fā)出了一系列新的熱強度較高的奧氏體耐熱鋼?，F(xiàn)今在火電用的較多是H Grade的耐熱鋼，其中常見的是ASME TP304H、TP 347H、TP316H。二十世紀90年代末，H Grade系列奧氏體已經(jīng)發(fā)展到熱強性更高的TP347HFG、Tempaloy A-1、Super 304H等鋼種；而20％-25％Cr系列在原來800合金的基礎(chǔ)上發(fā)展成N

42、F709、HR3C、Tempaloy A-3等鋼種。,P50,2024年3月16日 長沙,新型奧氏體耐熱鋼總合金元素的作用 Mo：能顯著地提高鋼蠕變極限和持久強度極限。Mo能夠使鋼的再結(jié)晶溫度顯著升高，并使得在變形后的回復溫度顯著提高，在450℃～600℃的溫度范圍，能有效地抑制滲碳體的聚集，并促進彌散的特殊碳化物析出。Mo是決定奧氏體耐熱鋼的高溫蠕變斷裂強度地重要合金元素之一，它起到了固溶強化作用。Ti：地加入可使得奧氏體耐熱鋼

43、的耐熱性顯著提高。由于Ti是強碳化物形成元素，能在鋼中形成穩(wěn)定的碳化物TiC，而一般不和其它合金元素聯(lián)合形成復合碳化物，提高了熱強性和耐熱性。另外，Ti能有效的提高奧氏體耐熱鋼抗晶間腐蝕的能力。Nb：同Ti一樣都是強碳化物形成元素，能形成穩(wěn)定的碳化物NbC，這種碳化物極為穩(wěn)定，它能夠顯著的提高鋼的蠕變極限和持久強度，特別是V和Nb復合加入時效果更明顯。另外，Nb能提高鋼的耐熱性是由于能形成穩(wěn)定的碳化物和Lave相（NbFe2），彌散強

44、化較好。N：體現(xiàn)在兩方面：一方面起固溶強化作用，但常溫下氮在鋼中的溶解度很小；另一方面，熱處理過程中，將先后出現(xiàn)V（C，N）析出起到彌散強化，大大提高了持久強度。,P51,2024年3月16日 長沙,新型奧氏體耐熱鋼總合金元素的作用 Cr：主要是提高耐熱鋼的抗氧化性、抗腐蝕能力和固溶強化效果。它一方面奧氏體耐熱鋼中含鉻量較高，易形成Cr2O3氧化膜，使得材料具有優(yōu)良的抗常溫、高溫氧化性能；另一方面可以形成M23C6型碳化物，在基體

45、內(nèi)起到較好的碳化物強化效果。Ni：可提高鋼的強度，但是對塑性的影響不明顯。一般說來，一定的Ni能提高鋼的強度，而不顯著地降低其韌性。另外，Ni作為奧氏體穩(wěn)定化元素，在耐熱鋼中加入適量地Ni，獲得穩(wěn)定奧氏體組織從個人提高鋼地抗蠕變能力。V：在耐熱鋼中形成地碳化物即使在較高地工作溫度下，也比較難于聚集，這就提高了鋼的耐熱性。當V的碳化物呈彌散狀態(tài)存在于鋼中時，則使鋼的蠕變極限提高，有利于高溫運行過程中的組織性質(zhì)穩(wěn)定性 Cu：在鋼中不易

46、形成碳化物，但是適量的Cu可以起到復合強化的效果：在Cu溶于基體中，對基體起到了固溶強化；經(jīng)固溶處理后Cu可產(chǎn)生沉淀強化作用。B：微量的B可以提高品奧氏體鋼的耐熱性，晶內(nèi)B原子固溶強化的作用，分布在晶界上的B原子顯著強化金屬晶界。,P52,2024年3月16日 長沙,新型奧氏體不銹鋼的名義化學成分（Wt％）,P53,2024年3月16日 長沙,新型奧氏體耐熱鋼的性能及強化方式 18％Cr系列 ：TP347H鋼的成材工藝為：熱軋→

47、軟化處理→冷拔→固溶處理，軟化處理的溫度在900℃～1000℃之間，固溶處理溫度為1050℃～1150℃。TP347H 中NbC充分固溶，細小彌散分布的MX 型碳化物的強化效果，使得使得材料具有良好抗高溫蠕變、疲勞的性能，具有 較高的短時拉伸性能和各種高溫長時性能的同時，又具有抗高溫氧化和高溫蒸汽腐蝕。 此后，日本住友公司在TP347H基礎(chǔ)上開發(fā)出來性能更為優(yōu)良的TP347HFG（Fine-grain）。住友公司改進了制造工藝，

48、將軟化處理溫度提高到1250℃～1300℃，使得NbC這類MX型碳化物充分固溶析出，固溶處理溫度叢本保持不變，析出NbC既限制了晶粒長大，又提高了蠕變斷裂強度。新工藝得到的晶粒細化到8 級以上，從而具備更優(yōu)良的抗高溫蒸汽腐蝕性能，對提高過熱器管的穩(wěn)定性起到了重要的作用。,P54,2024年3月16日 長沙,新型奧氏體耐熱鋼的性能及強化方式20％Cr～25%Cr系列這類鋼抗煙氣側(cè)、蒸汽側(cè)的腐蝕性能極其優(yōu)異，因而廣泛應(yīng)用于煙氣、蒸汽腐

49、蝕較為嚴重的管段。由于管道的外壁煙氣側(cè)的腐蝕容易導致管壁減??；而內(nèi)壁蒸汽氧化而生成蒸汽氧化層，隨著熱應(yīng)力的作用，導致氧化層剝離，堆積在管子的彎曲部位，會使管子發(fā)生過熱而爆管，剝離層也會造成汽輪機翅片的損傷，因此在腐蝕嚴重管段選擇抗蝕性能優(yōu)異的20％Cr～25%Cr鋼是極其必要的。Cr 含量對不銹鋼的蒸汽氧化層有很大的影響，Cr含量越多，氧化層生成越慢。20％～25%Cr系列鋼和高Cr高Ni鋼，蠕變強度高，抗蒸汽氧化性能好，但是價格過高限

50、制了其使用。新近開發(fā)的20％～25% Cr系列鋼，就是基于“降低Ni含量，加入固溶N、Cu來穩(wěn)定奧氏體”的設(shè)計思想開發(fā)的。在當Cr含量為25％時，N可以達到最大溶解度。因此可以增加鋼中N 含量以改善材料的高溫強度并穩(wěn)定奧氏體相。這樣使得材料不但具有優(yōu)異的抗蒸汽氧化性能和耐煙氣腐蝕性能，且成本低廉，以下主要介紹HR3C。,P55,2024年3月16日 長沙,新型奧氏體耐熱鋼的性能及強化方式HR3C(25Cr-20Ni-Nb-N或TP3

51、10NbN)HR3C 是上世紀80 年代初期日本住友公司在TP310基礎(chǔ)上添加NbN改進的耐熱鋼。材料經(jīng)過真空感應(yīng)熔煉、鍛造、冷軋和在1200℃保溫30min的固溶處理。HR3C 持久強度高于TP347H、TP310和Alloy 800H，且組織穩(wěn)定性相比也優(yōu)于310鋼，具有較高的高溫強度；具有較好的加工性和焊接性；由于含有較高的Cr含量，HR3C的抗蒸汽氧化性和高溫抗腐蝕性能要優(yōu)于常規(guī)的18-8不銹鋼，而與具有相同Cr 含量的31

52、0鋼性能類似。在650℃ 下煤灰腐蝕減量在10mg/ cm2 以下（達到了ASME相應(yīng)標準）；而且650℃、500h的抗蒸汽氧化性能試驗表明，HR3C鋼平均氧化鐵皮厚度在2.5μm以下。通過對HR3C 鋼時效得到沉淀析出物分析，沉積于晶間的主要是碳化物M23C6 ，而晶內(nèi)則是M23C6 碳化物和NbCrN氮化物。NbCrN 氮化物非常細小，其長大速度相當慢，故而即使經(jīng)長時間的時效也相當穩(wěn)定。固溶N 和微細的NbCrN 氮化物強化了HR

53、3C，使其具有優(yōu)良的持久強度。,P56,2024年3月16日 長沙,新型奧氏體耐熱鋼的性能及強化方式HR3C(25Cr-20Ni-Nb-N或TP310NbN)HR3C 是上世紀80 年代初期日本住友公司在TP310基礎(chǔ)上添加NbN改進的耐熱鋼。材料經(jīng)過真空感應(yīng)熔煉、鍛造、冷軋和在1200℃保溫30min的固溶處理。HR3C 持久強度高于TP347H、TP310和Alloy 800H，且組織穩(wěn)定性相比也優(yōu)于310鋼，具有較高的高溫

54、強度；具有較好的加工性和焊接性；由于含有較高的Cr含量，HR3C的抗蒸汽氧化性和高溫抗腐蝕性能要優(yōu)于常規(guī)的18-8不銹鋼，而與具有相同Cr 含量的310鋼性能類似。在650℃ 下煤灰腐蝕減量在10mg/ cm2 以下（達到了ASME相應(yīng)標準）；而且650℃、500h的抗蒸汽氧化性能試驗表明，HR3C鋼平均氧化鐵皮厚度在2.5μm以下。通過對HR3C 鋼時效得到沉淀析出物分析，沉積于晶間的主要是碳化物M23C6 ，而晶內(nèi)則是M23C6

55、碳化物和NbCrN氮化物。NbCrN 氮化物非常細小，其長大速度相當慢，故而即使經(jīng)長時間的時效也相當穩(wěn)定。固溶N 和微細的NbCrN 氮化物強化了HR3C，使其具有優(yōu)良的持久強度。共性：采用細晶強化、金屬間化合物強化等復合強化機制，使得這類新型的奧氏體耐熱鋼具有更高的蠕變強度和抗氧化性能,P57,2024年3月16日 長沙,新型奧氏體耐熱鋼焊接難點及處理措施為了保證焊接街頭和母材具有較佳的匹配性，焊接材料的選取也必須為奧氏體型焊接

56、材料。奧氏體耐熱鋼由于熱膨脹系數(shù)大，導熱性能差，在焊接和使用焊接Cr、Ni純奧氏體鋼過程中容易出現(xiàn)下列問題a.焊接裂紋焊接Cr、Ni純奧氏體鋼容易出現(xiàn)焊接高溫裂紋，它們是結(jié)晶裂紋，高溫液化裂紋和高溫脆性裂紋。熔融的熔敷金屬在凝固結(jié)晶過程中，當殘留在凝固晶粒間的液體薄膜被收縮應(yīng)力拉開而又不能用足夠的液體金屬填充滿時，就會形成結(jié)晶裂紋，這種裂紋常出現(xiàn)在焊縫中，尤其容易發(fā)生在焊縫收尾部分和弧坑處。在焊接熱影響區(qū)的過熱區(qū)，焊接的高溫加熱

57、，使該區(qū)域母材局部熔化，在冷卻時的凝固過程中，局部熔融的母材金屬的晶界也可能出現(xiàn)上述晶間的液體薄膜被拉開而無法填補的現(xiàn)象，導致在熱影響區(qū)的過熱區(qū)形成裂紋，這種裂紋稱為高溫液化裂紋。高溫液化裂紋發(fā)生在熱影響區(qū)的母材過熱區(qū)中，在多層多道焊情況下，也可能發(fā)生在焊縫中的焊層間和焊道間的熱影響區(qū)中。,P58,2024年3月16日 長沙,新型奧氏體耐熱鋼焊接難點及處理措施上述這些裂紋都與材料中的Ni、C、Si、Nb、S、P、Sn、Sb等元素的含

58、量有關(guān)。它們會明顯提高形成這些裂紋的敏感性，其中Ni、Nb是必須按量加入的，其它元素的含量就成為避免這類裂紋首先要給子嚴格限制的了。據(jù)此，可以理解為什么隨著Cr、Ni含量的提高，對C、S、P含量的限制就越加嚴格，控制的含量水平也越低。這個原則也必然成為選擇和設(shè)計焊接這類鋼熔敷金屬成分的準則。 用可調(diào)拘束法試驗TP347HFG、super304H、HR3C、NF709四種鋼的裂紋敏感性，其結(jié)果和剛性固定法試驗的結(jié)果大致是一致的。四種鋼的

59、裂紋敏感性增大次序是：TP347HFG→super304H→HR3C→NF709。其中TP347HFG和Super304H的裂紋敏感性明顯低于TP347H 鋼，HR3C和NF709的裂紋敏感性略高于傳統(tǒng)的TP347QMQ。此外，TP347HFG和Super304H焊縫的裂紋敏感性遠比熱影響區(qū)的高。,P59,2024年3月16日 長沙,新型奧氏體耐熱鋼焊接難點及處理措施b. 接頭抗腐蝕性能的降低刀狀腐蝕：18-8型Cr-Ni奧氏體鋼

60、焊接以后若經(jīng)過敏化，接頭的HAZ可能發(fā)生晶間腐蝕。含有穩(wěn)定化元素的Cr-Ni 奧氏體鋼焊接以后經(jīng)過敏化雖然不會出現(xiàn)HAZ的晶間腐蝕，但可能會呈現(xiàn)刀狀腐蝕。 應(yīng)力腐蝕：發(fā)生在含有Cl的介質(zhì)中，而目介質(zhì)溫度愈高愈容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。Cr-Ni奧氏體鋼最容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕的溫度范圍是50℃～300℃ ，經(jīng)常發(fā)生。火力發(fā)電廠奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕大多是在熱水或高溫水和氯化物介質(zhì)中發(fā)生的。在這種條件下影響應(yīng)力腐蝕破壞的因素主要有：介質(zhì)的特性、應(yīng)

61、力、冷作變形和鋼材的成分。,P60,2024年3月16日 長沙,新型奧氏體耐熱鋼焊接難點及處理措施b. 接頭抗腐蝕性能的降低在熱水和高溫水（或水蒸汽）介質(zhì)中，氯離子和氧離子的濃度對應(yīng)力腐蝕有重要影響，隨著氯離子含量的增加，應(yīng)力腐蝕破裂速度加快。但是溶解氧對應(yīng)力腐蝕破裂起了決定性的作用，一般情況下，在僅有微量Cl而沒有氧存在的情況下，Cr-Ni不銹鋼不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。可見溶解氧和氯離子的同時存在是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的必要條件。 一般認為

62、應(yīng)力腐蝕應(yīng)力σ和破裂的時間ts間的關(guān)系可用方程表示為：logts＝a+bσ（a、b為常數(shù)）（3）顯然應(yīng)力增加應(yīng)力腐蝕破裂速度加快。冷加工變形和鋼材成分對應(yīng)力腐蝕破裂的具有明顯的影響。,P61,2024年3月16日 長沙,新型奧氏體耐熱鋼焊接難點及處理措施c. 接頭的脆化Cr-Ni 純奧氏體鋼在固溶狀態(tài)下具有優(yōu)良的塑性。除了TP347H/HFG、TP304H以外，其余新型奧氏體耐熱鋼都含有眾多提高其高溫蠕變強度的沉淀強化元素。

63、材料在高溫運行過程中，這些元素逐漸以碳化物、氮化物或金屬間化合物形式彌散析出，它們在強化材料的同時，明顯降低材料的塑性和韌性。試驗表明這類鋼本身的時效脆化傾向是很大的，再也容不得發(fā)生σ相脆化。用這些鋼材制成的鍋爐部件，其運行溫度恰好是這些鋼σ相析出的溫度區(qū)。因此鋼材在開發(fā)設(shè)計時就考慮到要避免析出σ相而脆化的傾向。焊縫金屬也會有這種時效脆化的傾向，因此除了上述由于時效造成的脆化以外還需要防止σ相脆化。焊接時如果焊接材料選擇得正確，也就可以

64、避免σ相脆化的危險。,P62,2024年3月16日 長沙,焊接新型奧氏體鋼的工藝原則 焊接這類鋼首先要克服的是焊接裂紋，在獲得完整的焊接接頭情況下，還要避免接頭發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂和焊縫σ相脆化的危險。因此為了防止焊縫發(fā)生高溫裂紋，只能采用降低焊接熱輸入、降低層間溫度的工藝方法和工藝措施，也就是說，應(yīng)盡量采用焊接熱輸入低的TIG焊工藝以及確保層間溫度低的短焊道和間斷焊方法。對直徑不大管壁不厚的小直徑管的焊接來說，更希望采用全氫弧焊焊接。

65、熔敷金屬的選擇只能考慮選擇采用和母材成分相同且雜質(zhì)含量低的材料或采用鎳基焊材如Inconel 82等焊材。為了防止發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂，需要確認施工過程以及隨后的儲存、運輸、運行過程中是否存在有氯離子，如果無法避免氯離子對焊接熱影響區(qū)的污染，就需要進行焊后固溶處理以消除焊接應(yīng)力。此外焊接和焊后熱處理以后應(yīng)避免進行冷作變形加工。,P63,2024年3月16日 長沙,焊接異種鋼常見問題第一，靠近熔合線的焊縫金屬出現(xiàn)過渡層，稱為凝固過渡層

66、。在通常的手工電弧焊情況下這個凝固過渡層的厚度在100μm左右。第二，由于熔合線兩側(cè)存在懸殊的成分差別，促使碳元素在焊后熱處理或隨后的加熱過程中不斷地從低合金側(cè)向高合金側(cè)遷移，使高合金側(cè)增碳形成增碳層，低合金側(cè)脫碳出現(xiàn)脫碳層。第三，成分和組織不同的母材其線膨脹系數(shù)不同，使焊接的應(yīng)力和變形比同種鋼焊接時大，而且不可能用焊后熱處理方法加以消除。這些問題現(xiàn)在都已不難解決并已經(jīng)有了明確的工藝原則。,P64,2024年3月16日 長沙,新型耐熱

67、鋼異種鋼焊接接頭的早期失效 特征：a. 失效是脆性的。是由蠕變損傷造成的脆性失效。從宏觀上看，破壞斷裂發(fā)生在低合金材料和高合金焊縫的熔合界面－融合線上（圖1），顯微觀察發(fā)現(xiàn)，在以奧氏體作為填充金屬的接頭中，失效發(fā)生在距熔合線l～2個晶粒的鐵素體鋼內(nèi)，裂紋在該處原始奧氏體晶粒的晶界上形成并發(fā)展 （圖2）,圖1 過熱器異種鋼接頭早期失效斷口,圖2 失效接頭的切面金相,P65,2024年3月16日 長沙,新型耐熱鋼異種鋼焊接接頭的早期失

68、效 特征：a. 失效是脆性的。在以鎳基合金材料為填充金屬的接頭中，失效發(fā)生在熔合線上，如圖3、4中可以看到，在以鎳基合金材料為填充金屬的接頭中，沿熔合線上析出球塊狀的碳化物，使熔合線成了一個薄弱面，蠕變裂紋就沿著這些碳化物形成和發(fā)展。一旦在熔合線上形成了I型碳化物，接頭的壽命就會大大減短 。圖4中沿熔合線排列的球塊狀碳化物被稱作I型碳化物。 在以奧氏體不銹鋼作為填充金屬的接頭中，低合金材料和高合金焊縫的溶合界面附近形成細小顆粒的

69、擴散型碳化物，如圖5。早期失效.doc,P66,2024年3月16日 長沙,新型耐熱鋼異種鋼焊接接頭的早期失效 特征：b.失效與焊接缺陷無直接關(guān)系，尤其對已經(jīng)運行了5 年的接頭，焊接缺陷的影響就更小。 c.運行后的接頭通常沒有明顯的脫碳層，故失效非直接因脫碳層蠕變強度低所造成的。 d.失效是由蠕變裂紋引起的，在鎳基填充金屬的接頭中，蠕變裂紋是伴隨著沿熔合線析出的大顆粒碳化物生長。 e.失效與氧化缺口也無直接關(guān)系，氧化缺口發(fā)