浅述超超临界锅炉T/P92材料的焊接与监检

【摘要】 本文对超超临界(USC)锅炉机组选用的新型耐热钢种T/P92的性能及其焊接质量影响因素进行了分析,提出了对超超临界锅炉T/P92新型耐热钢种的焊接监检工作必须始终贯穿于焊接施工全过程中的每一个细微环节的理念。

【关键词】 超超临界锅炉;T/P92;焊接;监检

【中图分类号】 TU511.47 【文献标识码】 A【文章编号】 1727-5123(2010)01-018-03

大力发展高效率、高参数、大容量超临界(SC)、超超临界(USC)锅炉机组是当代世界火力发电的共同发展趋势。超超临界机组实际上是在超临界机组的基础上进一步提高蒸汽压力和温度,国际上通常把主蒸汽压力在24.1～31Mpa、主蒸汽/再热蒸汽温度为580～600℃/580～610℃的机组定义为高效超临界机组,也就是通常所说的超超临界(USC)机组。正是由于超超临界(USC)机组的主蒸汽/再热蒸汽的温度高,对超超临界(USC)锅炉机组所选用的高温受热面材料的热强性能的要求也就很高,为适应超超临界(USC)锅炉机组对热强性能的需要,为此国际上先后研发了一些性价比好、强度高的材料来满足它的需要。在这些材料中,当前我国超超临界(USC)锅炉机组大多数选用新型细晶强韧化铁素体耐热钢系列钢种(SA213-T91/T92/E911/T122;SA335-P91/P92/P122等)和新型奥氏体耐热钢种(Super304H、TP347HFG、HR3C等)。下面通过对广泛应用的T/P92钢种的性能特点和应用范围、焊接、热处理等方面进行分析,为监检人员如何更好地实施超超临界(USC)锅炉安装质量的监督与检查提出一点意见和建议。

1T/P92新型耐热钢种母材简介

1.1主要材料种类。T92 (ASTM A 213): 92合金小直径无缝管材;P92 (ASTM A 335): 92合金大直径无缝管材。设计工作温度: 550~625℃。

应用范围:由于该钢种性能优良,使用温度可达650℃,T92可在超超临界(USC)电站锅炉中的高温过热器、再热器部分代替TP304H和TP347H应用,可望改善钢管的运行性能,避免或减少异种钢接头,具有较大的实际意义。P92钢用于苛刻蒸汽条件下的集箱和蒸汽管道(主蒸汽、再热蒸汽管道)。P92若用在亚临界锅炉上可用其代替TP347H和T91厚壁管。

1.2T/P92钢种性能特点。

1.2.1T/P92钢的冶炼特点。T/P92是一种新型的9%Cr的马氏体热强钢。该钢是由日本新日铁公司在T/P91(9Cr-1Mo-V-Nb)合金成分的基础上通过加入1.8%的W取代部分Mo,大大提高了固溶强化的效果,为提高T/P92钢冲击韧性及高温强度,冶炼时采用连续铸造,对加热后的钢锭进行不断的来回压延,然后用压力穿孔法工艺进行制管,实行细晶化调质热处理,确保USC(超超临界)机组的主蒸汽,过热器管P92钢管母材有足够的冲击韧性的储备。T/P92钢在炼钢过程中就已经考虑了提高热强性、焊接性和冲击韧性等。冶炼过程为:精选钢料―高炉粗炼―碱性炉脱S、P―电炉精炼―真空炉渗部分合金。把各种合金元素控制在预先设计的范围内,同时严格控制碳的含量,控制有害元素硫的含量使T/P92钢具有更优越的抗蠕变性能,保证了钢材具有一定的韧性,并进行了沉淀强化处理。

1.2.2T/P92钢的性能优点:①600℃下,100000小时蠕变强度较高,约113Mpa;②具有比奥氏体钢更为优良的热膨胀系数和导热系数;有良好的韧性、可焊性以及加工性能;有较好的持久强度、抗裂性、抗蒸汽氧化性能;③进一步提高电站的系统热效率,有效降低发电生产成本;④在相同设计工作条件下,进一步降低电站锅炉及管道系统的重量或在相同结构尺寸下,提高结构工作温度和耐久能力;⑤有效减少电站二氧化碳排放,保护自然环境。

1.2.3T/P92与T/P91性能特点分析与比较:T/P92与T/P91相比,600℃以下的力学性能两者大致相当,600℃及以上则T/P92为高,600℃的许用应力比T/P91高34%;T/P92在600°C下,100000小时蠕变强度比T/P91提高约30%;延伸率和断面收缩率在400℃以下大致相同,400℃以上T/P92略低些;时效后T/P92的冲击值仍然达到相当的数值;T/P92在600、650℃下的持久强度远高于相应温度下的T/P91(且具有良好的持久塑性),在650℃为T/P91的1.6倍;与TP347H的等强温度为625℃,当温度低于625℃时,T/P92的持久强度高于TP347H。此外T/P92有良好的韧性、可焊性以及加工性能;抗蒸汽氧化性能好,与T/P91基本相同;抗高温腐蚀性能略优于T/P91。焊接试验证明T/P92有较好的抗裂性,预热温度100℃时止裂;采用钨极气体保护焊、手工电弧焊与埋弧焊等三种焊接方法得到的焊接接头的力学性能(包括650℃下的持久强度)均满足要求。钢管在电厂长期运行(21272小时)后取样进行的持久试验表明,持久强度几乎没有降低。与T122相比,T/P92性能略优,但价格相当高昂。高的W含量使其在长期高温运行中有可能出现蠕变脆化,P92作为厚壁部件时有Ⅳ型裂纹的倾向,所有这些都还需要更长时间的运行考核来证明。该钢已正式被收录到ASME规范中的

1.3SA-213和SA-335标准中。T/P92新型耐热钢种的焊接分析。T/P92新型耐热钢种在锅炉制造、安装过程中的焊接方法一般均采用熔焊的方法。而采用熔焊方法得到的组织是铸造组织,而T/P92钢管在制造过程中则采用特殊的精练技术和精密的铸造技术来保证钢管的原始冲击韧性和其他综合性能。焊缝的合金化靠焊接材料来保证,而提高焊缝的冲击韧性除了焊材质量保证以外还需通过预热、层间温度、线能量、焊后冷却(保温)、焊后热处理等各项焊接工艺措施来保证。T/P92钢合金含量高,焊接难度大,其现场焊接工艺既要满足管道焊接接头长周期安全稳定运行,同时又要保证管道的安装进度,T/P92钢焊接工艺的正确评定成为当前超超临界(USC)锅炉机组建设工程最为关键的技术难题之一。

1.3.1T/P92钢的焊接要求分析。①T/P92马氏体耐热钢的焊接工艺要求比较高。它与珠光体、贝氏体耐热钢不同,要求焊缝的微观组织为细晶马氏体。②T/P92马氏体耐热钢的焊接冷裂纹敏感性低于P22,可焊接性相对较好。③容易产生特殊的焊接冷裂纹、焊接热裂纹及焊接气孔等焊接缺陷。④T/P92马氏体耐热钢要求较高的焊缝冲击韧度和焊接接头蠕变断裂强度等焊接接头的综合性能。

1.3.2焊接接头可靠性影响因素分析。①设计:应力、温度、热应力、附加应力、材料的冲击韧度和蠕变断裂强度、安全系数(焊缝减弱系数、各类焊接接头蠕强减弱系数)。②制造:焊接缺陷(焊接裂纹、气孔、夹渣、未焊透、未熔合)、冲击韧度、蠕变断裂强度、异种钢的焊接、弯管质量。③安装:组对质量、焊接工艺与措施(异种钢的焊接、焊前预热、层间温度)、焊接技能与焊接缺陷(焊接裂纹、气孔、夹渣、未焊透、未熔合)、冲击韧度、蠕变断裂强度、焊后冷却(保温)、焊后热处理。④运行:超温、超压、频繁启动、管道振动、热应力、管道柔性、高温运行早期失效。

1.3.3焊接质量对早期失效的影响因素分析。①焊接缺陷:裂纹(冷裂纹,热裂纹,再热裂纹,热应力裂纹,液化裂纹)、焊接气孔、夹渣,未焊透,未熔合,成型不良与强力组对造成的应力集中。②焊缝冲击韧度:冲击值低、冲击值分散度大,时效冲击韧度低。③焊接接头蠕变断裂强度:焊接接头软化区蠕变断裂强度弱化、脆化。④异种钢焊接:焊材匹配不当,脱碳层及增碳层的变化,蠕强系数变化。⑤焊接接头蠕变-疲劳裂纹(早期失效):Ⅳ型蠕变裂纹,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ型蠕变裂纹,Ⅵ型疲劳裂纹。

1.3.4T/P92马氏体耐热钢焊缝冲击韧性影响因素分析。①焊缝的冲击韧性低于母材,而且各个区域的冲击韧性差异较大;②焊接热影响区的冲击韧性与母材相近,熔合线的冲击韧性波动比较大与操作工艺和热处理工艺有关;③焊道间的自回火作用对硬度和冲击韧性有一定影响;④AC1-AC3之间加热区的硬度大大降低,冲击韧性明显增加;⑤细直径焊条焊、摆动焊、薄焊道、窄道、多层多道、快速焊、一层两道的窄间隙焊等小线能量的焊接方法的冲击韧性比较高;氩弧焊打底时必须进行有效背面氩气保护;⑥不同焊接位置对冲击韧性有很大的影响,横焊的冲击韧性比较高(指水平固定和45°斜固定);较低的层间温度(一般应控制在200～300℃,最高不超过300℃),冲击韧性则可以大幅度的得到提高。

1.3.5焊接材料中合金元素含量对接头性能影响因素分析。碳和铌元素对T/P92马氏体耐热钢焊材性能的影响比较大。增加碳元素能提高焊材的强度和硬度,但是会降低焊接性。降低含碳量会降低蠕变断裂强度,通常含碳量控制在0.07～0.10%范围之内。铌元素是提高蠕变断裂强度的重要元素,但是增加铌会显著降低焊材的冲击韧性。焊材中的最佳含铌量为0.04～0.07%。控制焊材熔敷金属中的S、P、As、Sb、Zn等微量有害元素,以降低焊材的回火脆化和蠕变脆化倾向。采用特殊精炼的焊丝,以及采用精选矿物材料和铁合金材料来制造焊条,可以提高其强度和常温冲击韧性(技术要求常温冲击韧性AKv≥41J)。建议选用焊材:焊条为Chromet92;TIG/埋弧焊丝为9CrWV、焊剂为LA491;药芯焊丝为Supercore F92。

1.3.6焊前预热、焊后冷却(保温)与焊后热处理对冲击韧性影响因素分析。T/P92钢是低碳马氏体钢,允许在马氏体组织区内焊接,这意味着焊接预热温度和层间温度可以大大降低,一般推荐焊接预热温度为200～300℃之间,最低不低于200℃;焊件焊后必须冷却到马氏体终止转变温度(T/P92钢熔敷金属马氏体终止转变温度为100℃)以下,让其组织全部马氏体化。但焊后不能直接冷却到室温。为了提高焊缝的冲击韧性,焊后必须冷却到80～100℃,保温1～2小时,使焊缝全部转变成为马氏体组织之后才能进行焊后热处理,这样可以通过随后的热处理使全部马氏体得到回火,确保焊缝具有一定的冲击韧性。热处理温度和保温时间对冲击韧性影响很大,随着焊后热处理温度和保温时间增加,冲击韧性得到改善。提高焊后热处理温度,可以大大缩短焊后热处理保温时间,但热处理温度不得超过Ac1温度。推荐焊后热处理温度为760±10℃,保温时间(根据工件尺寸确定)为4～8小时。

2针对T/P92马氏体耐热钢的特殊性如何对焊接过程实施监检

通过对T/P92马氏体耐热钢种的性能特点、应用范围、焊接、热处理等方面进行分析可以看出,T/P92马氏体耐热钢种具有非常的特殊性,它对焊接的各个环节从焊接工艺、焊工技能、焊前预热、焊接过程操作、层间温度的控制、焊后冷却(保温)、焊后热处理等方面都有比较高的要求。焊接的过程是金属熔炼的过程,焊接的全过程对焊缝合金元素含量及其各项物理性能的影响是十分关键的,因而只有对可能影响T/P92马氏体耐热钢性能和质量的所有环节全面了解、对上述各环节都进行严格的把关与控制,才能确保T/P92马氏体耐热钢的焊接接头性能和质量满足其自身的长期、安全使用的最终要求。

2.1加强对焊接工艺文件的审查。科学的焊接工艺是保证焊接质量的前提,焊接工艺文件是指导焊接工作的规范。焊接工艺文件一般包括焊接工艺评定、焊接专业作业指导书、焊接工艺卡等。焊接工艺评定是焊接专业作业指导书、焊接工艺卡的母本。由于T/P92材料在我国是属于引进的新的材料品种,还没有很多十分成熟的焊接工艺可以借鉴,一些单位对T/P92的焊接还是全新的课题,科学地对T/P92进行焊接工艺评定是必然要求。审查T/P92的焊接工艺评定报告是监检工作的职责之一,焊接工艺评定报告的内容是否详尽、科学、合理,是否符合现行的法律法规,尤其是否与T/P92材料在特点、特性等方面的要求相适应是监检审查的重点。同时监检人员还应对焊接专业作业指导书、焊接工艺卡的内容是否与经过评定的合格的焊接工艺评定报告的内容相一致,最终确保应用于施工第一线的焊接工艺文件的科学化、合法化。

2.2加强现场监督与质量检验。虽然有科学的焊接工艺做指导,但是全面关注实施焊接的过程不容忽视。从监督检验的角度出发,首先应该认真审查焊工的资格、持证的项目、有效期等情况,要求施工单位对从事T/P92材料焊接的人员进行岗前培训,提高他们对T/P92材料性能尤其是焊接特性的认识和了解。在实施焊接的过程中,严格审查其焊接原、辅材料是否符合相关要求,质量监督检验人员要执行旁站制度,对首焊实样接头应该进行全面检验和试验,在检验和试验全部合格的基础上方能够展开大范围的焊接工作。应该时刻关注T/P92马氏体耐热钢焊接的前前后后的每一个环节,不能放过平常所谓的细微之处。如焊材的选用、焊前预热温度、焊接速度(层次、道次)、层间温度、焊后冷却(保温)的温度与时间、焊后热处理的温度与时间、外观质量检查、通球试验、硬度检查、无损检测等各环节的每一个细节都应该加以关注。本着对监检工作和安全生产事业高度负责的态度,深入施工第一线,了解和掌握第一手资料,与建设单位、监理单位、施工单位密切协作,共同把一切可能影响T/P92马氏体耐热钢焊接接头性能的因素排除开外,以保证百年大计的超超临界(USC)锅炉机组安装质量符合国家的法律、法规和各项标准。

3结论

综上所述,超超临界(USC)锅炉机组中选用了大量的新型耐热钢种,我们认为在安装过程中的焊接环节必须考虑有合适的韧性储备的各项措施;而过高的韧性储备必将损失其他性能,在热处理工艺中必须引起足够的重视;新型耐热钢种的焊条选择、预热层间温度、焊接操作工艺、线能量及焊后热处理等,必须严格按科学、可靠的工艺要求进行操作和全过程监督;施工过程中改善焊缝的冲击韧性是有可能的,但新型耐热钢种的焊接工艺参数,包括热处理的参数范围均比较窄,而且非常敏感,必须严加控制。监督检验工作必须始终贯穿于施工全过程的每一个环节。