電站鍋爐用新型奧氏體耐熱鋼焊接研究現(xiàn)狀

肖 睿

（國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作廣東中心,廣州510530）

0 引言

隨著電力工業(yè)的發(fā)展和全球對環(huán)境問題的日益關注，發(fā)展高效、節(jié)能、環(huán)保的大容量電站鍋爐已引起國內外的高度重視。我國的一次能源結構是以燃煤發(fā)電為主，在眾多的燃煤發(fā)電技術中，發(fā)展超（超）臨界發(fā)電技術是最現(xiàn)實可行的途徑。通過提高蒸汽溫度和壓力，使機組的熱效率大幅提高，供電煤耗下降。面對更高的蒸汽溫度和壓力，傳統(tǒng)的耐熱鋼已很難滿足要求，例如超超臨界鍋爐在605/603℃的蒸汽溫度下高溫過熱器和再熱器管的金屬壁溫為650/670℃，金屬管外壁溫達到700℃以上，這種情況下，鍋爐過熱器、再熱器高溫段的材料只能采用奧氏體耐熱鋼。在新型奧氏體耐熱鋼中，Super304H鋼和HR3C鋼是首選[1]。

1 新型奧氏體耐熱鋼簡介

Super304H鋼是日本在18-8奧氏體耐熱鋼基礎上開發(fā)成功的一種經濟型奧氏體耐熱鋼，由于Cu、Nb、N的多元復合強化作用，獲得了極高的蠕變斷裂強度，Super304H鋼許用應力在600℃～650℃較TP347H鋼高220%以上。該鋼的組織和力學性能穩(wěn)定，高溫抗氧化性能突出，且價格便宜，是超超臨界鍋爐過熱器、再熱器熱段用料的首選。

HR3C鋼是日本住友公司在TP310基礎上添加Nb和N元素，利用彌散析出微細的金屬間化合物NbCrN和Nb的碳、氮化合物以及M23C6碳化物對310鋼進行強化改良的鋼種[2]。該鋼種的綜合性能比TP300系列奧氏體鋼都更為優(yōu)良，所以，當TP347H鋼乃至新型奧氏體耐熱鋼Super304H鋼不能滿足向火側抗煙氣腐蝕和內壁抗蒸汽氧化的工況下，應選用HR3C鋼。

2 新型奧氏體耐熱鋼焊接性分析

由于奧氏體耐熱鋼熱傳導性差，熱膨脹系數大以及合金含量較高，給焊接帶來了一定的困難，新型奧氏體耐熱鋼焊接時容易出現(xiàn)焊接裂紋、晶間腐蝕和時效脆化等問題。

2.1 焊接裂紋

由于奧氏體組織熱膨脹系數大，導熱率低，在焊接接頭附近的溫度場和變形量極不均勻，熔融的焊縫金屬在凝固過程中，當殘留在凝固晶粒間的液體薄膜被收縮應力拉開而又不能有足夠的液體金屬填充滿時，就會形成結晶裂紋，這種裂紋極易出現(xiàn)在焊縫收尾部分和弧坑處。在焊接熱影響區(qū)的過熱區(qū)，焊接的高溫加熱使該區(qū)域母材熔化，在冷卻時的凝固過程中易形成高溫液化裂紋。高溫液化裂紋常發(fā)生在熱影響區(qū)的母材過熱區(qū)，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結合處。另外，在焊接熱影響區(qū)的過熱區(qū)，材料雖沒有發(fā)生局部熔化，但在高溫下如果其塑性降到很低水平的話，也可能在殘余應力作用下形成高溫脆性裂紋。

上述裂紋的形成與材料中的合金元素含量有關，其中Ni、Nb是必需按量加入的，因此，隨著Cr、Ni含量的提高，對C、S、P含量的限制就越加嚴格，控制的含量水平越低，越能避免這類裂紋的形成，這個原則成為在選擇和設計融敷金屬成分的準則。

2.2 晶間腐蝕

晶間腐蝕是奧氏體耐熱鋼一種極其危險的破壞形式，針對焊接接頭也不例外，晶間腐蝕一般沿晶界開始腐蝕，從外觀上看，該腐蝕一般不易察覺，但它使焊接接頭的力學性能顯著下降，容易使焊接構件發(fā)生早期破壞。而在實際焊接過程中經過測量發(fā)現(xiàn)，焊接接頭往往在400℃～550℃這個溫度區(qū)間停留的時間最長，應對該區(qū)間容易發(fā)生的脆性問題多加關注。

2.3 時效脆化

奧氏體耐熱鋼含有眾多提高其高溫蠕變強度的沉淀強化元素。材料在高溫運行過程中，這些元素逐漸以碳化物、氮化物和金屬間化合物形式彌散析出，在強化材料的同時也降低了材料的塑性和韌性，即時效脆化。焊縫金屬也會有這種時效脆化的傾向，應通過焊接工藝參數和焊材的加入嚴格控制焊縫中沉淀強化元素的含量，減小時效脆化的現(xiàn)象。

此外，還有焊接接頭的σ相脆化、應力腐蝕裂紋和疲勞裂紋等，焊接時必須正確選擇焊接工藝參數和焊接材料，最大程度的避免上述問題。

3 Super304H鋼焊接研究現(xiàn)狀

山東電力工程咨詢院的殷智等人[3]分別選用兩種焊接填充材料Thermanit617、YT-304H對Super304H鋼進行焊接性能分析研究。采用的主要工藝措施包括：控制對口間隙和坡口打磨，防止產生未熔、內凹、焊瘤等缺陷；焊接全過程持續(xù)充氬保護，控制熱輸入，采用間水冷使層間溫度控制在150℃以下。試驗數據和工程實踐均證明了選用上述兩種焊材中的任一種對保證Super304H鋼焊接接頭的綜合力學性能均可行，能有效防止熱裂紋的產生，選用Thermanit617焊材作為填充金屬時焊接施工成本較低。蘇州熱工研究院有限公司的朱平等人[4]選用NICRO82和ARCOS 625兩種鎳基合金焊絲分別試驗研究了Super304H鋼的焊接性及其焊接材料匹配的問題。采用TIG焊接方法焊接了該鋼管對接焊接頭，經過對接頭試件的力學性能、耐晶間腐蝕性能及組織特征等方面的分析，表明理論上Super304H鋼采用NICRO82和ARCOS 625兩種鎳基合金焊絲焊接是可行的，得到的焊接接頭在常溫下檢測理化性能符合相關技術要求。研究結果還表明，ARCOS 625焊絲焊接所得焊接接頭在耐蝕性和強度方面優(yōu)于NICRO82焊絲所得焊接接頭。

4 HR3C鋼焊接研究現(xiàn)狀

國內對于HR3C鋼的實際應用和焊接研究鮮有報道，同時又受專利保護，公開的可參考的研究資料幾乎沒有。從極為有限的資料中我們可以推斷HR3C鋼與其它奧氏體耐熱鋼的焊接性基本相同，主要是高溫裂紋、晶間腐蝕和時效脆化等問題。北京工業(yè)大學吳世凱等人[5]采用窄間隙激光填絲焊接技術，通過工藝參數的優(yōu)化，采用T-HR3C焊絲完成了10mm厚HR3C鋼管的激光焊接工藝試驗，研究了激光焊接接頭的組織和性能，結果表明：通過優(yōu)化工藝參數，可以獲得合格的焊接接頭，焊縫具有明顯的沿中心線對稱形態(tài)，以細小的柱狀晶為主，混夾著少量細小的等軸晶，熱影響區(qū)晶粒沒有明顯長大，焊縫與母材的顯微硬度相當，沒有明顯的軟化區(qū)，并對比了激光焊接接頭和熱絲TIG焊接頭在650℃時的高溫持久強度。在靜態(tài)下前者在高溫持久強度方面有明顯提高。蘇州海陸重工股份有限公司的張展宇等人[6]研究了HR3C鋼在手工鎢極氬弧焊工藝參數下焊接接頭的性能。通過對焊接接頭熱裂紋試驗和熱塑性試驗研究分析，得出HR3C鋼的焊接性與TP347H相近。另一方面，通過對焊接方法和工藝參數進行分析，確定了影響HR3C鋼手工鎢極氬弧焊焊接質量的主要因素，主要包括：焊接材料選用ERNiCrMo-3焊絲時，所得的焊縫接頭蠕變斷裂強度高于母材；采用盡可能快的焊接速度、多層多道焊。層間溫度控制在100℃以下，氬氣流量調節(jié)為8L/min，可有效防止焊接熱裂紋的產生。

5 結語

隨著燃煤發(fā)電技術的不斷發(fā)展，高參數、大容量機組將會越來越多的建設投運，新型奧氏體耐熱鋼將會得到越來越廣泛的應用，為了進一步促進其應用，奧氏體耐熱鋼的焊接研究和應用應注意以下幾個方面：

（1）目前針對新型奧氏體耐熱鋼的焊接研究相對較少，且不夠深入，主要集中在工藝參數的優(yōu)化方面，對焊縫微觀組織及缺陷形成原因分析較少，焊接方法以鎢極氬弧焊為主，試驗表明激光焊接也可以獲得合格的焊接接頭。

（2）未見新型奧氏體耐熱鋼焊接數值模擬方面的研究報道，可以適當開展新型奧氏體耐熱鋼焊接殘余應力、溫度場及應力場相關問題的數值模擬研究，能夠對此類鋼種的焊接發(fā)展提供一定的推動作用。

（3）國內HR3C鋼的實際應用相對較少，應多開展針對HR3C鋼的焊接研究，為其進一步的工程應用提供技術支撐。

[1]趙欽新,朱麗慧.超臨界鍋爐耐熱鋼研究[M].機械工業(yè)出版社,2009.

[2]楊富,章應霖,任永寧等.新型耐熱鋼焊接[M].中國電力出版社,2009.

[3]殷智,殷守斌,喬明利. 新型奧氏體耐熱鋼SUPER304H的焊材選擇及焊接工藝[J].中國電力,2011,44(02).

[4]朱平,趙建倉,柴曉巖等.SUPER304H奧氏體耐熱鋼焊接材料匹配與接頭性能研究[J].電力設備,2007,8(04).

[5]吳世凱,楊武雄,肖榮詩等.電站鍋爐用HR3C新型奧氏體耐熱鋼SUPER304H的激光焊接[J].焊接學報,2008,29(06).

[6]張展宇,常宇.新型奧氏體耐熱鋼HR3C鋼的焊接[J].焊接,2010(08).