超超臨界火電機組鍋爐用新型耐熱鋼的焊接工藝

劉　煒

（河南第一火電建設公司，河南鄭州 450000）

超超臨界火電機組鍋爐用新型耐熱鋼的焊接工藝

劉煒

（河南第一火電建設公司，河南鄭州 450000）

隨著科學技術水平的不斷提升，近年來，我國火力廠電氣設備規模也在逐年擴大，并且大大提升了其現代化技術成分，現階段新型耐熱鋼焊接工藝在超超臨界火電機組鍋爐中得到了廣泛地應用與推廣，通過加強對設備安全運行的管理及維護，才能推動火力廠的快速發展。本文主要對超超臨界火電機組鍋爐新型馬氏體耐熱鋼焊接性能、新型奧氏體耐熱鋼焊接影響因素及操作技術進行了分析與探究。

超超臨界火電機組鍋爐 新型耐熱鋼 焊接工藝 性能 操作技術 影響因素

作為現階段火電發展的主要方向，超超臨界機組的應用，不僅可以對機組效率進行有效提升，更能降低污染物的排放量。當蒸汽溫度在600攝氏度以上時，蒸汽壓力則在25Mpa以上，并呈現出不斷上升的趨勢，超超臨界機組的應用離不開新型耐熱鋼的發展。P91、P92（NF616）、E911、P122（HCM12A）等都是超超臨界機組應用的新型馬氏體耐熱鋼，TH347HFG、Super304與HR3C等為奧氏體耐熱鋼。這些鋼的合金元素含量必須在10%以上，這將增加焊接工作的難度。焊接接頭失效作為電站高溫承壓部件失效的一種主要方式，往往出現早期失效的傾向，因此焊接接頭完整性的提高對電站機組安全運行具有重要作用。焊接接頭完整性主要是焊接接頭性能與母材相一致，體現在成分、組織、性能及結構的連續性。一般情況下，焊接接頭性能無法與母材相同，但必須使之相近。新型耐熱鋼作為超超臨界機組鍋爐焊接的主要工藝，只有對其焊接性能進行分析，才能提高工作效率。

1　新型馬氏體耐熱鋼焊接性能的分析

通常情況下利用控軋控冷工藝進行新型馬氏體耐熱鋼的制造，焊縫金屬在焊接過程中，沒有控軋控冷的機會，無法利用細晶強化與位錯強化的方式對焊接接頭的性能進行改善，因此焊接接頭的性能與母材之間一定具有差別，這些馬氏體耐熱鋼焊接性能主要體現在以下幾點:

1.1焊接接頭的脆化

馬氏體耐熱鋼焊接接頭主要具體兩種脆化方式:粗晶組織與淬硬組織引起的脆化。焊縫金屬具有粗大的晶粒，其主要原因在于焊接過程中，奧氏體化具有較長的時間，晶粒具有極快的生長速度，因此，焊接過程中焊接線應具有較低的能力。因為馬氏體耐熱鋼具有較高的合金元素含量，如焊接后無法有效控制冷卻速度，應出現淬硬組織情況，進而致使焊接接頭脆化現象的出現，為有效處理這個問題，應選用預熱的方式。

1.2熱影響區的軟化

正火與回火是馬氏體耐熱鋼的供貨狀態，也就是調質處理。焊接時軟化現象將在細晶熱影響區與臨界熱影響區出現。產生這個問題的主要原因在于，細晶熱影響區在焊接過程中承受的溫度在Ac3以上，臨界熱影響區承受的溫度則在Ac1與Ac3之間，位于Ac1與Ac3溫度范圍內的金屬有少量將產生奧氏體化現象，沉淀強化相在奧氏體內不能全部溶解，在接下來的熱過程中沒有溶解的沉淀相將出現粗化線形，進而降低這個區域內的強度。軟化對短時高溫拉伸強度具有較小的影響力，但具有強度降低的作用。軟化區在高溫長期運行中將會出現IV型裂紋。對軟化具有較大影響力的因素為焊接線能量與預熱溫度，當焊接線具有較大能量時，則其就具有較高的預熱溫度，促使軟化區不斷加寬。因此，焊接線不能具有較大能量，也不能具有較高的溫度，當軟化區具有較小寬度，則其就具有較強的拘束強化作用，其就有較小的軟化帶影響作用。

1.3焊接冷裂紋

冷裂紋是在焊后冷卻過程中在Ms點以下及更低溫度范圍內形成的一種裂紋，也被叫做延遲裂紋。淬硬組織、氫元素及應力是產生裂紋的主要要素。淬硬組織是在馬氏體耐熱鋼焊接冷卻過程中控制不好的情況下產生的，這種情況的發生將導致裂紋的出現。母材與焊條是焊接過程中氫的主要來源，氫含量越高易聚集形成裂紋，通常采用低氫型焊條進行制造與安裝，并進行烘焙與保溫工藝的制訂。

表1　新型9%—12%Cr鋼焊接與焊后熱處理工藝規范

2　超超臨界機組鍋爐用新型奧氏體耐熱鋼的焊接影響因素

因高溫過熱器（SH）與高溫再熱器（RH）具有較高的蒸汽參數，在設計過程中應對其煙氣側腐蝕與蒸汽側氧化性能進行充分考慮。通常情況下，鐵素體耐熱鋼強度可以對SH/RH需求進行滿足，但其具有較差的抗煙氣側腐蝕與蒸汽側氧化性能，對機組運行的安全性將造成極大的影響，因此，在設計SH/RH時，通常都會選用奧氏體不銹鋼。現階段主要選用TP347HFG、HR3C等材料作為超超臨界機組SH/RH的主要設計材料。這些鐵素體耐熱剛材料中如:Cr、Ni等合金含量較高，為確保焊接接頭能符合其母材需求，應選用奧氏體型材料作為焊接的首選材料。因奧氏體耐熱鋼具有較大的熱膨脹系數，及較差的導熱性能，在超超臨界機組鍋爐用新型奧氏體耐熱鋼焊接與應用中往往存在諸多問題，如下所示。

2.1晶間腐蝕

作為奧氏體耐熱鋼一種較為危險的破壞形式，晶間腐蝕的特點主要為順著晶界逐漸腐蝕，不易從表面看出，將減少承壓管道焊接接頭的力學性能及產生早期破壞情況。遵循“碳化物析出造成晶間貧鉻”理論，C與Cr在450攝氏度與850攝氏度之間奧氏體晶粒邊界處形成碳化鉻，促使晶粒邊界出現部分貧鉻現象。晶界位置Cr量如下降到12%以下，鋼材將出現耐腐蝕性能消失的情況。除此之外，長期在400攝氏度與550攝氏度之間對Fe—Cr進行加熱，將會出現一種特殊性的脆性，并能有效提升其硬度，降低沖擊韌性等，也被叫做475攝氏度脆性。

2.2應力腐蝕裂紋

應力腐蝕裂紋是應力與腐蝕聯合作用引起的一種低應力脆性裂紋。奧氏體不銹鋼線具有較大的膨脹系數及較差的導熱性，在較為復雜的結構與較大剛度情況下，將約束焊接變形，焊后構件尤其是焊接接頭具有較大的焊接殘余應力，奧氏體耐熱鋼組織特點及腐蝕介質的存在將對SCC的需求進行最大的滿足，進而促使奧氏體不銹鋼出現較大的SCC傾向。晶間、晶內及晶間/晶內混合是奧氏體耐熱鋼SCC的主要形式，最常用的形式為晶間SCC。

2.3熱裂紋

結晶裂紋與液化裂紋是熱裂紋的主要形式，結晶裂紋是在結晶后期，因熔點低共晶形成的液態薄膜對晶粒間的聯系進行了削弱，在拉應力作用下將有開裂裂紋情況的出現，在熱循環作用下近縫區與多層間部位被金屬重新熔化，在拉伸力作用下，順著奧氏晶界開裂的裂紋。

3　超超臨界火電機組鍋爐用新型耐熱鋼焊接操作技術的應用

（1）焊道類型也就是熱輸入類型將對新型鐵素體耐熱鋼（9%到12%之間的Cr）焊縫金屬沖擊值造成極大的影響。在條件允許的情況下，可進行橫擺焊道的焊接位置設置。在焊縫寬度上P91鋼橫擺焊道沖擊功要高于線狀焊道。橫擺焊道的焊層較薄，因此，通過下一層焊道熱處理細化晶粒作用，相比線狀焊道厚焊層，前一層具有更高的“回火效應”。由此可見，利用優化焊接工藝可以獲得較高的焊縫金屬沖擊值。焊接線能量、焊縫尺寸與順序等都會對顯微組織再熱細化作用造成極大的影響。

（2）在焊縫金屬組織晶粒度與晶粒細化程度方面，合理操作技術具有至關重要的作用。焊縫金屬韌性提升必須先對焊縫金屬細晶組織比例與細化晶粒進行有效提高，操作技術在焊縫金屬晶粒度與細化晶粒作用中具有重要意義。由此可見，操作技術與焊縫金屬晶粒度與細化晶粒之間具有緊密的聯系。SMAW焊接過程中，當焊條直徑在4毫米以下或具有較低的焊接速度時，通常將2毫米作為單條焊縫的厚度。據大量數據顯示，新型鐵素體9%到12%之間的Cr耐熱鋼單層焊道厚度在焊條直徑以下時，單焊道擺寬度則控制在3到5毫米之間，只有這樣才能確保其韌性符合施工要求。并嚴重遵循焊接及焊后熱處理工藝規范，如表1所示，進行處理。

4　結語

綜上所述，隨著社會經濟的不斷發展，電力事業已經成為我國基礎建設中的一項重要建設項目，新型耐熱鋼作為超超臨界火電機組鍋爐運行管理的重要組成部分，其焊接技術是否合理將直接影響到施工單位的管理水平。為實現火電廠設備的安全運行，必須提高焊接技術，規范焊接工藝，這也是我國電力系統發展的有效措施。

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