超超临界火力发电厂机组主蒸汽管SA335-P92钢焊接工艺研究.pdf

第 1期 2 0 1 2年 1 月 锅炉制造 BOI LER MANUFACTURI NG No ． 1 J a n ． 2 01 2 文章编号 C N 2 31 2 4 9 2 0 1 2 0 1 0 0 5 4 0 5 超超临界火力发电厂机组主蒸汽管 S A 3 3 5一P 9 2钢 焊接 工艺研 究 马 言 广西壮族 自治区特种设备监督检验院， 广西 南宁 5 3 0 2 1 9 摘要 简述了超超临界机组锅炉主蒸汽管 S A 3 3 5一P 9 2钢的性能特点， 并分析其焊接特性。为获得满足超 超临界火力发电机组主蒸汽管 S A 3 3 5一P 9 2钢的焊接接头性能， 详细介绍了应采取的焊接工艺措施。实践证 明， 通过严格执行施焊工艺 ， 控制现场施工环境， 可以获得满足使用性能要求的焊接接头。 关键词 S A 3 3 5一 P 9 2钢管； 焊接； 热处理 中图分类号 T G 4 4 文献标识码 A R e s e a r c h o n We l d i n g P r o c e s s e s o f S A3 3 5一P 9 2 S t e e l Ma i n S t e a m Hp e s f o r U l t r a S u p e r c r i t i eal Ge n e r a ti n g Un i t s i n L a r g e T h e r ma l P o w e r P l a n t s M a Y a r t G u a n g x i S p e c i a l E q u i p me n t S u p e r v i s i o n a n d I n s p e c t i o n I n s t i t u t e ， N a n n i n g 5 3 0 2 1 9， C h i n a Ab s t r a c t T h e p e r f o r ma n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f S A3 3 5一P 9 2 s t e e l o f b o i l e r ma i n s t e a m p i p e s f o r u l t r a s u p e r c r i t i e al g e n e r a t i n g u n i t s wa s p r e s e n t e d， a n d i t s w e l d a b i l i t y w a s als o a n a l y z e d ．T o o b t a i n w e l d i n g j o i n t w h i c h me e t s p e rf o r m a n c e r e q u i r e m e n t s f o r u l t r a s u p e r c r i t i c al g e n e r a t i n g u n i t s ， w e l d i n g p r o c e s s e s a d o p t e d w e r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l ．P r a c t i c e s h o w s t h a t w e l d i n g j o i n t w h i c h m e e t s p e r f o rm a n c c r e q u i r e me n t s c a n b e e n s u r e d b y p e rf o rm i n g s t r i c t l y t h e w e l d i n g p r o c e s s e s and c o n t r o l l i n g the e n v i r o n me n t o f c o n s t r u c t i o n s i t e ． Ke y wo r d s S A 3 3 5一P 9 2 s t e e l p i p e； we l d i n g；h e a t t r e a t me n t 0 引 言 随着我 国火 电以发展高效率 、 节能 、 低污染 的 超临界、 超超临界机组为趋势 ， 所使用的锅炉容量 越来越大 ， 应用和开发价格低廉 、 但热强性 、 焊接 工艺性能好 的材料是关键课题。目前国际和国内 普遍 采 用 的 S A 3 3 5～P 9 1钢 在 亚 临 界 机 组 3 0 0 M W 锅 炉 中得到 了广泛 的应 用 ， 由于超 临 界 、 超超临界机组要求过热器 出口蒸汽温度已经 达到 6 0 5 oC， 而 P 9 1 材料的极限使用温度为 5 8 5 ℃， 无法满足超临界机组发展的要求。目前在 S A 3 3 5一P 9 1的基础上开发了 S A 3 3 5～P 9 2钢 ， 由 于其材料在焊接性 、 强度及裂纹倾 向等方 面的特 殊性， 在锅炉现场焊接中如何保证焊缝质量达标， 是确保锅炉机组安全运行的重要工作。 1 S A 3 3 5一P 9 2钢 的特性 S A 3 3 5一P 9 2钢金相组织为回火马氏体 ， 合金 总含量≥1 2 ％， 其主要成分以9 C r l M o 为基础， P 9 2 相对P 9 1 钢其材料的化学成分中c 、 S 、 P等有 所降低， w、 V、 N b 等微量合金元素有所增加， 因而 收稿 日期 2 0 1 1 一l 1 0 7 作者简介 马言 1 9 6 4一 ， 男 ， 1 9 8 6年毕业于哈尔滨工业大 学热能工程专业， 高级工程师 ， 目前主要从事特种设备检验检测工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 马言 超超临界火力发电厂机组主蒸汽管 S A 3 3 5一P 9 2钢焊接工艺研究 ’5 5 使其金相组织细化 ， 强度及韧性得到提高， 但焊接 性能较差 ， 在正火及焊接状态下金相组织极易改 变 ， 产 生 晶粒 细 化 不 均 匀 ， 导致 塑 性 下 降 。另 S A 3 3 5一 P 9 2钢焊接接头焊后经 7 6 5 5℃， 4小 时热处理 ， 如果热处理工艺执行不规范， 可能造成 焊接接头冲击韧性下降， 因此在现场焊接时焊接 接头易产生脆硬组织和延迟冷裂纹。其主要化学 成分和主要力学性能见表 1 和表 2所示。 表 1 S A 3 3 5一 P 9 2的主要化学成分 ％ 表 2 S A 3 3 5一 P 9 2的主要力学性能 2 S A 3 3 5一P 9 2钢焊接工艺及热处 理 工艺要求 2 ． 1 焊前准备 2 ． 1 ． 1 设备、 焊接材料及人 员 设备采用逆变式直流弧焊机。焊材牌号分别 是 手工钨极氩弧焊焊丝为德 国 MT S 6 1 6 2 ． 4 ； 电弧焊焊条为德国 M T S 6 1 6 q b 3 ． 2或 。 MT S 6 1 6焊材 的主要化 学成分 、 力学性 能如 表 3和表 4所示。 手工钨极氩弧 焊焊丝焊接前应先 去除表面 油 、 垢 、 锈等杂物， 露出金属光泽。电弧焊焊条焊 接前经 3 5 0 4 0 0℃烘干 2小时， 放置于保温筒 内。实施焊接人员应是取得相应焊接资格的焊工 并经过实践操作培训。 表 3 MT S 6 1 6焊材的主要化学成分 ％ 表4 MT S 6 1 6焊材的主要力学性能 2 ． 1 ． 2 焊缝 坡 口加 工 焊缝坡 口按照如图 1进行加工。焊接前对坡 口及其内外两侧2 0 m m范围内进行打磨处理， 见 金属光泽 。 l O 。 一1 5。 | ● - 一 上 l l ＼ 图 1 P 9 2钢坡口形状尺寸及装配点固焊 2 ． 2 管对口固定点焊 1 管对 V I 装配时将管道垫置牢 固， 不允许在 管道上焊接临时支撑物。 ． 2 管对 口错边量 ≤1 ． 0 mm， 对 口间隙应控制 在 4 ． 0 m m以内， 防止因间隙过小造成未焊透或 2．0 根部未熔以及间隙过大使焊接操作困难， 产生根 部高低 不平并 伴 随未熔 合等 缺 陷。钝 边 应 2 ． 0 m m， 防止因钢材合金含量高， 铁水流动性 差造成根部未熔合等缺陷。 3 S A 3 3 5一 P 9 2主蒸汽管道管对 口固定点焊 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 6 锅炉制造 总第 2 3 1期 时 ， 建议采用“ 定位块” 点焊 固定在坡 口内， 材质 应一般选用 Q 2 3 5或 1 6 Mn钢为宜， 如图 2所示 。 4 焊接前用电阻加热固定点焊区至 2 5 0 C。 5 固定点焊过程中不得在管子表面乱引弧。 A 6 正常焊接到“ 临时固定用的定位块” 时， 将 其去除， 用砂轮机进行打磨， 并用肉眼及低倍放大 镜观察， 确认无裂纹等缺陷后， 方可继续施焊。 临时固定 的定位块 A A剖面图 图2 点固焊 定位块 示意图 3 焊接工艺要求 3 2 手 工 钨极 氲弧 焊 打底 1 采用纯度为 9 9 ． 9 9％的 A r 为保护气体 。 S A 3 3 5一P 9 2钢现场焊接一般采用手工钨极 氩弧焊打底 手工 电弧焊盖面 T I G／S MA W 的 焊接工艺。 3 ．1 焊前预热要求 焊接前须经过预热 ， 预热采用远红外履带式 加热片加热坡 口两侧 2 3 0 mm左右， 以便能有效 防止焊接冷裂纹的产生。预热工艺参数见表 5所 示 。 表 5 S A 3 3 5一 P 9 2焊前预热及焊接层 闻温度 2 充保护气体范 围以坡 口轴 向中心为基准 点 ， 两侧 2 5 03 0 0 m m处贴两层可熔 纸， 用耐高 温胶带粘牢固， 形成密封气室， 防止因氩气流失造 成充气不足而产生根部氧化 。 3 由坡 口间隙进行充氩 ， 氩气流量应保持在 1 01 5 L ／ mi n ， 以保证氩气量的充足和纯度。 4 手工电弧焊焊接工艺参数 见表 6所示 。 5 打底焊接时， 送丝要均匀 ， 避免容易造成 根部焊缝未熔缺 陷。铁水过渡尽量采用 自由过 渡， 收弧时要特别注意将焊接 电流衰减 ， 填满焊 缝后移向坡 口边 沿进行 收弧 ， 以避 免弧坑 裂纹 的产生。 表6 手工电弧焊焊接工艺参数 由于氩弧焊一层打底焊层较薄而在电焊时易 击穿 ， 因此采用两层手工氩弧焊打底 ， 可减小焊缝 氧化程度。打底层厚度一般 ≥3 ． 0 m m。 3 ． 3 焊接 电焊填充及盖面焊时主要控制好焊接线能 量， 防止焊缝金属在高温 1 1 0 0℃以上 停留时 间过长， 组织晶粒变大而导致焊缝韧性下降， 热影 响区软化乃至产生裂纹] 。一般情况下 S A 3 3 5 1 9 2钢焊接时应尽量采用小线能量 ， 试验表明焊 接线能量应≤2 0 k J ／ c m时， 才能确保焊缝冲击韧 性。依据 S A 3 3 51 9 2钢焊 接 线 能 量公 式 E 6 0 I U ／ v I 、 U 、 v 分别为焊接电流、 电压、 焊接速度 可以得出， 可通过减小焊接电流 I 和提高焊接速度 v 来降低焊接线能量。焊接规范参数要求见表 7 所示。 表7 S A 3 3 5一 P 9 2焊接工艺规范参数要求 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 马言 超超临界火力发电厂机组主蒸汽管 S A 3 3 5一P 9 2钢焊接工艺研究 5 7 1 采用小焊接 电流。S A 3 3 5一P 9 2钢填充和 盖面焊应优先选用 3 ． 2和 中 2 ． 5的小直径焊条。 2 提高焊接速度 。焊接时， 在保证焊缝熔合 良好 的前提下， 可适当提高焊接速度 ， 焊接速度一 般应控制在 1 2 01 8 0 mm ／ m i n以内； 3 控制焊 缝焊层厚度 和焊缝宽度 。采用多 层多道焊接方法 ， 后层焊道可对前层焊道起到热 处理作用能细化晶粒， 其焊层道排列 见图 3所 示 。焊条 摆动的幅度 ， 最 大应不超过 焊条直径 的4倍 。S A 3 3 5一P 9 2主蒸汽管焊接层道排列见 图 3所示 。 4 控制层间温度 。每焊一层 焊道 ， 用测温表 对层间温度进行检测 ， 确保层间温度符合表 5的 要求 。 3 ． 4 焊接过程控制要点 1 控制 电流。电焊填 充时第一道应尽 可能 使用小焊接电流 ， 防止根层 由于电流过大而被击 穿。每一根焊条收弧都应衰减 电流， 待熔池填满 后再收弧 ， 防止产生弧坑裂纹。 2 层间清理。每焊一层后都应通过打磨清除 焊渣及飞溅 ， 特别注意中间接头及边缘 。打磨一方 面可清除焊渣、 飞溅 ， 保证下一道焊接质量 ， 另一方 面还可以清除焊缝表层的残留的氢、 硫、 磷等杂质。 1 - 2 T I G2 ． 5 m m焊丝 3 S MAW中2 ． 5 m m焊条 4 ～ 1 0 S MA W 3 ． 2 mm或 4 ． 0 m m焊条 1 1 ～ 1 6 S MA Wq 3 ．2 mm焊条 图 3 P 9 2主蒸汽管焊接层道排列示意图 3 ． 5焊后热处理工艺要求 在焊缝金属合金成分 、 焊接线能量 、 预热温度 及层间温度已定的情况下， 焊接接头的综合性能 主要取决于焊后热处理 。一方面它可消除氢和降 低应力作用 ， 一方面关系到确保 焊缝组 织转 变。 焊缝硬度在 1 8 0～ 2 5 0 H B时才能保证焊缝的使用 性能， 这对热处理提出很高要求。焊后热处理温 度为 7 6 0 o C一 7 7 0℃， 最大的温差不超过 3 0 c I ， 要严格控制热处理操作各个环节 ， 同时做好热处 理挡风遮雨工作等。 焊接及焊后热处理工艺曲线见图 4所示 。 图 4 S A 3 3 5一 P 9 2钢 大管焊接 及焊后热处理 工艺 曲线 S A 3 3 5一P 9 2钢焊接接头焊后须缓冷至 8 0～ 1 2 0 oC， 保温 1 2 h ， 对焊缝进行消氢、 降低残余 应力 ， 以提高焊缝韧性 ， 使焊缝金属充分的转变为 马氏体组织 以提高焊缝的韧性。 4 焊接质量检验 1 焊接质量检验按 电力建设施工及验收技 术规范 火力发电厂焊接篇 D L ／ T 8 6 9 2 0 0 4要 求进行验收。 2 S A 3 3 5一P 9 2主蒸汽管道焊 口焊接完毕必 须经 1 0 0 ％ 自检合格后才做焊后热处理。并进行 1 0 0 ％ 超声波 u T检验 ， 对于管道上开有探伤孔的 则做 1 0 0％ 射线 R T检验 。 3 对管壁 厚 ≥7 0 mm 的对接焊 ， 焊至 2 0 2 5 mm时 ， 应及时进行后热及焊后热处理 ， 再进行 射线 R T或超声波 u T无损检测 ， 确认无超标缺陷 后再继续施焊。 4 焊后热处理完毕， 焊缝应做 1 0 0％ 硬度测 定 包括焊缝热影响区 ， 其硬度不超过母材硬度 1 0 0 H B ， 且3 5 0 H B为合格。 5 焊缝缺陷返修 1 焊缝返修前须确认缺陷性质 ， 根据产生的 原 因提出防止措施 ， 并 编制专门的焊缝缺陷补焊 工艺 ， 经审批后执行。 2 焊 口返修一般不超过两次 ， 否则应割掉焊 口， 重新焊接。 6 结束语 1 S A 3 3 5一P 9 2主蒸汽管道在工程施工中， 如 严格按以上焊接工艺要求施焊， 加强施焊过程监 [ 下转第5 7页] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 0 锅炉制造 总第 2 3 1 期 压试验封盖 ， 按以上理论分别制造了一平封盖和 一 加强封盖 ， 设计参数如下 3 ． 1 接管法兰尺寸 法兰内孔直径 D n 5 1 2 mm； 法兰密封面外圆直径 D m 6 9 2 m m； 法兰螺栓 中心圆直径 D b 9 1 0 ． 5 。 3 ． 2 垫片参数 垫片材料 石棉橡胶板 ； 垫片内径 D 1 5 1 2 m m； 垫片外径 D 2 6 9 2 m m。 3 ． 3 螺栓参数 螺栓规格 M 6 4 ； 螺栓数量 2 0 ； 螺栓材质 3 5 ； 许用应力 l 1 0 M P a 。 3 ． 4 设计计算条件 设计温度 2 0 o C； 设计计算压力 P c 6 M P a 平封盖 和 1 2 MP a 加筋封盖 ； 封盖材料 Q 3 4 5一B； 材料屈服强度 2 7 0 MP a 。 设计压力为 6 MP a时采用平封盖结构 ， 经计 算预紧状态下 ， 系数 k 0 ． 5 9 ， 操作状态下， 系数 k 0 ． 6 6 。所 以将 k0 ． 6 6代人公 式 1 ， 得 6 6 8． 3 mm。 设计压力为 1 2 M P a时采用加筋结构。经计 算预紧状态下， 系数 k 0 ． 3 8 ， 操作状态下 ， 系数 k 0 ． 6 6 。将 k0 ． 6 6代入公式 1 ， 求得理论所需 厚度 6 9 5 ． 4 m m。 根据公式 4 ， 求得平盖厚度。按参考文献[ 4 ] 进行筋板设计， 中心管座采用 1 2 0圆钢。加筋 数量 n8 ， 筋板长度 L 2 3 6 。计算单元宽度 m 7 1 ． 5 2 m m。筋板厚度 b2 1 mm， 筋板 高度 h 1 0 5 mm。 对 以上两封盖按设计压力进行水压试验 ， 整 个试验过程 中密封完好 ， 未发生泄漏 。为验证平 盖的安全裕度 ， 对平盖超设计压力 6 MP a 进行 水压试验 ， 当水压增加到 1 2 ． 2 MP a时， 才 出现泄 漏 ， 且未出现肉眼可见变形 。因此实验结果表 明 按以上方法设计 的封盖完全满足工程使用需要 ， 且有较大安全裕度。此方法已在我公司得到推广 使用。 4 结 论 根据前述理论分析和实验结果 ， 可以得 出以 下结论 1 规范标准平盖设计公 式用于水压试验 封 盖设计过于保守 ， 造成材料浪费和制造成本增加。 2 新设计方法能减少约 3 0 ％钢板材料 ， 同时 保证水压试验安全需求。 3 高压大直径平封盖可用加筋封盖代替 ， 减 少对厚壁钢板的需求 。 4 本文公式形式简单、 计算方便， 便于工程 设计使用。 参考文献 [ 1 ] 全国压力容器标准化技术委员会， G B I 5 01 9 9 8 钢 制压力容器 ． [ 2 ] 丁伯民， 蔡仁良， 压力容器设计原理及工程应 用 ， 中国石化出版社， 1 9 9 2年 7月． [ 3 ] 唐超． 按大挠度理论计算 的液压试验用焊接平 盖 ， 石油化工设计 ， 1 9 9 9 ， 1 6 2 ， 5 2 5 5 ． [ 4 ] 唐超．加筋平盖的设计计算， 化工设备与管道， 1 9 9 4年O l 期 ， l 51 9 ． [ 上接第 6 0页] 督 ， 焊后经射线探伤和超声波探伤检验 ， 不会发现 焊缝裂纹 、 焊缝背面氧化等焊接缺陷 ， 焊接接头力 学性能 主要包括抗拉强度、 冲击功、 硬度等 、 金 相组织完全可以满足技术标准的要求。 2 焊前按工艺要求进行预热， 保证层间温 度， 焊接过程中控制焊接电流使焊接线能量小于 2 0 k J ／ c m， 同时采用多层多道焊 以防止焊缝金属 韧性降低， 防止裂纹的产生。 3 严格实施 以上 S A 3 3 5一P 9 2钢焊接焊缝背 部充氩保护措施完全可以预防焊缝背面氧化。 参考文献 [ 1 ] 赵钦新， 顾海澄， 陆燕荪． 国外电站锅炉耐热钢的一 些进展 ， 1 9 9 8 8 1 1 一7 4 8 3 ． [ 2 ] 张 显． 超临界机组／ 超超临界锅炉选材用材[ J ] ． 发 电设备， 2 0 0 4一 5 一 3 0 7 3 1 2 ． [ 3 ] 中国电力企业联合会．D L ／ T 8 6 82 0 0 4， 焊接工艺 评定规程． [ 4 ]D L ／ T 8 6 92 0 0 4电力建设施工及验 收技术规范 焊接篇 [ 5 ] 焊接手册， 第二卷 材料的焊接 [ M] ． 机械工业出 版社， 陈剑虹， 2 0 0 3年 3月 1 E t ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m