600MW超临界锅炉焊接技术.ppt

P1,2020年9月30日长沙,超超）临界机组锅炉焊接技术,湖南省电力试验研究院,P2,2020年9月30日长沙,什么是焊接焊接是利用两个物体原子间产生的结合作用连接成一体，连接后不能再拆卸的连接方法。焊接技术的发展中国古代1885年年俄国人别那尔道斯发明碳弧焊开始20世纪30年代，气焊和手工电弧焊40年代初出现了优质焊条，使焊接技术得到了一次飞跃。随后电阻焊和埋弧焊的应用，使焊接过程实现了机械化和自动化。50～60年代，不断出现电渣焊、各种气体保护焊、超声波焊、等离子弧焊、电子束焊和激光焊接等方法，使焊接技术达到了一个新的水平。80年代还进行太空焊接试验。,P3,2020年9月30日长沙,可焊性可焊性是指金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式条件下，实现优质焊接接头的难易程度。1工艺可焊性碳当量公式0.4，0.6冷裂缝敏感系数PC式中h--板厚mm;H--焊缝金属中扩散氢的含量ml/100g试验拘束试验、刚性试验等2使用可焊性,P4,2020年9月30日长沙,常用焊接方法间接手工电弧焊简称为手弧焊。它是利用焊条与工件之间产生的电弧热来熔化被焊金属的一种手工操作的焊接方法。埋弧自动焊又称为焊剂层下自动电弧焊。是目前生产效率较高的机械化焊接方法之一。氩弧焊氩弧焊是以氩气为保护介质的一种电弧焊。氩气是一种惰性气体，它既不与金属起化学反应使被焊金属氧化或合金元素烧损，也不熔解于滚体金属中产生气孔，因此氩气的保护十分可靠，焊缝质量高。非熔化极熔化极二氧化碳气体保护焊二氧化碳气体保护焊是以CO2气体作为保护介质的电弧焊方法。焊接装置与熔化极氩弧焊相似，以连续送进的金属焊丝为电极，采用自动或半自动方式进行焊接。,P5,2020年9月30日长沙,电渣焊利用电流通过液态熔渣时产生的电阻热作为热源来熔化电极和焊件实现焊接的一种熔焊方法。在焊工件的两个端面之间保持一定的间隙，在间隙两侧有两个中间通水冷却的成形铜块紧贴于钢板，使被焊处构成一个方柱形空腔，在这个空腔内由一定导电性液态熔渣构成渣池。焊接时，焊丝送到渣池中，焊丝和工件之间的电流通过渣池产生很大的电阻丝，渣池温度达1700～2000℃，高温的渣池将热量供给工件和焊丝，使工件边缘和送入的焊丝熔化，液态金属的比重较熔渣大，便沉集于渣池底部，形成熔池。随着焊丝和工件边缘不断熔化，熔池和渣池不断上升，当金属溶池达到一定深度后，熔池底部逐步冷却凝固成焊缝。因此，实现了两个焊件的连接。电阻焊电阻焊是利用电流通过工件接触处所产生的电阻热进行焊接，并在压力下形成焊接接头的方法。根据焊接接头的型式可分为点焊、对焊和缝焊三种形式。摩擦焊钎焊,P6,2020年9月30日长沙,背景,随着我国电力工业的进一步发展,大容量、高参数超临界参数火电机组逐渐开始投入商业运营。我国首台国产超临界600MW机组已于2004年9月30日并网发电，首台国产超超临界1000MW机组正在建造，这一切标志着我国电力工业发展跨上一个新台阶。从目前世界火力发电技术水平看，提高火力发电厂效率的主要途径是提高蒸汽参数，即提高蒸汽的压力和温度。发展超临界和超超临界火电机组，提高蒸汽参数对于提高火力发电厂效率的作用是十分明显的。下表给出了蒸汽参数与火电厂效率、供电煤耗关系。蒸汽温度和压力的提高，使得供电煤耗大幅度下降，电厂效率在大幅度提高，为达到提高参数的要求，关键在于金属材料能否耐高温、高压。,P7,2020年9月30日长沙,机组参数与热效率,注发电煤耗用标煤量统计，标煤量是一个统计折算标准，1kg标煤的发热量为7000大卡,P8,2020年9月30日长沙,超（超）临界机组锅炉的用钢特点,1）水冷壁水冷壁用钢一般应具有一定的室温和高温强度，良好的抗疲劳、抗烟气腐蚀、耐磨损性能，并要有好的工艺性能，尤其是焊接性能。通常SC、USC锅炉都采用膜式水冷壁。由于膜式水冷壁组件尺寸及结构的特点，其焊后不可能在炉内进行热处理，故所选用钢材的焊接性至关重要。要在焊前不预热、焊后不热处理的条件下，满足焊后热影响区硬度不大于360HV10、焊缝硬度不大于400HV10的有关规定（TRD201德国蒸汽锅炉技术规范-TRD进行锅炉压力容器及其附件制造厂认证即TRD201认证，以保证使用的安全性。另外，水冷壁管内介质是液汽两相，管外壁又在炉膛燃烧时煤粉颗粒运动速度最快的区域，积垢导致的管壁温升高和燃烧颗粒冲刷都是选用钢材要考虑的问题。由此可见，水冷壁用钢的开发也是发展SC、USC锅炉的技术关键之一。,P9,2020年9月30日长沙,超（超）临界机组锅炉的用钢特点,随着SC、USC锅炉蒸汽压力、温度的升高，水冷壁温度也会提高，例如在31MPa/620℃的蒸汽参数下，出口端的汽水温度达475℃，投运初期中墙温度为497℃，垢层增厚可升至513℃，热负荷最高区域的管子壁温可达520℃，瞬间最高可达540℃。这就需要合金含量更高，热强性更好的钢材。为了满足这种高参数锅炉水冷壁用钢的要求，在SA213-T22钢的基础上，开发了两种新钢材T23HCM2S）和T247CrMoVTiB10-10，二者都具有良好的焊接性，在焊前不预热焊后不热处理的条件下壁厚≤8mm，焊后焊缝和热影响区的硬度均低于360HV10。许用金属壁温可达600℃，是蒸汽温度620℃以下锅炉水冷壁的最佳用钢,P10,2020年9月30日长沙,超（超）临界机组锅炉的用钢特点,2过热器、再热器过热器、再热器在高参数锅炉中所处的环境条件最恶劣，所用钢材在满足持久强度、蠕变强度要求的同时，还要满足管子外壁抗烟气腐蚀及抗飞灰冲蚀性能、管子内壁抗蒸汽氧化性能，并具有良好的冷热加工工艺性能和焊接性能,P11,2020年9月30日长沙,超（超）临界机组锅炉的用钢特点,在燃煤含硫量很低、烟气腐蚀性很小的条件下，从蠕变强度角度考虑，SC、USC锅炉过热器、再热器，当壁温≤600℃时，可选用T9l钢；当壁温≤620℃时，可选用T92、T122、E9ll钢；当壁温≤650℃时，可选用NF12、SAVE12钢。当燃用含硫量高腐蚀性大的燃煤时，当壁温≥600℃时（蒸汽温度≥566℃），过热器、再热器应选择TP304H、TP32lH、TP316H、TP347H奥氏体耐热钢。而Super304H和TP347HFG两种细晶奥氏体耐热钢蠕变强度高，抗烟气腐蚀和抗蒸汽氧化性能更好，在超超临界锅炉过热器、再热器用钢中得到广泛的应用。当壁温达700℃时，过热器、再热器只能选用高铬耐热钢NF709、SAVE25和HR3C等。目前，我省湘潭发电有限责任公司超临界锅炉屏式过热器、高温过热器、高温再热器炉内管屏使用的钢材就是TP347H奥氏体耐热钢。,P12,2020年9月30日长沙,超（超）临界机组锅炉的用钢特点,3联箱与管道由于联箱（末级过热器、末级再热器出口联箱）与管道（主蒸汽管道、导汽和再热蒸汽管道）布置在炉外，没有烟气加热及腐蚀问题，管壁温度与蒸汽温度相近。这就要求钢材应具有足够高的持久强度、蠕变强度、抗疲劳和抗蒸汽氧化性能，还要具有良好的加工工艺和焊接性能。,P13,2020年9月30日长沙,超（超）临界机组锅炉的用钢特点,由于铁素体耐热钢的热膨胀系数小、导热率高，在较高的启停速率下，不会造成联箱、管道厚壁部件严重的热疲劳损坏，所以铁素体耐热钢是联箱、管道的首选钢材。随着SC、USC锅炉蒸汽温度和压力参数的提高，要求使用热强性高的钢材，这样既可以提高联箱和管道运行的安全性，又可以减少因管壁过厚引起热应力的增加以及给加工工艺带来的困难。所以，SC、USC锅炉的联箱和管道，当壁温≤600℃时，选用P91钢；当壁温≤620℃时，选用P92、P122和E9ll钢；当壁温≤650℃时，选用NF12和SAVE12钢。,P14,2020年9月30日长沙,超（超）临界机组锅炉用钢种类,新型铁素体耐热钢及其特点铁素体耐热钢的发展可以分为两条主线，一是纵向的主要耐热合金元素Cr成分逐渐提高，从2.25Cr到12Cr；一是横向的通过填加V、Nb、Mo、W、Co等合金元素，600℃105h的蠕变断裂强度由35MPa级向60MPa级、100MPa级、140MPa级、180MPa级发展。另外一条思路就是选用耐温等级更高的奥氏体不锈钢。,P15,2020年9月30日长沙,随着超（超）临界火电机组锅炉蒸汽参数的提高，所用钢材逐渐变化，级别逐步提高，仅以高温受热面管、蒸汽管为例,含Cr≤3％的低合金耐热钢,含9～12Cr的铁素体（含珠光体、贝氏体、马氏体）耐热钢,含18～25％Cr的奥氏体耐热钢,,,铁素体耐热钢的发展,P16,2020年9月30日长沙,,铁素体钢发展的两条主线纵向的主要耐热合金元素Cr成分逐渐提高，从2.25Cr到12Cr；横向的通过填加V、Nb、Mo、Ｗ、Ｃo等合金元素，600℃、10５小时的蠕变断裂强度，由35Mpa级向60MPa级、100MPa级、140MPa级、180MPa级发展。,P17,2020年9月30日长沙,,15Mo≤530℃12CrMo≤540℃15CrMo≤540℃12Cr1MoV≤580℃15Cr1Mo1V≤580℃10CrMo910≤580℃,传统的铁素体耐热钢及最高使用壁温为,P18,2020年9月30日长沙,超（超）临界火力发电机组用钢及焊接技术论坛,美国能源部委托橡树岭国家试验室（ORNL）与燃烧工程公司（CE）联合研究用于快速中子增殖反应堆计划的钢材，开始改进原有的9Cr1Mo钢，以研究开发一种新的9Cr-1Mo钢，要求这种新钢种综合了早期9Cr和12Cr钢的性能，并具有良好的焊接性。,典型的新型铁素体热强钢T91/P91钢,P19,2020年9月30日长沙,到1980年,测试了超过一百种成分的试验样品，最后确定为改良型9Cr-1Mo钢，即T/P91钢，经试验该钢在593℃／10万小时条件下的蠕变断裂强度达到100MPa，韧性也较好，从技术和经济角度分析，这种钢与EMl2比，Mo含量减少一半，Nb、V也低。ASME,P20,2020年9月30日长沙,1982年橡树岭国家试验室进行了对比试验，发现这种改进的9Cr-1Mo钢优于EM12和F12。1983年美国ASME认可了这种钢为T91、P91，即SA213-T91、SA335-P91。1987年法国瓦鲁瑞克公司针对T91与Fl2和EM12的比较评估研究发表技术报告认为T91、P91有明显优点，强调要从EM12转为使用T91、P91。80年代末，德国也从F12转向T91、P91。T91钢可用于壁温≤600℃的过热器、再热器管，P91钢可用于壁温≤600℃的联箱和蒸汽管道。,P21,2020年9月30日长沙,蠕变强度偏离预测值下降的问题。这种发现，对于高Cr铁素体耐热钢的发展前景，从理论上和应用上都提出了新课题，促进了概念更新并向更先进耐热钢的发展，同时也限定了T/P91钢的使用温度极限为593℃。,,,自美国20世纪80年代开发应用T/P91钢以来，T/P91钢在全世界得到广泛应用。1996年日本金材所报道了该钢长时间蠕变后（600℃、650℃，36Mpa，10万小时），,P22,2020年9月30日长沙,锅炉用铁素体钢的发展,P23,2020年9月30日长沙,部分锅炉用铁素体钢的化学成分,P24,2020年9月30日长沙,,许用应力,P25,2020年9月30日长沙,,设计壁厚,P26,2020年9月30日长沙,新型铁素体耐热钢的焊接,P27,2020年9月30日长沙,焊接P91新型铁素体耐热钢的历史回顾自1996年原电力部电力规划设计总院管道小组提出“关于我国火电厂主蒸汽管道采用P91钢的建议”开始1999年10月山东日照召开了“P91、15X1M1Ф钢焊接技术研讨会”，颁发了“T91/P91钢焊接暂行规定”2002年10月以电源质[2002]100号文颁发了“T91/P91钢焊接工艺导则”2004年颁发DL/T869-2004,P28,2020年9月30日长沙,新型铁素体耐热钢的焊接性主要指T23/P23、T24/P24、T91/P91、T92/P92（E911、NF616）、T122/P122等钢。▲焊接性的主要问题是▲焊接冷裂纹；▲焊缝韧性低；▲热影响区软化及Ⅳ型裂纹。▲这类钢的热裂纹和再热裂纹不敏感。,P29,2020年9月30日长沙,□冷裂纹敏感性这类钢的C、S、P等元素含量低，且具有晶粒细、韧性高的特点，其焊接冷裂纹倾向大为降低。但除T23/T24钢之外，其余的钢具有一定的冷裂纹倾向，焊接时必须采取一些必要的预防措施。冷裂纹敏感性按照以下顺序增高T23→P92→P122→P91→P22；而合金元素含量是按以下顺序增加P22→T23→P91→P92→P122。与采用传统碳当量评估冷裂纹结果不一致。,P30,2020年9月30日长沙,,T23、P91、P22钢焊接接头斜Y坡口试验裂纹率与预热温度间的关系,P122（HCM12A）、P91钢焊接接头斜Y坡口试验裂纹率与预热温度间的关系,,P91,P22,T23,P31,2020年9月30日长沙,P92（NF616）钢焊接接头斜Y坡口试验裂纹率与预热温度间的关系,P32,2020年9月30日长沙,□焊缝韧性低焊缝是由温度非常高的熔融状态冷却下来的铸造组织，不具备细晶强韧化的条件。由于熔池的高温以及快速的凝固冷却，熔敷金属中的Nb、V等微合金化元素可能仍大部分固溶在金属中，不能获得以极细颗粒弥散析出的Nb、V碳氮化合物和高度细化了的晶粒。单一固溶强化降低焊缝韧性。在采用P91钢管作为主蒸汽管焊接过程中也遇到了焊缝韧性劣化问题。,P33,2020年9月30日长沙,影响P91钢焊缝金属韧性的因素及改善途径焊接方法的影响▲钨极氩弧焊（GTAW）焊缝的冲击韧性已超过P91钢母材的韧性；▲熔化极氩弧焊（GMAW）焊缝金属的冲击韧性数值分散；▲手工电弧焊（SMAW）焊缝金属的冲击韧性已满足ASME和EN标准要求；▲埋弧焊（SAW）焊缝金属的韧性最差。,P34,2020年9月30日长沙,,P35,2020年9月30日长沙,2焊缝金属化学成分的影响当焊缝金属成分与母材成分完全一致时，其冲击韧性较低。P91钢中Cr、Mo、V、Nb等铁素体形成元素较多，若焊缝与母材的化学成分相同，那么在焊缝冷却凝固过程中，在焊缝中很容易形成δ-Fe。美国CE公司的铬当量公式CreqCr6Si4Mo1.5W11V5Nb9Ti12Al-40C-30N-4Ni-2Mn-1Cu当Creq≤10时，不会出现δ-Fe；Creq≥12时，出现δ-Fe；Creq值越高，δ-Fe的含量越高。,P36,2020年9月30日长沙,3预热、层间温度的影响P91钢的预热温度和层间温度为200℃即可，考虑到壁厚的影响，控制在200℃300℃为宜。过高的预热温度和层间温度，对防止冷裂纹没有必要，而且还会因在焊接热循环的共同作用下，使焊缝金属在高温（1100℃以上）停留时间长，晶粒长大变脆，至使焊缝金属韧性降低。,P37,2020年9月30日长沙,4焊接热输入量的影响采用大焊接热输入量、高的层间温度（60kJ/cm,250℃350℃）时，韧性仅为3.919.5J/cm2，降低焊接热输入量和合适的层间温度（25kJ/cm；220℃250℃）时，韧性达到73.2113.6J/cm2。降低焊接热输入量（焊接参数）焊接电流焊接电压焊接速度充分利用“回火效应”，如焊层厚，这种“回火效应”就不明显。,,,,P38,2020年9月30日长沙,波兰焊接工作者得出的结论,,P91焊缝金属对第一次回火的温度敏感，在工艺设计时，应努力使先焊焊缝落在后焊焊道750℃以上的热影响区内，即每层焊层不能厚，防止焊态的熔敷金属,经历温度低于750℃的第二次热循环或回火。,P39,2020年9月30日长沙,,,某单位P91钢焊接实例,P40,2020年9月30日长沙,某单位T23钢焊接实例,P41,2020年9月30日长沙,5焊后热处理规范的影响,P91钢在RT下纯焊缝金属PWHT条件（温度/时间）对焊缝冲击韧性的影响,必须充分参考所选择的焊接材料说明书上提供的热处理时间，通过工艺评定来确定。,,,,P42,2020年9月30日长沙,□影响区软化及Ⅳ型裂纹HAZ外端低于临界温度的回火作用或在临界温度范围内微观结构的变化，硬度下降的部位（软化带）。P91这类铁素体耐热钢在高温长期运行中，往往在焊接接头的软化区发现裂纹。（Ⅳ型裂纹）尽力使热影响区软化带变得窄一些，软化带宽度越窄。,P43,2020年9月30日长沙,新型铁素体耐热钢焊接及焊后热处理工艺1、确定T/P91新型铁素体耐热钢焊接及焊后热处理工艺考虑的因素2、焊接工艺方法的选用3、焊工资质与能力培训4、焊接材料的合理选配5、坡口形状6、预热及层间温度7、组装点固焊8、TIG打底焊及管内充氩保护,P44,2020年9月30日长沙,9、焊接热输入量10、焊接操作技术11、焊后后热及中间冷却温度与时间12、焊后热处理温度、时间和升温速度13、推荐新型铁素体钢的焊接及焊后热处理工艺热参数,P45,2020年9月30日长沙,新型铁素体耐热钢及其异种钢的焊接异种钢的分类1912Cr钢与其它低合金耐热钢焊接29Cr钢与12Cr钢的焊接3铁素铁素体耐热钢与奥氏体不锈耐热钢焊接,P46,2020年9月30日长沙,焊接材料选用的可能类型美国AWSD10.8和英国BS2633工艺标准提供了一些指导性意见。在AWSD10.8中列举了四种可能的选择。a焊缝成分与低合金钢一侧材料的成分一致（低匹配）。b焊缝金属与高合金材料侧成分一致，用9Cr-1Mo-V合金系统焊材（高匹配）。c焊缝金属取两种材料中间的成分如5CrMo或9CrMo（中间匹配）。d焊缝金属采用镍基合金焊材。,P47,2020年9月30日长沙,焊接焊接材料选用的原则及规范a基本原则一般选择均偏向取低合金成分。bBS2633规范与基本原则相似，但建议涉及P91钢的异种钢焊接时，宜选用9CrMo焊材。尤其强调了镍基合金材料的采用。cAWSD10.8规范则认为无须使用镍基，除非P91钢是与奥氏体不锈钢或镍基合金相焊接。d镍基合金的使用在一定程度上影响NDT检测的范围。,P48,2020年9月30日长沙,新型奥氏体耐热钢特点及其发展奥氏体耐热钢的高持久强度和优良的耐蚀性，是其它耐热钢无法比拟的。高蒸汽参数锅炉的过热器、再热器、厚壁集箱和主蒸汽管道的高温段运行条件恶劣，因此需要更高持久强度和抗热腐蚀性的锅炉用钢。奥氏体以其优异的综合性能使它称为发展超超临界机组的重要耐热材料。按照成分和ASME标准习惯，将奥氏体钢分为18％（以18Cr-8Ni为代表）和20％-25％Cr（以合金800H为代表）两大系列，超（超）临界奥氏体用钢都是以着两类代表添加合金元素发展而来的。,P49,2020年9月30日长沙,新型奥氏体耐热钢特点及其发展最初人们将18－8不锈钢当作耐热钢来使用，把它们用来制作管壁温度高于580℃部分的过热器、再热器。虽然18－8不锈钢具有热强性稳定，抗腐蚀性和抗氧化性优良的特点，但蠕变断裂强度水平较低，若用它来制作蒸汽管道和集箱，壁厚就会很厚。并且，其导热性差、线胀系数大、对应力腐蚀和热疲劳敏感等缺点也逐渐暴露出来。二十世纪80年代，人们不断通过添加合金成分改善这类钢的性能，利用Ti、Nb、Mo等形成稳定碳化物在晶内固溶析出，改善了抗晶间腐蚀能力，同时提高了强度；科研人员发现添加适量的Ti、Nb、Mo合金元素可促使析出金属间化合物进一步脱溶强化奥氏体耐热钢，由此开发出了一系列新的热强度较高的奥氏体耐热钢。现今在火电用的较多是HGrade的耐热钢，其中常见的是ASMETP304H、TP347H、TP316H。二十世纪90年代末，HGrade系列奥氏体已经发展到热强性更高的TP347HFG、TempaloyA-1、Super304H等钢种；而20％-25％Cr系列在原来800合金的基础上发展成NF709、HR3C、TempaloyA-3等钢种。,P50,2020年9月30日长沙,新型奥氏体耐热钢总合金元素的作用Mo能显著地提高钢蠕变极限和持久强度极限。Mo能够使钢的再结晶温度显著升高，并使得在变形后的回复温度显著提高，在450℃～600℃的温度范围，能有效地抑制渗碳体的聚集，并促进弥散的特殊碳化物析出。Mo是决定奥氏体耐热钢的高温蠕变断裂强度地重要合金元素之一，它起到了固溶强化作用。Ti地加入可使得奥氏体耐热钢的耐热性显著提高。由于Ti是强碳化物形成元素，能在钢中形成稳定的碳化物TiC，而一般不和其它合金元素联合形成复合碳化物，提高了热强性和耐热性。另外，Ti能有效的提高奥氏体耐热钢抗晶间腐蚀的能力。Nb同Ti一样都是强碳化物形成元素，能形成稳定的碳化物NbC，这种碳化物极为稳定，它能够显著的提高钢的蠕变极限和持久强度，特别是V和Nb复合加入时效果更明显。另外，Nb能提高钢的耐热性是由于能形成稳定的碳化物和Lave相（NbFe2），弥散强化较好。N体现在两方面一方面起固溶强化作用，但常温下氮在钢中的溶解度很小；另一方面，热处理过程中，将先后出现V（C，N）析出起到弥散强化，大大提高了持久强度。,P51,2020年9月30日长沙,新型奥氏体耐热钢总合金元素的作用Cr主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力和固溶强化效果。它一方面奥氏体耐热钢中含铬量较高，易形成Cr2O3氧化膜，使得材料具有优良的抗常温、高温氧化性能；另一方面可以形成M23C6型碳化物，在基体内起到较好的碳化物强化效果。Ni可提高钢的强度，但是对塑性的影响不明显。一般说来，一定的Ni能提高钢的强度，而不显著地降低其韧性。另外，Ni作为奥氏体稳定化元素，在耐热钢中加入适量地Ni，获得稳定奥氏体组织从个人提高钢地抗蠕变能力。V在耐热钢中形成地碳化物即使在较高地工作温度下，也比较难于聚集，这就提高了钢的耐热性。当V的碳化物呈弥散状态存在于钢中时，则使钢的蠕变极限提高，有利于高温运行过程中的组织性质稳定性Cu在钢中不易形成碳化物，但是适量的Cu可以起到复合强化的效果在Cu溶于基体中，对基体起到了固溶强化；经固溶处理后Cu可产生沉淀强化作用。B微量的B可以提高品奥氏体钢的耐热性，晶内B原子固溶强化的作用，分布在晶界上的B原子显著强化金属晶界。,P52,2020年9月30日长沙,新型奥氏体不锈钢的名义化学成分（Wt％）,P53,2020年9月30日长沙,新型奥氏体耐热钢的性能及强化方式18％Cr系列TP347H钢的成材工艺为热轧→软化处理→冷拔→固溶处理，软化处理的温度在900℃～1000℃之间，固溶处理温度为1050℃～1150℃。TP347H中NbC充分固溶，细小弥散分布的MX型碳化物的强化效果，使得使得材料具有良好抗高温蠕变、疲劳的性能，具有较高的短时拉伸性能和各种高温长时性能的同时，又具有抗高温氧化和高温蒸汽腐蚀。此后，日本住友公司在TP347H基础上开发出来性能更为优良的TP347HFG（Fine-grain）。住友公司改进了制造工艺，将软化处理温度提高到1250℃～1300℃，使得NbC这类MX型碳化物充分固溶析出，固溶处理温度丛本保持不变，析出NbC既限制了晶粒长大，又提高了蠕变断裂强度。新工艺得到的晶粒细化到8级以上，从而具备更优良的抗高温蒸汽腐蚀性能，对提高过热器管的稳定性起到了重要的作用。,P54,2020年9月30日长沙,新型奥氏体耐热钢的性能及强化方式20％Cr～25Cr系列这类钢抗烟气侧、蒸汽侧的腐蚀性能极其优异，因而广泛应用于烟气、蒸汽腐蚀较为严重的管段。由于管道的外壁烟气侧的腐蚀容易导致管壁减薄；而内壁蒸汽氧化而生成蒸汽氧化层，随着热应力的作用，导致氧化层剥离，堆积在管子的弯曲部位，会使管子发生过热而爆管，剥离层也会造成汽轮机翅片的损伤，因此在腐蚀严重管段选择抗蚀性能优异的20％Cr～25Cr钢是极其必要的。Cr含量对不锈钢的蒸汽氧化层有很大的影响，Cr含量越多，氧化层生成越慢。20％～25Cr系列钢和高Cr高Ni钢，蠕变强度高，抗蒸汽氧化性能好，但是价格过高限制了其使用。新近开发的20％～25Cr系列钢，就是基于“降低Ni含量，加入固溶N、Cu来稳定奥氏体”的设计思想开发的。在当Cr含量为25％时，N可以达到最大溶解度。因此可以增加钢中N含量以改善材料的高温强度并稳定奥氏体相。这样使得材料不但具有优异的抗蒸汽氧化性能和耐烟气腐蚀性能，且成本低廉，以下主要介绍HR3C。,P55,2020年9月30日长沙,新型奥氏体耐热钢的性能及强化方式HR3C25Cr-20Ni-Nb-N或TP310NbNHR3C是上世纪80年代初期日本住友公司在TP310基础上添加NbN改进的耐热钢。材料经过真空感应熔炼、锻造、冷轧和在1200℃保温30min的固溶处理。HR3C持久强度高于TP347H、TP310和Alloy800H，且组织稳定性相比也优于310钢，具有较高的高温强度；具有较好的加工性和焊接性；由于含有较高的Cr含量，HR3C的抗蒸汽氧化性和高温抗腐蚀性能要优于常规的18-8不锈钢，而与具有相同Cr含量的310钢性能类似。在650℃下煤灰腐蚀减量在10mg/cm2以下（达到了ASME相应标准）；而且650℃、500h的抗蒸汽氧化性能试验表明，HR3C钢平均氧化铁皮厚度在2.5μm以下。通过对HR3C钢时效得到沉淀析出物分析，沉积于晶间的主要是碳化物M23C6，而晶内则是M23C6碳化物和NbCrN氮化物。NbCrN氮化物非常细小，其长大速度相当慢，故而即使经长时间的时效也相当稳定。固溶N和微细的NbCrN氮化物强化了HR3C，使其具有优良的持久强度。,P56,2020年9月30日长沙,新型奥氏体耐热钢的性能及强化方式HR3C25Cr-20Ni-Nb-N或TP310NbNHR3C是上世纪80年代初期日本住友公司在TP310基础上添加NbN改进的耐热钢。材料经过真空感应熔炼、锻造、冷轧和在1200℃保温30min的固溶处理。HR3C持久强度高于TP347H、TP310和Alloy800H，且组织稳定性相比也优于310钢，具有较高的高温强度；具有较好的加工性和焊接性；由于含有较高的Cr含量，HR3C的抗蒸汽氧化性和高温抗腐蚀性能要优于常规的18-8不锈钢，而与具有相同Cr含量的310钢性能类似。在650℃下煤灰腐蚀减量在10mg/cm2以下（达到了ASME相应标准）；而且650℃、500h的抗蒸汽氧化性能试验表明，HR3C钢平均氧化铁皮厚度在2.5μm以下。通过对HR3C钢时效得到沉淀析出物分析，沉积于晶间的主要是碳化物M23C6，而晶内则是M23C6碳化物和NbCrN氮化物。NbCrN氮化物非常细小，其长大速度相当慢，故而即使经长时间的时效也相当稳定。固溶N和微细的NbCrN氮化物强化了HR3C，使其具有优良的持久强度。共性采用细晶强化、金属间化合物强化等复合强化机制，使得这类新型的奥氏体耐热钢具有更高的蠕变强度和抗氧化性能,P57,2020年9月30日长沙,新型奥氏体耐热钢焊接难点及处理措施为了保证焊接街头和母材具有较佳的匹配性，焊接材料的选取也必须为奥氏体型焊接材料。奥氏体耐热钢由于热膨胀系数大，导热性能差，在焊接和使用焊接Cr、Ni纯奥氏体钢过程中容易出现下列问题a.焊接裂纹焊接Cr、Ni纯奥氏体钢容易出现焊接高温裂纹，它们是结晶裂纹，高温液化裂纹和高温脆性裂纹。熔融的熔敷金属在凝固结晶过程中，当残留在凝固晶粒间的液体薄膜被收缩应力拉开而又不能用足够的液体金属填充满时，就会形成结晶裂纹，这种裂纹常出现在焊缝中，尤其容易发生在焊缝收尾部分和弧坑处。在焊接热影响区的过热区，焊接的高温加热，使该区域母材局部熔化，在冷却时的凝固过程中，局部熔融的母材金属的晶界也可能出现上述晶间的液体薄膜被拉开而无法填补的现象，导致在热影响区的过热区形成裂纹，这种裂纹称为高温液化裂纹。高温液化裂纹发生在热影响区的母材过热区中，在多层多道焊情况下，也可能发生在焊缝中的焊层间和焊道间的热影响区中。,P58,2020年9月30日长沙,新型奥氏体耐热钢焊接难点及处理措施上述这些裂纹都与材料中的Ni、C、Si、Nb、S、P、Sn、Sb等元素的含量有关。它们会明显提高形成这些裂纹的敏感性，其中Ni、Nb是必须按量加入的，其它元素的含量就成为避免这类裂纹首先要给子严格限制的了。据此，可以理解为什么随着Cr、Ni含量的提高，对C、S、P含量的限制就越加严格，控制的含量水平也越低。这个原则也必然成为选择和设计焊接这类钢熔敷金属成分的准则。用可调拘束法试验TP347HFG、super304H、HR3C、NF709四种钢的裂纹敏感性，其结果和刚性固定法试验的结果大致是一致的。四种钢的裂纹敏感性增大次序是TP347HFG→super304H→HR3C→NF709。其中TP347HFG和Super304H的裂纹敏感性明显低于TP347H钢，HR3C和NF709的裂纹敏感性略高于传统的TP347QMQ。此外，TP347HFG和Super304H焊缝的裂纹敏感性远比热影响区的高。,P59,2020年9月30日长沙,新型奥氏体耐热钢焊接难点及处理措施b.接头抗腐蚀性能的降低刀状腐蚀18-8型Cr-Ni奥氏体钢焊接以后若经过敏化，接头的HAZ可能发生晶间腐蚀。含有稳定化元素的Cr-Ni奥氏体钢焊接以后经过敏化虽然不会出现HAZ的晶间腐蚀，但可能会呈现刀状腐蚀。应力腐蚀发生在含有Cl的介质中，而目介质温度愈高愈容易发生应力腐蚀破裂。Cr-Ni奥氏体钢最容易发生应力腐蚀的温度范围是50℃～300℃，经常发生。火力发电厂奥氏体不锈钢应力腐蚀大多是在热水或高温水和氯化物介质中发生的。在这种条件下影响应力腐蚀破坏的因素主要有介质的特性、应力、冷作变形和钢材的成分。,P60,2020年9月30日长沙,新型奥氏体耐热钢焊接难点及处理措施b.接头抗腐蚀性能的降低在热水和高温水（或水蒸汽）介质中，氯离子和氧离子的浓度对应力腐蚀有重要影响，随着氯离子含量的增加，应力腐蚀破裂速度加快。但是溶解氧对应力腐蚀破裂起了决定性的作用，一般情况下，在仅有微量Cl而没有氧存在的情况下，Cr-Ni不锈钢不会产生应力腐蚀。可见溶解氧和氯离子的同时存在是产生应力腐蚀的必要条件。一般认为应力腐蚀应力σ和破裂的时间ts间的关系可用方程表示为logts＝abσ（a、b为常数）（3）显然应力增加应力腐蚀破裂速度加快。冷加工变形和钢材成分对应力腐蚀破裂的具有明显的影响。,P61,2020年9月30日长沙,新型奥氏体耐热钢焊接难点及处理措施c.接头的脆化Cr-Ni纯奥氏体钢在固溶状态下具有优良的塑性。除了TP347H/HFG、TP304H以外，其余新型奥氏体耐热钢都含有众多提高其高温蠕变强度的沉淀强化元素。材料在高温运行过程中，这些元素逐渐以碳化物、氮化物或金属间化合物形式弥散析出，它们在强化材料的同时，明显降低材料的塑性和韧性。试验表明这类钢本身的时效脆化倾向是很大的，再也容不得发生σ相脆化。用这些钢材制成的锅炉部件，其运行温度恰好是这些钢σ相析出的温度区。因此钢材在开发设计时就考虑到要避免析出σ相而脆化的倾向。焊缝金属也会有这种时效脆化的倾向，因此除了上述由于时效造成的脆化以外还需要防止σ相脆化。焊接时如果焊接材料选择得正确，也就可以避免σ相脆化的危险。,P62,2020年9月30日长沙,焊接新型奥氏体钢的工艺原则焊接这类钢首先要克服的是焊接裂纹，在获得完整的焊接接头情况下，还要避免接头发生应力腐蚀破裂和焊缝σ相脆化的危险。因此为了防止焊缝发生高温裂纹，只能采用降低焊接热输入、降低层间温度的工艺方法和工艺措施，也就是说，应尽量采用焊接热输入低的TIG焊工艺以及确保层间温度低的短焊道和间断焊方法。对直径不大管壁不厚的小直径管的焊接来说，更希望采用全氢弧焊焊接。熔敷金属的选择只能考虑选择采用和母材成分相同且杂质含量低的材料或采用镍基焊材如Inconel82等焊材。为了防止发生应力腐蚀破裂，需要确认施工过程以及随后的储存、运输、运行过程中是否存在有氯离子，如果无法避免氯离子对焊接热影响区的污染，就需要进行焊后固溶处理以消除焊接应力。此外焊接和焊后热处理以后应避免进行冷作变形加工。,P63,2020年9月30日长沙,焊接异种钢常见问题第一，靠近熔合线的焊缝金属出现过渡层，称为凝固过渡层。在通常的手工电弧焊情况下这个凝固过渡层的厚度在100μm左右。第二，由于熔合线两侧存在悬殊的成分差别，促使碳元素在焊后热处理或随后的加热过程中不断地从低合金侧向高合金侧迁移，使高合金侧增碳形成增碳层，低合金侧脱碳出现脱碳层。第三，成分和组织不同的母材其线膨胀系数不同，使焊接的应力和变形比同种钢焊接时大，而且不可能用焊后热处理方法加以消除。这些问题现在都已不难解决并已经有了明确的工艺原则。,P64,2020年9月30日长沙,新型耐热钢异种钢焊接接头的早期失效特征a.失效是脆性的。是由蠕变损伤造成的脆性失效。从宏观上看，破坏断裂发生在低合金材料和高合金焊缝的熔合界面－融合线上（图1），显微观察发现，在以奥氏体作为填充金属的接头中，失效发生在距熔合线l～2个晶粒的铁素体钢内，裂纹在该处原始奥氏体晶粒的晶界上形成并发展（图2）,图1过热器异种钢接头早期失效断口,图2失效接头的切面金相,P65,2020年9月30日长沙,新型耐热钢异种钢焊接接头的早期失效特征a.失效是脆性的。在以镍基合金材料为填充金属的接头中，失效发生在熔合线上，如图3、4中可以看到，在以镍基合金材料为填充金属的接头中，沿熔合线上析出球块状的碳化物，使熔合线成了一个薄弱面，蠕变裂纹就沿着这些碳化物形成和发展。一旦在熔合线上形成了I型碳化物，接头的寿命就会大大减短。图4中沿熔合线排列的球块状碳化物被称作I型碳化物。在以奥氏体不锈钢作为填充金属的接头中，低合金材料和高合金焊缝的溶合界面附近形成细小颗粒的扩散型碳化物，如图5。早期失效.doc,P66,2020年9月30日长沙,新型耐热钢异种钢焊接接头的早期失效特征b.失效与焊接缺陷无直接关系，尤其对已经运行了5年的接头，焊接缺陷的影响就更小。c.运行后的接头通常没有明显的脱碳层，故失效非直接因脱碳层蠕变强度低所造成的。d.失效是由蠕变裂纹引起的，在镍基填充金属的接头中，蠕变裂纹是伴随着沿熔合线析出的大颗粒碳化物生长。e.失效与氧化缺口也无直接关系，氧化缺口发生在接头外表面并以垂直于外表面的方向发展，如图，而早期失效引起的蠕变裂纹则是沿熔合线的铁素体钢发展。,P67,2020年9月30日长沙,控制异种钢早期失效的措施综合国内外研究成果，可以认为电站异种钢接头存在早期失效倾向。它是由于异种钢材料的蠕变强度差别所引起的低强材料界面蠕变损伤加速造成的。缩小异种钢接头两种材料间的蠕变强度差是降低早期失效倾向的首选措施。降低接头在运行中温度升降时的热应力、避免低强材料界面过早出现I型碳化物可望减小接头的早期失效倾向。选择线胀系数和低强母材相近的材料作为填充金属、适当地选择较大的坡口角、适当加大焊缝宽度，都能减小接头在升温降温时的热应力。对于奥氏体/铁素体钢异种钢接头，采用镍基填充材料、焊后进行相应的高温回火能减小接头的早期失效倾向。对于铁素体/铁素体钢异种钢接头，选择与低强母材蠕变强度相同或相近的材料作为填充金属能减小接头的早期失效倾向。,P68,2020年9月30日长沙,关于奥氏体不锈钢的固溶处理,讨论固溶处理处理的背景我省首台超临界机组锅炉高温过热器，材质为国产SA-213TP347H，规格φ457.8mm。自168试运行通过后，累计运行时间不到500小时，相继两次发生弯管内弯侧周向裂纹泄漏，发生泄漏报警时所带工作负荷均约为360MW，过热蒸汽工作压力17Mpa，温度560℃。,P69,2020年9月30日长沙,关于奥氏体不锈钢的固溶处理,讨论固溶处理处理的背景1号管裂纹位置1号管裂纹观察,P70,2020年9月30日长沙,关于奥氏体不锈钢的固溶处理,讨论固溶处理处理的背景5号管裂纹位置5号管裂纹