李華
(華電能源牡丹江第二發(fā)電廠,黑龍江 牡丹江 157015)
在超超臨界(USC)機組中,鍋爐水冷壁管壁溫度可升至513℃,瞬間最高溫度甚至可達540℃,如果仍采用傳統(tǒng)的鐵素體-貝氏體耐熱鋼,如A213-T12和A213-T22來制作,已不能滿足要求,并且,焊后極易產生扭曲變形,且這種扭曲變形是極難矯正的。因此需要采用合金含量更高,熱強性更好的鋼材,SA213-T23鋼便是其中之一。而T23鋼在550℃時具有很高的抗蠕變性能和焊態(tài)低硬度的特征,是很好的替代材料。目前,國內引進的600MW超臨界鍋爐的過熱器開始采用T23鋼,因此,掌握T23鋼的焊接工藝特點和焊接方法勢在必行。
焊接工藝試驗著重于分析焊前預熱溫度、焊接材料、焊接方法及焊后熱處理工藝對T23鋼焊接接頭性能的影響。
2.1 焊接材料:試驗采用的焊接材料為德國蒂森公司生產的焊絲和焊條,其化學成分見表1
2.2 焊接工藝試驗條件:管材為T23鋼,¢45mm*7.8mm,焊絲UNONICr2WV,焊條THYSSEN Cr2WV.焊接方法采用Ws或Ws/Ds,預熱溫度100℃或不預熱,焊后熱處理,不熱處理或(730~750)℃*1h電阻爐或火焰熱處理,氬氣流量8~10L/min.
2.2.1 第1次試驗設計了3組方案:A組采用Ws/Ds工藝,焊后進行熱處理:B組采用Ws全氬弧焊工藝,焊后進行熱處理:C組采用Ws全氬弧焊工藝,但焊后不進行熱處理。焊接位置為2G,5G,具體方案內容見表2,試驗結果見表3。
對試驗結果進行分析可知,焊縫抗拉強度、抗彎性能及硬度均能滿足要求,但沖擊韌度很低(沖擊試樣尺寸為10mm*55mm*5mm)總體表現(xiàn)為:全氬弧焊優(yōu)于氬電聯(lián)焊,焊后熱處理,橫焊優(yōu)于吊焊。分析原因主要是全氬弧焊工藝熱輸入小,組織晶粒細小,經過熱處理后的焊縫晶粒進一步行到細化:而橫焊的層道數(shù)多于吊焊,后一焊道對前一焊道起到了類似回味火的作用。試樣焊縫硬度過高,整體沖擊韌度低。經分析熱處理電阻爐溫控不準,導致實際溫度大大低于設定溫度所致。
2.2.2 第二次試驗:針對第1次試驗的結果,此次試驗采用全氬弧焊工藝,采用遠紅外熱處理設備,并將道溫度控制在200-300℃。為了減輕根層焊道燒焦現(xiàn)象,取消焊前預熱。
由于焊縫抗拉彈度、抗彎性能和硬度均能滿足要求,焊后不再進行上述試驗,只進行沖擊韌度的對比分析。由于橫焊的試驗結果優(yōu)于吊焊,因此僅分析吊焊焊縫的沖擊韌度。焊接電流100-120A,焊后進行(730-750)℃*1h回火處理,試件沖擊韌度分別為:275,59,222J/Cm2。
通過調整熱處理測溫點位置,解決了測溫不準的問題,同時降低道間溫度,吊焊位置的焊縫沖擊韌度有了明顯的改善。檢查3個沖擊試樣的斷面,出現(xiàn)低值的試樣斷面晶粒較其余兩個試樣的明顯粗大。為判斷上次吊焊試樣沖擊韌度低點是隨機出現(xiàn)還是有特定位置,以相同焊接工藝參數(shù)重新焊制試件,在管子的平焊位置、以相同焊接工藝參數(shù)重新焊制試件,在管子的平焊位置、向上爬坡位置、兩側水平焊位置和仰焊位置取5個沖擊試樣,試驗結果見表4。
表4 第2次試驗結果
由表4試驗結果可知,平焊和向上爬坡焊位置的試樣沖擊韌度較低,從試件斷口看,試件上半部分的晶粒明顯粗大,其原因是焊接時熱量眾下向上傳遞,上半部分焊縫冷卻速度慢,導致晶粒較大。
由上述兩次試驗結果可知,采用全氬弧工藝,焊前不預熱,道間溫度控制在200-230℃,焊后進行熱處理,并保證熱處理時測溫準確,即可獲得力學性能優(yōu)良的焊接接頭。
2.2.3 第3次試驗:施工現(xiàn)場熱處理條件不如試驗室,采用遠紅外加熱設備焊后對焊縫進行熱處理,不僅設備要求高,而且會導致施工效率低和工程成本大幅增加。因此此次試驗采用焊后立即用火焰加熱至730-750℃,同時用遠紅外測溫槍準確地測溫,隨后保溫緩冷,其它工藝參數(shù)不變,試驗結果見表5。
從以上試驗結果可以看出,采用火焰加熱處理的試件焊縫沖擊韌度較高,金相組織為回火貝氏體,而其平焊位置焊縫的沖擊韌度值仍較低,但在合格范圍內。隨后采用日本焊絲TGS-2CW代替德國焊絲UNION Cr2WV,采用焊后立即進行730=750℃火焰熱處理工藝,保溫緩冷,其它焊接工藝參數(shù)不變,試驗結果見表6。
2.2.4 仰焊位置
由以上試驗結果可知,無論是采用德國焊材還是日本焊材,采用焊后火焰熱處理均獲得了合格的焊接接頭。TGS-2CW的沖擊韌度值較高,焊縫晶力較為細小,對兩種焊絲的化學成分分析可知,UNION Cr2WV與母材T23更加接近,而TGS-2CW的Mo含量較高,W含量略低。而TGS-2CW較高的含Mo量,是否對焊接接頭高溫性能有影響,還需要進行更深入的研究。
(1)采用全氬弧焊焊接工藝,T23鋼無需焊接預熱即可獲得綜合性能良好的焊接接頭。(2)為獲得良好的沖擊韌性,對于T23鋼焊接接頭,應進行焊后熱處理,加熱溫度的選擇及層間溫度與熱處理溫度的準確監(jiān)控,是T23鋼焊接中不可忽視的關鍵因素。
[1]楊富,章應霖.新型耐熱鋼焊接.北京:中國電力出版社,2007.
[2]張信林,張佩良.焊接技術問答(第三版).北京:中國電力出版社,2005.
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