SUPER304H新型奧氏體耐熱鋼的焊接工藝研究

——超超臨界機組新型鋼焊接技術介紹2007-11-27

為提高電站機組熱效率、降低煤耗和發(fā)電成本，減少SO2、CO2等污染氣體的排放量，世界各國均以發(fā)展大容量、高效率的超臨界甚至超超臨界機組為主要方向，以適應環(huán)境保護和節(jié)約能源的要求。

超超臨界機組是當代火力發(fā)電廠的共同發(fā)展趨勢，鍋爐是火電機組的關鍵設備，其蒸汽參數達到26.25MPa、600℃，這就要求開發(fā)出耐高溫性能更好的耐熱鋼，目前，世界先進國家普遍采用的是新型細晶強韌化鐵素體耐熱鋼和新型細晶奧氏體耐熱鋼，SUPER304H就屬于新型細晶奧氏體耐熱鋼，主要應用于超超臨界鍋爐高溫過熱器、高溫再熱器等重要部件。一、概況2007-11-27SUPER304H是一種新型奧氏體型耐熱鋼，現主要應用于超超臨界機組鍋爐高溫過熱器和高溫再熱器等重要部件。該鋼焊接時主要問題是焊接熱裂紋和晶間腐蝕，通過焊接工藝評定獲得的試驗數據，制定出了該鋼種的焊接工藝。為我公司即將開始的海門、潮州以及即將興建的臺山、惠來、平海等1000MW超超臨界機組受熱面管子的焊接做好了充分的技術準備。二、課題研究必要性2007-11-27SUPER304H鋼是日本在TP304H鋼中添加了3%Cu、0.4%Nb和一定量的N開發(fā)出的新型鋼種，該鋼種具有極高的蠕變斷裂強度，在600~650℃下的許用應力比TP304H高30%，而且組織性能和力學性能穩(wěn)定，是超超臨界鍋爐過熱器、再熱器的首選材料。

SUPER304H鋼的化學成分：2007-11-27三、SUPER304H鋼成份及特點化學元素CMnSiSP百分比Wt%0.07～0.13≤1.00≤0.030≤0.010≤0.040化學元素NiCrCuNbN百分比Wt%7.50～10.5017.0～19.02.5～3.50.3～0.60.05～0.122007-11-27四、SUPER304H焊接工藝難點分析1，焊縫熱裂紋問題。2007-11-27四、SUPER304H焊接工藝難點分析2，晶間腐蝕問題。這是奧低體不銹鋼最危險的一種破壞形式。但是奧氏體不銹鋼不是任何時候都會產生晶間腐蝕，它與鋼的加熱溫度和加熱時間有關，產生晶間腐蝕的溫度為450~850℃（敏化溫度），尤其以650℃最為危險。2007-11-27五、焊接工藝措施的確定實踐證明，焊縫組織中鐵素體含量在2~3%時，就足以防止產生熱裂紋，但是過多的鐵素體將使焊縫變脆，反而不利，通常鐵素體含量應控制在5%以內。

針對SUPER304H焊接工藝難點，參考國內外有關資料，擬采取以下焊接工藝措施以獲得優(yōu)質焊接接頭。1、采用含有Ti和Nb添加劑的焊材，可有效避免焊接熱裂紋的產生。2007-11-27五、焊接工藝措施的確定焊接工藝：采用含有Ti和Nb添加劑的焊材，在焊接工藝上，采用堿性焊條，小電流、快速焊，收弧時盡量填滿弧坑以及采用氬弧焊等都可以避免熱裂紋的產生。2、防止晶間腐蝕的措施。2007-11-27五、焊接工藝措施的確定2、防止晶間腐蝕的措施。2007-11-27五、焊接工藝措施的確定基本參數母材牌號：SUPER304H；規(guī)格：

φ48.26×7.9mm；焊接位置：6G；焊接方法：鎢極氬弧焊；焊絲：

YT-304H（φ2.4mm）；坡口型式：V型；2007-11-27六、工藝方案的制定注意事項為保證根部質量，防止氧化，氬弧焊打底前先進行管內充氬氣保護；為了防止焊接接頭在敏化溫度范圍內停留時間過長而產生晶間腐蝕，并防止接頭過熱而產生熱裂紋，焊接時要采用小電流、快速焊、短弧多道焊。焊接時盡量不作橫向擺動。嚴格監(jiān)控焊接過程中的層間溫度，焊接過程中用手提式測溫儀進行溫度監(jiān)控，確保層間溫度不超過100℃。每層焊后用水快速冷卻。2007-11-27六、工藝方案的制定焊工應具備奧氏體不銹鋼管考試合格項目，并經使用YT-304H焊絲進行焊前練習，已掌握焊材、母材及焊機的性能與焊接工藝規(guī)范。焊前用角向磨光機打磨管件坡口附近及其內外壁15～20mm并見金屬光澤，如有油污，可用丙酮或酒精等有機溶劑擦拭，但不要用鋼絲刷或砂布進行清理。焊絲的選擇：奧氏體不銹鋼的焊接，常采用同材質焊接材料，因此，選擇日本日鐵住溶接工業(yè)株式會社生產的YT-304H（φ2.4mm）焊絲，其化學成分見下表。2007-11-27焊前準備化學元素CMnSiSP百分比Wt%0.113.200.200.0030.004化學元素NiCrCuNbN百分比Wt%15.9818.412.990.660.21試件對口鈍邊、間隙尺寸見圖1所示。在對口根部定位焊，定位焊后應檢查焊點質量，如有缺陷應立即清除，重新進行定位焊。定位焊后管子兩側及坡口周圍用膠布封堵做成氣室，上側先預留一個小孔，氬氣從下面充入管內，先用膠布把坡口周圍封住，充氬氣1分鐘后，通過觀察打火機熄滅情況判斷保護效果，滿足要求后方可施焊。定位焊及正常施焊過程中不得在管子表面試電流，隨便引弧。2007-11-27對口裝配及定位焊為防止根層焊縫金屬氧化，氬弧焊打底和第一層填充時管內均需充氬氣保護，氬氣流量為5~12L/min。施焊過程中氬氣的流量為8~12L/min。氬弧焊時各層的焊接規(guī)范參數見表4。表4：焊接規(guī)范參數2007-11-27焊接操作工藝焊層焊道焊接方法焊條（絲）電流范圍電壓范圍(V)焊接速度(mm/min)焊層厚度(mm)型(牌)號規(guī)格(mm)極性電流(A)1GTAWYT-304HΦ2.4直流正接76~819~1022~293.02GTAWYT-304HΦ2.4直流正接85~879~1025~282.03/1-2GTAWYT-304HΦ2.4直流正接85~939~1028~352.04/1-2GTAWYT-304HΦ2.4直流正接73~779~1022~272.0外觀檢查：表面無缺陷，外觀檢查符合DL/T868標準要求。射線探傷：檢驗標準為DL/T821-2002，未發(fā)現缺陷，質量等級為I級片。力學性能檢驗2007-11-27焊后檢驗2007-11-27力學性能取樣部位1，拉伸試樣2、3，側彎試樣4，沖擊試樣5，金相試樣根據GB2651-1989進行拉伸試驗，試驗結果如表5所示：2007-11-27拉伸試驗試樣編號寬度(mm)厚度(mm)斷面積(mm2)負荷值（N）抗拉強度(MPa)斷后斷裂處出現的缺陷斷裂位置種類數量Ws-169-488127.994.8650686.0無0斷母材Ws-169-488-1B127.994.8645680.0無0斷母材根據GB2653-1989進行面彎和背彎試驗，試驗結果如表6所示2007-11-27面彎與背彎試驗試樣編號寬度(mm)厚度(mm)壓頭直徑(mm)彎曲角度（°）缺陷情況結論面彎背彎Ws-169-488207.931.6180裂紋長

合格Ws-169-488-2B207.931.6180未發(fā)現缺陷合格Ws-169-488207.931.6180未發(fā)現缺陷合格Ws-169-488-3B207.931.6180未發(fā)現缺陷合格根據GB/T17394-1998進行布氏硬度（HBS）試驗，試驗結果見表72007-11-27硬度試驗試樣編號母材熱影響區(qū)焊縫硬度值（HB）結果IIIIIIIVV平均值169-4881-Ws√202195182191184191合格√215188192213196201合格√203209212185222206合格169-4882-Ws√183194188199215196合格√176192196194178187合格格微觀金相結論：最終焊接接頭得到奧氏體+δ鐵素體組織，符合要求。2007-11-27微觀金相檢驗母材圖(奧氏體組織)熔合線(奧氏體+δ鐵素體組織)熱影響區(qū)(奧氏體+細小δ鐵素體組織)針對SUPER304H鋼的成份、特點及焊接中需注意的事項，通過制定焊接工藝操作方案，嚴格按要求進行焊接工藝評定，試件的所有試驗結果均符合要求，說明制定的工藝評定參數是合理的，工藝評定獲得圓滿成功。我們認為對于SUPER304H鋼的焊接，關鍵在于操作中特別要注意以下幾項，嚴格按要求進行焊接，就可獲得優(yōu)質的焊接接頭。1、選擇與母材相配備，并含有一定量的鈮的焊接材料是避免產生晶間腐蝕和熱裂紋的重要措施。2、焊接操作中采用小電流、快焊速、短弧多道焊工藝措施，焊接過程中不作橫向擺動。3、為保證根部質量，焊口背面應采取充氬氣保護的措施。4、嚴格控制層間溫度，焊接過程中用手提式測溫儀進行溫度監(jiān)控，確保層間溫度不超過100℃，每層焊后用水快速冷卻，是防止產生晶間腐蝕的關鍵一環(huán)。2007-11-27結論1、《新型耐熱鋼焊接》楊富、章應霖、任永寧、李為民

中國電力出版社。2、TakaoKanandothers