T91與12Cr1MoV異種鋼小徑管TIG焊接工藝及操作技術模板

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發(fā)布人:中華焊工竇懷武1,費永敏2(1．國電靖遠發(fā)電有限公司,白銀

730919;2。大唐甘肅分公司焊培中心,蘭州730060)

摘要:本文針對T91/12Cr1MoV鋼管的性能,為滿足電站檢修焊接的需要,根據(jù)T91/12Cr1MoV異種鋼小口徑TIG焊口在電站檢修更換中焊接位置困難、空間狹小、難度大,易出現(xiàn)缺陷等實際狀況,研究分析了T91/12Cr1MoV異種鋼小徑管的焊接工藝原則,確定采用高強配比的焊接材料進行焊接。經(jīng)過焊接工藝評定試驗,在焊材選擇、工藝參數(shù)選擇等方面作了詳細論述,形成了一套嚴格及詳細的焊接工藝及及操作技術規(guī)范,對現(xiàn)場實際工作有著較高的指導作用。關鍵詞:異種鋼;小徑管;焊接工藝;操作技術;TIG。

作者簡介:竇懷武,男,1971年7月出生,甘肅蘭州人,大學學歷,國電靖遠發(fā)電有限公司生產技術部金屬監(jiān)督工程師,技師,長期從事電站金屬監(jiān)督及焊接管理等工作。

1.前言

隨著在電力工業(yè)的飛速發(fā)展,高參數(shù)、大容量、環(huán)保節(jié)能機組的不斷涌現(xiàn)。必然涉及到所用鋼材等級提高、品種增多、焊接結構日趨復雜等諸多不利因素,對金屬材料的焊接可靠性及焊接修復工作提出了更高的要求,大型電站檢修焊接不但要求焊接工作適應不斷變化的鋼材規(guī)格、品種及結構的需要,同時要求有足夠的焊接可靠性以及伴隨產生的結構可修復性。當前隨著異種結構的廣泛應用,焊接難度增加。這就要求廣大焊接工作者除了熟練掌握同種鋼材工藝的前提下,及時了解和掌握新材料、新工藝,設備更新,更重要的應是對多種異種結構的焊接工藝進一步的研究運用,評定實驗制定科學合理的焊接工藝,提供有效的技術支撐,在人員素質等諸方面調動焊接工作者的整體力量,使之盡快轉化為生產力,是眾多電站一線焊接工作者面臨的首要課題。本文經(jīng)過對靖遠第二發(fā)電公司300MW機組#5爐高溫段再熱器爆管更換減薄管的過程中出現(xiàn)的T91/12Cr1MoV異種鋼焊口易出現(xiàn)的缺陷,會同大唐甘肅發(fā)電有限公司焊培中心,經(jīng)過焊接工藝評定試驗,在焊材選擇、工藝參數(shù)選擇等方面作了詳細論述,形成了一套嚴格及詳細的焊接工藝及及操作技術規(guī)范,保證了換管焊接質量。

2.T91/12Cr1MoV異種鋼焊接性分析2.1SA213-T91鋼是一種改進的9CrlMo鋼,它是在9Cr1Mo鋼的基礎上經(jīng)過添加V、Nb等微量元素形成的。具有較低的熱膨脹系數(shù)和良好的導熱性,抗拉強度和屈服強度較高,特別是在高溫下具有較高的蠕變強度和持久強度及許用應力。在美國材料試驗學會(ASTM)和美國機械工程師學會(ASME)標準中,T91代表鍋爐用小管子,屬馬氏體鋼．具有良好的沖擊性能和高溫強度,當前,常見于火電廠鍋爐過熱器和再熱器管等。12CrlMoV鋼是一種常見的珠光體耐熱鋼．應用廣泛,常見來制造壁溫≤580℃的高壓、超高壓鍋爐過熱器管、聯(lián)箱和主蒸汽管道等,具有較好的焊接性能。2.2SA213-T91屬于馬氏體耐熱鋼,12Cr1MoV屬于珠光體耐熱鋼,化學成分及常溫機械性能見表1、2。前者淬硬傾向大,焊接性能差。焊縫及熱影響區(qū)極易產生高硬度馬氏體和貝氏體組織,使接頭脆性增加,殘余應力增大,導致產生冷裂紋。后者由于含碳及合金元素較多,焊縫及熱影響區(qū)容易出現(xiàn)淬硬組織,當焊件剛性及接頭應力大時,容易產生冷裂紋,焊后熱處理過程中易于產生再熱裂紋。當將其兩種耐熱鋼對焊時,施焊難度較大。為此,對T91與12CrlMoV異種鋼的焊接要依據(jù)馬氏體鋼與珠光體鋼的焊接原則進行考慮。表1。SA213-T91與12Cr1MoV鋼化學成分(%)成分鋼號CsiMnCrM0VNiNbALPS12Cr1MoV0.08～0.150.717～0.370.9～1.20.25～0.350.15～0.30///<0.035<0.035T910.08～0.120.20～0.500.30～0.608～9.50.85～1.050.18～0.25≤0.040.06～0.10<0.04≤0.02≤0.01表2。12CrMoV鋼和TP91鋼母材的常溫機械性能性能指標σs(Pa)σb(Pa)δ5(％)HBT91≥415≥585≥20≤25012Cr1MoV≥255471～638≥21≤166

3.焊接時出現(xiàn)的問題3.1T91含有Cr、Mo、V、Cb等強碳化物元素,焊接時焊縫從高溫冷卻時易產生淬硬性的馬氏體組織,焊縫有很大冷、熱裂傾向。3.2兩種母材含有很多的合金元素,其熔融金屬的流動性差,焊接時還產生較多的熔渣。3.3由于馬氏體鋼導熱性差,焊接應力不能得到充分釋放,焊后焊縫的殘余應力很大。3.4焊前不預熱,冷裂紋的出現(xiàn)不可避免。為此,為止產生冷裂紋,焊前必須預熱(預熱溫度200-250℃),并在焊接過程中保持層間溫度不低于預熱溫度?？紤]到冷卻速度過慢,會奧氏體向鐵素體轉變,預熱及層問溫度不宜過高,但不可超過260℃為易。3.5焊后不易立即進行高溫回火處理,一方面可進行消氫處理,減少熱應力,防止在冷卻程中裂紋的產生;另一方面,進行一定時間的恒溫后熱處理,可使接頭高溫金屬實現(xiàn)由奧氏體向馬氏體的充分轉變,從而避免殘余奧氏體組織在回火冷卻后轉變成新的朱回火馬氏體。后熱處理完成后,應及時進行高溫回火處理,750℃±10℃,保溫30min的熱處理。升溫速度<300℃／h,冷卻速度<300℃／h。冷卻至300℃以下可不控制。以得到綜臺性能良好的回火索氏體組織,并消除焊接殘余應力。3.6焊接接頭性能的劣化程度隨焊接線能量的增大而加劇。3.7焊接接頭由于化學成分和金相組織不同,膨脹系數(shù)也不同,在焊接時會產生較大的殘余應力。因此,異種鋼焊接時,如焊接工藝選擇不當,焊工操作不當,很容易產生焊接冷、熱裂紋、夾渣等缺陷．為了得到優(yōu)質的焊接接頭,有必要從焊接工藝及參數(shù)、焊工操作技術等方面進行嚴格控制。

4.T91與12Cr1MoV異種鋼焊接工藝試驗4.1焊接方法及設備:TIG焊;ZX7-400IGBT。4.2材料的規(guī)格及焊接位置與試件數(shù)量:Φ63.5×4.5;水平固定與垂直固定個5件。4.3焊接材料的選擇:選用TGS-9Cb,Φ2.0焊絲,焊絲的化學成分見表3。4.3.1選擇焊接材料的正確是異種鋼焊接時的關鍵,接頭質量和性能與焊接材料關系十分密切。選擇時應考慮在焊接接頭不產生裂紋等缺陷的前提下,若不可能兼顧焊縫金屬的強度和塑性,則應選用塑性較好的焊接材料;異種鋼焊接材料的焊縫金屬性能只需符合兩種母材中的一種即認為滿足技術要求;焊接材料應具有良好的工藝性能．焊縫成形美觀;焊接材料應經(jīng)濟、易得。

4.3.2珠光體鋼與馬氏體鋼異種鋼焊接接頭熱處理時在熔合區(qū)可能發(fā)生c擴散,井留下一個c擴散層,如果用高匹配焊接材料進行焊接,則C擴散層轉移到珠光體鋼母材一側。因珠光體鋼有較好塑性,C擴散層即使在珠光體鋼這一側,其接頭塑性也較好,利于提高接頭的熱強性。綜上所述,選擇焊接材料應綜臺考慮上述各個方面,而不能簡單依據(jù)某種原則。為此,對于T91與12CrlMo異種鋼焊接采用高匹配焊接材料應是較好的選擇。表3。TGS-9Cb焊絲化學成分(%)元素CSIMnPSNICr含量0.080.200.950.0060.0060.699.024.4焊前準備4.4.1清理焊逢縫兩側20mm內外壁的油銹污蝕等,直至發(fā)出金屬光澤。4.4.2增大坡口角度,增加焊接層數(shù),這樣能夠減小熔合比,能夠有效降低珠光體母材對焊逢的稀釋作用。因此采用60°-70°的坡口,小鈍邊,大間隙。4.4.3坡口形式、焊接順序及充氬方式如下圖1、2、3所示:

圖3。充氬方式

4.5焊接工藝參數(shù)由于采用手工鎢極氬弧焊,氬弧焊的熔合比范固較大．因而．控制好焊接工藝參數(shù)對降低熔合比有直接的影響。焊接熱輸入越大．母材熔人焊縫越多,而焊接熱輸入又取決于焊接電流、電弧電壓和焊接速度等工藝參數(shù),因而在焊接時應在保證焊縫組織正常、熔合區(qū)硬化程度正常的前提下,采用小的工藝參數(shù)以減少熱輸入,降低熔合比。水平固定管、垂直固定管焊接工藝參數(shù)見表4、表5。表4。水平固定焊接工藝參數(shù)層數(shù)焊接方法焊條(絲)電流范圍電壓(V)速度(mm/min-1)氬氣流量(L/min-1)牌號直徑極性電流(A)正面反面1TIGTGS-9CbΦ2.0DG+80-9019～2570-808-1010-122TIGTGS-9CbΦ2.0DG+85-9519～2565-758～1010-12表5。垂直固定焊接工藝參數(shù)層數(shù)

焊接

方法焊條(絲)電流范圍電壓

(V)速度(mm/min-1)氬氣流量(L/min-1)牌號直徑極性電流(A)正面反面1TIGTGS-9CbΦ2.0DG+75-8519～2560-658～1210-122TIGTGS-9CbΦ2.0DG+80-9023～2565-758--1210-12

5.焊接操作技術要點5.1焊接過程中內壁充氬,保護焊縫背面,防止氧化。5.2接頭必須在自由狀態(tài)下組對,不得強行點固焊接,以防止焊縫產生較大的拘束應力。5.3焊接時,預熱溫度和焊熱處理應在保證接頭質最的前提下進行,采取較小的工藝參數(shù)比較合適。5.4合金元素多,焊接時產生較多的熔渣,每次熄弧后,必須打磨熄弧處,以減少雜質聚集．5.5熔融金屬的流動性差,且焊接位置為全位置,因此,焊工在焊接時要經(jīng)過調整焊接參數(shù),運用好操作技術,在焊縫仰位部位,熔滴下掛,操作不當時,內側焊縫極易產生內凹．因此焊工操作時,應采用電流上限,利用電弧的吹力托住熔滴進行焊縫成形,避免焊縫產生內凹;在仰位向立位過渡區(qū)域,熔滴下掛,操作不當時,內側焊縫易產生內凹,因此焊工操作施焊中應充分利用維弧電流調節(jié)焊接熔池形狀,利用電弧的吹力托住熔滴避免焊縫產生內凹;在平焊位置,熔滴下掛,內側焊縫極易下掛并產生焊瘤。因此焊工操作時,應采用外加絲,加快施焊速度,控制焊接熔池形狀,避免焊縫內側產生焊瘤。

6.焊接試樣檢驗結果6.1焊后經(jīng)外觀檢驗合格,取二件進行斷口試驗,結果全部合格。6.2焊件進行X射線探傷,結果全部為I級,符合標準要求。6.3T91/12Cr1MoV焊接試件模擬工藝力學性能見表6,面彎、背彎各二件,試驗結果無裂紋。

表6

模擬工藝力學性能統(tǒng)計表項目部位σSMPaσbMPaδ10%Ψ%AK(V)JHB其它水平固定焊縫552.0663.014.571.596,116,120224拉力斷于母材熱影響區(qū)545.5672.014.571.5198,210,217195拉力斷于母材母材216,217,224195

垂直固定焊縫513.0653.014.571.5128,138,146227拉力斷于母材熱影響區(qū)535.0657.015.071.5224,228,236197拉力斷于母材母材226,228,232197

注:拉力試樣斷于母材,側面彎曲大于500,斷面未見缺陷,射線拍片均為一級片。

6.4T91/12Cr1MoV焊接試件微觀金相檢驗結果見7。焊接接頭的金相檢驗結果,組織為回火索氏體、板條馬氏體,未發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷、微觀裂紋及網(wǎng)狀組織,說明焊接材料的選擇與使用,預熱溫度、層間溫度的控制和熱處理規(guī)范是正確的但從組織分析,原奧氏體晶粒粗大,馬氏體的位向比較明顯,焊縫金相組織見圖4。表7。T91/12Cr1MoV焊接試件微觀金相檢驗結果取樣位置微觀組織母材2G12Cr1MoV側組織:鐵素體＋珠光體

T19側組織:回火索氏體5G12Cr1MoV側組織:鐵素體＋珠光體

T19側組織:回火索氏體焊縫2G回火馬氏體5G回火馬氏體熱影響區(qū)2G12Cr1MoV側組織:鐵素體＋珠光體

T19側組織:回火馬氏體＋回火索氏體5G12Cr1MoV側組織:鐵素體＋珠光體

T19側組織:回火馬氏體＋回火索氏體

金相照片400×

掃描電鏡照片500×

圖4。焊縫金相組織

7.結論7.1選用高匹配的TGS-9Cb焊接材料是合適的。7.2采用合適的焊接工藝(包括充氬保護、預熱溫度、層間溫度的控制、焊接工藝參數(shù)的選擇等)是T91/12CrlMoV異種鋼小徑管獲得優(yōu)質焊接接頭的關鍵．7.3嚴格控制焊前預熱在150℃以上,層間溫度在260℃以下是避免焊縫從高溫冷卻時產生淬硬性的馬氏體組織和防止焊接裂紋的重要環(huán)節(jié)。7.4實際檢修焊接中．必須結合具體條件,對每個焊接工藝參數(shù)慎重考慮,必要時,先進行工藝試驗,然