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T92钢管焊接接头组织和性能研究

吴军  
【摘要】: 当今世界,电站机组向大容量、高蒸汽参数发展,它是提高燃料使用效率、降低二氧化碳排放的有效手段。机组运行高参数(尤其是蒸汽温度)运行,对电站锅炉用耐热钢提出了更高的要求。作为电站锅炉的过热器、再热器等高温部件用钢,TP304、TP347等奥氏体不锈钢表现出良好的高温强度。但不锈钢具有导热系数低、应力腐蚀敏感性高、热膨胀系数大等缺点,并不能很好的满足机组安全高效运行的要求。因此,开发用于超临界、超超临界电站锅炉用新型耐热钢,成为国际上制造高效洁净电力能源设备的关键技术之一。 T92(9Cr0.5Mo1.8W-VNb)钢是在T91钢(9Cr1Mo-VNb)的基础上,通过减少Mo含量至0.5%、增加W含量至1.8%,并利用计算机控轧控冷技术(TMCP)制造的最新一代9%Cr铁素体耐热钢。适用于制作蒸汽温度在580~600℃之间、金属最高壁温在600-620℃的过热器、再热器等锅炉高温受热面部件,是新一代超临界/超超临界电站机组受热面管子的理想材料。 我国目前正在建设和规划建设的超超临界(USC)机组有近50台,其容量为600MW和1000MW两个级别,蒸汽参数为:汽机主汽入口设计压力为25~26.5MPa,高于日本同类机组,主蒸汽/再热蒸汽温度为600/600℃,高于欧洲同类机组。在管道选材方面,目前世界上并无一台相同的机型可供借鉴。同时,我国对T92钢及其焊接的研究远远滞后于欧美和日本,技术资料数据几乎全部依赖国外,这在很大程度上制约了我国机组的设计、制造及安全运行。 TMCP工艺生产的9-12Cr%铁素体耐热钢焊接及在役运行实践表明,焊接接头冲击韧性不足是这类钢焊接及运行中存在的主要问题。由于T92钢研制成功的时间较短,为满足超超临界机组发展的迫切需要,目前T92钢焊接研究主要集中在工程应用领域,焊接材料及焊接工艺的研究是以达到ASME标准对该类钢冲击韧性的最低要求为目标,对于焊接接头冲击韧性不足的深层次理论依据尚缺乏系统研究。弄清T92钢焊接接头脆化机制,对T92钢焊接材料研制、制定合理的焊接工艺及电站设备的安全运行具有重要的指导意义。 本文较系统研究了T92钢母材的基本组织状态、焊接热影响区及焊缝金属组织转变特点,以深入探讨T92钢焊接接头的脆化原因,为焊接材料研究及制定合理焊接工艺提供理论依据,为我国超超临界机组的制造、安装和安全运行提供技术支持。 本文分析了T92钢的微观组织结构。其显微组织由板条状回火马氏体、长薄片状的ε马氏体、少量的块状α′相、弥散分布的M_(23)C_6及MX化合物组成。板条状回火马氏体为体心立方结构的Fe-Cr固溶体相。W、Mo作为铁素体稳定化元素固溶于Fe-Cr相中起到固溶强化作用。在板条马氏体内部及边界上主要分布着棒状的富含Fe、Cr元素的M_(23)C_6型合金碳化物,和少量富V、Nb元素的点状MX型化合物;六方结构的ε马氏体分布在板条马氏体之间,其晶格常数为a=2.5588(?),c=4.1237(?),内部为孪晶亚结构。 本文利用焊接热模拟方法,研究了焊接线能量对焊接热影响区组织和性能的影响。研究指出,热模拟峰值温度对热影响区组织性能影响很大,t_(8/5)=10s时,当热模拟峰值温度低于T92钢的A_(Cl)线时,主要发生马氏体板条转变为块状铁素体的组织变化,焊接热影响区的微观硬度、冲击韧性接近母材。当热模拟峰值温度超过T92钢的A_(Cl)时,随峰值温度提高,在焊接热影响区出现的M-A组元,热影响区微观硬度提高,冲击韧性下降,T_(max)=1350℃时冲击功下降至38J。粗晶区为热影响区冲击韧性最低的区域,远低于母材,是T92钢工程应用研究的重点。 t_(8/5)对焊接热影响区的组织和性能有重要影响,本文重点研究了t_(8/5)对粗晶区组织和性能的影响。延长t_(8/5),焊接热影响区粗晶区的微观硬度呈先增加后减小、冲击功先减小后增大的趋势,减小焊接线能量可有效提高热影响区的冲击韧性。随t_(8/5)不同,热模拟1350℃热影响区中的分布和形态不同,对其冲击韧性有很大影响,t_(8/5)=7s时,M-A组元成弥散聚集状态分布,粗晶区冲击功为50J,t_(8/5)=40s冲击功仅为14J,呈链状分布的M-A组元是造成粗晶区的冲击韧性严重不足的主要原因。 对T92钢一次热循环粗晶区施以二次热循环,峰值温度位于A_(Cl)附近时,一次热循环粗晶区出现局部脆化现象。 焊后热处理可显著提高焊接热影响区的冲击韧性。经760℃×60min热处理后,焊接热影响区中的M-A组元分解为α相和M_(23)C_6型合金碳化物,冲击韧性显著提高,由于粗晶区中存在更多连续分布的M_(23)C_6型合金碳化物,其冲击韧性低于其他区域的冲击韧性,并远低于母材。 T92钢焊缝性能,尤其是焊条电弧焊焊缝性能的劣化,是T92钢焊接接头存在的严重问题。本文利用透射电子显微镜等研究了T92钢焊缝在不同的焊接方法及热处理规范下焊缝组织与冲击韧性关系。研究结果表明,焊态下,T92钢焊缝的冲击韧性远低于母材。TIG焊缝冲击韧性高于焊条电弧焊焊缝的冲击韧性。焊缝中的M-A组元是导致其冲击韧性不足的主要原因,减小焊接线能量可减少焊缝中M-A组元的数量,并改变M-A组元的分布状态,从而改善焊缝的冲击韧性。 焊后热处理可显著提高焊缝的冲击韧性。M-A组元在焊后热处理过程中分解为α′和M_(23)C_6型碳化物,使焊缝的冲击韧性提高。经760℃×60min热处理后,TIG焊焊缝的冲击韧性可达到接近母材的水平,延长热处理时间焊缝冲击韧性有进一步提高的趋势。焊条电弧焊焊缝中的M-A组元分解后,形成条状碳化物分布在贝氏铁素体条之间,回火抗力更高,经760℃×120min热处理后,焊缝的冲击韧性显著提高,但呈链状分布的碳化物使得焊条电弧焊的冲击韧性仍然严重低于母材。 本文根据工程应用的急需,用TIG焊和TIG焊打底焊条电弧焊盖面两种方式,对Φ48.2×7.5、Φ50.8×8.8两种规格的T92钢管进行了焊接工艺评定,焊接接头的力学性能及金相组织达到了《焊接工艺评定规程DL/T868-2004))标准的基本要求。结合焊接施工现场具体情况制定的焊接工艺在1000MW超超临界机组建设中得到应用,完成1662个T92焊口的焊接,取得了满意的效果。


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