李曉東
(大唐長山熱電廠,吉林 松原 131109)
SA335P91是美國橡樹嶺國家實驗室研發(fā)的用于電站高溫、高壓管道的材料,采用微合金控軋和嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素含量的技術(shù),目前已廣泛應(yīng)用于亞臨界和超臨界火力發(fā)電機(jī)組主蒸汽管道、再熱熱段管道及高中壓導(dǎo)汽管道,該鋼在GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中鋼號為10Cr9Mo1VNbN。在基建過程中,由于焊接質(zhì)量不合格而經(jīng)常需要對焊縫進(jìn)行挖補(bǔ),并對挖補(bǔ)部位進(jìn)行熱處理。
某熱電廠600 MW 超臨界機(jī)組采用HG-2090/25.4-HM9中間再熱超臨界直流鍋爐,其主蒸汽管道、再熱熱段管道及連接管均采用10Cr9Mo1VNbN鋼材料。在基建過程中,發(fā)生了多起該材質(zhì)焊縫因焊接質(zhì)量不合格的挖補(bǔ)返修。DL/T 869—2004《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》明確規(guī)定:焊接接頭有超過標(biāo)準(zhǔn)的缺陷時,可采取挖補(bǔ)方式返修,但同一位置上的挖補(bǔ)次數(shù)不得超過三次,耐熱鋼不得超過二次(需要進(jìn)行熱處理的焊接接頭,返修后應(yīng)重做熱處理)。為了保證該材質(zhì)管道焊縫質(zhì)量,結(jié)合基建過程中的缺陷挖補(bǔ)和焊縫熱處理,研究了熱處理次數(shù)對該材質(zhì)焊縫組織和性能的影響。
GB 5310—2008中規(guī)定的10Cr9Mo1VNbN 鋼化學(xué)成分見表1,性能指標(biāo)見表2。
試驗材料為屏式過熱器出口到末級過熱器入口的連接管道,材質(zhì)為10Cr9Mo1VNbN,規(guī)格為φ168 mm×25mm,試件為2組。采用氣體保護(hù)鎢極電弧焊(GTAW)+手工電弧焊(SMAW)焊接工藝,選擇英國曼徹特焊材,牌號及規(guī)格為:焊絲9CrMoV-N/φ2.4mm;焊條9MV-N/φ2.5 mm、φ3.2 mm、φ4.0 mm,焊接工藝參數(shù)見表3,焊接位置為2G。
焊前將坡口表面及其每側(cè)各20 mm 范圍內(nèi)的母材內(nèi)、外壁以及焊絲表面的油、漆、垢、銹清理干凈;檢查對接管口端面與管子中心線是否垂直,對口時檢查是否有錯口;采用塞塊進(jìn)行點固,焊接工藝與本焊接工藝相同,不得有任何缺陷;氬弧焊打底層焊后應(yīng)檢查,并及時進(jìn)行次層焊縫的焊接;焊條電弧填充焊接時,雙人對焊,并逐層進(jìn)行檢查,檢查合格后,方可焊接次層,直至焊完;填充焊接時,焊道厚度不大于所用焊條的直徑,焊條擺動不大于焊條直徑的3倍。
表1 10Cr9Mo1VNbN鋼主要化學(xué)成分%
表2 10Cr9Mo1VNbN鋼力學(xué)性能指標(biāo)
表3 焊接工藝參數(shù)
熱處理過程包括焊前預(yù)熱、層間溫度控制和焊后熱處理,其中焊前預(yù)熱、層間溫度控制和首次焊后熱處理采用遠(yuǎn)紅外溫控柜進(jìn)行加熱控制,其余焊縫熱處理采用箱式熱處理爐進(jìn)行。焊前預(yù)熱、層間溫度控制、后熱處理加熱選用繩狀加熱器,上下各一支;熱電偶根據(jù)加熱器的位置布置,距離坡口邊緣25mm為宜,同時要保證熱電偶測溫點不得裸露。
預(yù)熱溫度控制:GTAW為100~200℃、SMAW為200~250℃;考慮到層間溫度的要求,實際控制GTAW為100~150℃、SMAW為200~210℃;層間溫度控制為200~250℃,預(yù)熱及層間溫度選用遠(yuǎn)紅處測溫儀測量。
焊后熱處理分成兩個階段:第一階段是焊接完成后冷卻至80~100℃,保持2h后的完全馬氏體熱處理;第二階段是 恒溫750~770℃的焊后熱處理,時間為4.5h。
在焊后熱處理的基礎(chǔ)上,對焊件進(jìn)行了切片,共5片,再用箱式熱處理爐對其中4片進(jìn)行第二次焊縫熱處理。以后每做一次焊縫熱處理,焊件就少一片,直至完成。熱處理工藝參數(shù)為:恒溫溫度750~770℃,恒溫時間4.5h,升降溫速度140℃/h。考慮到施工中現(xiàn)場存在熱處理后焊縫硬度不合格現(xiàn)象,對首次焊接的焊后熱處理恒溫時間設(shè)定為3.5h。
在取樣前對2個試件進(jìn)行射線檢驗,避免帶有超標(biāo)缺陷的試樣進(jìn)入到下一階段的分析中。試樣共分5組,每組加工2個拉伸試樣,6個沖擊試樣,1個金相試樣和1個硬度試樣。
拉伸試驗結(jié)果見圖1、圖2。試驗結(jié)果表明,隨著熱處理次數(shù)的增加,拉伸強(qiáng)度緩慢降低,第5次熱處理仍然高于母材的抗拉強(qiáng)度下限;隨著熱處理次數(shù)的增加,斷后伸長率緩慢增加,在第5次熱處理時突然下降且低于GB 5310—2008要求。
圖1 熱處理次數(shù)對抗拉強(qiáng)度影響
母材和焊縫的沖擊試驗結(jié)果見圖3。試驗結(jié)果表明,在本文試驗的熱處理次數(shù)范圍之內(nèi),焊縫與母材的沖擊吸收功隨著熱處理次數(shù)的增加而增加,且高于GB 5310中規(guī)定的下限。
圖2 熱處理次數(shù)對斷后伸長率影響
圖3 熱處理次數(shù)對沖擊吸收功影響
硬度試驗結(jié)果見圖4。試驗結(jié)果表明,硬度值隨著熱處理次數(shù)的增加而減小,焊縫硬度值下降比母材快,當(dāng)?shù)?次后焊縫硬度值與母材接近。
焊接接頭的金相組織顯示,母材、熱影響區(qū)和焊縫均為回火馬氏體組織。試驗結(jié)果表明,熱處理次數(shù)增加未影響母材和焊縫的金相組織。
圖4 熱處理次數(shù)對焊縫硬度影響
a.10Cr9Mo1VNbN 鋼進(jìn)行焊縫熱處理在4 次以內(nèi)時,焊接接頭抗拉強(qiáng)度值降低但在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi);沖擊韌性值改善、硬度值降低、伸長率改善。
b.10Cr9Mo1VNbN 鋼進(jìn)行多次熱處理對焊縫接頭的綜合性能有利,但不應(yīng)超過4次。
c.焊縫熱處理次數(shù)與焊接返修允許最高次數(shù)相吻合。焊縫首次熱處理不合格且同一位置需返修2次時,焊縫熱處理次數(shù)是4次,與規(guī)程要求相一致。