T92鋼管焊接接頭組織和性能研究.pdf

1、當(dāng)今世界，電站機(jī)組向大容量、高蒸汽參數(shù)發(fā)展，它是提高燃料使用效率、降低二氧化碳排放的有效手段。機(jī)組運(yùn)行高參數(shù)(尤其是蒸汽溫度)運(yùn)行，對(duì)電站鍋爐用耐熱鋼提出了更高的要求。作為電站鍋爐的過熱器、再熱器等高溫部件用鋼，TP304.、TP347等奧氏體不銹鋼表現(xiàn)出良好的高溫強(qiáng)度。但不銹鋼具有導(dǎo)熱系數(shù)低、應(yīng)力腐蝕敏感性高、熱膨脹系數(shù)大等缺點(diǎn)，并不能很好的滿足機(jī)組安全高效運(yùn)行的要求。因此，開發(fā)用于超臨界、超超臨界電站鍋爐用新型耐熱鋼，成為國際上制造

2、高效潔凈電力能源設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一。T92(9Cr0.5Mo1.8W-VNb)鋼是在T91鋼(9CrlMo-VNb)的基礎(chǔ)上，通過減少M(fèi)o含量至0.5％、增加w含量至1.8％，并利用計(jì)算機(jī)控軋控冷技術(shù)(TMCP)制造的最新一代9％Cr鐵素體耐熱鋼。適用于制作蒸汽溫度在580～600℃之間、金屬最高壁溫在600-620℃的過熱器、再熱器等鍋爐高溫受熱面部件，是新一代超臨界/超超臨界電站機(jī)組受熱面管子的理想材料。我國目前正在建設(shè)和規(guī)劃建設(shè)的

3、超超臨界(USC)機(jī)組有近50臺(tái)，其容量為600Mw和1000MW兩個(gè)級(jí)別，蒸汽參數(shù)為：汽機(jī)主汽入口設(shè)計(jì)壓力為25～26.5MPa，高于日本同類機(jī)組，主蒸汽/再熱蒸汽溫度為600/600℃，高于歐洲同類機(jī)組。在管道選材方面，目前世界上并無一臺(tái)相同的機(jī)型可供借鑒。同時(shí)，我國對(duì)T92鋼及其焊接的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于歐美和日本，技術(shù)資料數(shù)據(jù)幾乎全部依賴國外，這在很大程度上制約了我國機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造及安全運(yùn)行。TMCP工藝生產(chǎn)的9-12Cr％鐵素體耐

4、熱鋼焊接及在役運(yùn)行實(shí)踐表明，焊接接頭沖擊韌性不足是這類鋼焊接及運(yùn)行中存在的主要問題。由于T92鋼研制成功的時(shí)間較短，為滿足超超臨界機(jī)組發(fā)展的迫切需要，目前T92鋼焊接研究主要集中在工程應(yīng)用領(lǐng)域，焊接材料及焊接工藝的研究是以達(dá)到ASME標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該類鋼沖擊韌性的最低要求為目標(biāo)，對(duì)于焊接接頭沖擊韌性不足的深層次理論依據(jù)尚缺乏系統(tǒng)研究。弄清T92鋼焊接接頭脆化機(jī)制，對(duì)T92鋼焊接材料研制、制定合理的焊接工藝及電站設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。

5、 本文較系統(tǒng)研究了T92鋼母材的基本組織狀態(tài)、焊接熱影響區(qū)及焊縫金屬組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)，以深入探討T92鋼焊接接頭的脆化原因，為焊接材料研究及制定合理焊接工藝提供理論依據(jù)，為我國超超臨界機(jī)組的制造、安裝和安全運(yùn)行提供技術(shù)支持。本文分析了T92鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)。其顯微組織由板條狀回火馬氏體、長薄片狀的ε馬氏體、少量的塊狀α'相、彌散分布的M23C6及MX化合物組成。板條狀回火馬氏體為體心立方結(jié)構(gòu)的Fe-Cr固溶體相。W、Mo作為鐵素體穩(wěn)

6、定化元素固溶于Fe-Cr相中起到固溶強(qiáng)化作用。在板條馬氏體內(nèi)部及邊界上主要分布著棒狀的富含F(xiàn)e、Cr元素的M23C6型合金碳化物，和少量富V、Nb元素的點(diǎn)狀MX型化合物；六方結(jié)構(gòu)的ε馬氏體分布在板條馬氏體之間，其晶格常數(shù)為a=2.5588(A)，c=4.1237(A)，內(nèi)部為孿晶亞結(jié)構(gòu)。 本文利用焊接熱模擬方法，研究了焊接線能量對(duì)焊接熱影響區(qū)組織和性能的影響。研究指出，熱模擬峰值溫度對(duì)熱影響區(qū)組織性能影響很大，t8/5=10s時(shí)

7、，當(dāng)熱模擬峰值溫度低于 T92鋼的AC1線時(shí)，主要發(fā)生馬氏體板條轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀鐵素體的組織變化，焊接熱影響區(qū)的微觀硬度、沖擊韌性接近母材。當(dāng)熱模擬峰值溫度超過T92鋼的Acl時(shí)，隨峰值溫度提高，在焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)的M-A組元，熱影響區(qū)微觀硬度提高，沖擊韌性下降，Tmax=1350℃時(shí)沖擊功下降至38J。粗晶區(qū)為熱影響區(qū)沖擊韌性最低的區(qū)域，遠(yuǎn)低于母材，是T92鋼工程應(yīng)用研究的重點(diǎn)。t8/5對(duì)焊接熱影響區(qū)的組織和性能有重要影響，本文重點(diǎn)研究了t

8、8/5對(duì)粗晶區(qū)組織和性能的影響。延長t8/5，焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的微觀硬度呈先增加后減小、沖擊功先減小后增大的趨勢，減小焊接線能量可有效提高熱影響區(qū)的沖擊韌性。隨t8/5不同，熱模擬1350℃熱影響區(qū)中的分布和形態(tài)不同，對(duì)其沖擊韌性有很大影響，t8/5=7s時(shí)，M-A組元成彌散聚集狀態(tài)分布，粗晶區(qū)沖擊功為50J，t8/5=40s沖擊功僅為14J，呈鏈狀分布的M-A組元是造成粗晶區(qū)的沖擊韌性嚴(yán)重不足的主要原因。對(duì)T92鋼一次熱循環(huán)粗晶區(qū)施

9、以二次熱循環(huán)，峰值溫度位于AC1附近時(shí)，一次熱循環(huán)粗晶區(qū)出現(xiàn)局部脆化現(xiàn)象。 焊后熱處理可顯著提高焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性。經(jīng)760℃ x60min熱處理后，焊接熱影響區(qū)中的M-A組元分解為α相和M23C6型合金碳化物，沖擊韌性顯著提高，由于粗晶區(qū)中存在更多連續(xù)分布的：M23C6型合金碳化物，其沖擊韌性低于其他區(qū)域的沖擊韌性，并遠(yuǎn)低于母材。 T92鋼焊縫性能，尤其是焊條電弧焊焊縫性能的劣化，是T92鋼焊接接頭存在的嚴(yán)重問題。本文利用

10、透射電子顯微鏡等研究了T92鋼焊縫在不同的焊接方法及熱處理規(guī)范下焊縫組織與沖擊韌性關(guān)系。研究結(jié)果表明，焊態(tài)下，T92鋼焊縫的沖擊韌性遠(yuǎn)低于母材。TIG焊縫沖擊韌性高于焊條電弧焊焊縫的沖擊韌性。焊縫中的M-A組元是導(dǎo)致其沖擊韌性不足的主要原因，減小焊接線能量可減少焊縫中M-A組元的數(shù)量，并改變M-A組元的分布狀態(tài)，從而改善焊縫的沖擊韌性。焊后熱處理可顯著提高焊縫的沖擊韌性。M-A組元在焊后熱處理過程中分解為α'和M23C6型碳化物，使焊縫

11、的沖擊韌性提高。經(jīng)760℃×60min熱處理后，TIG焊焊縫的沖擊韌性可達(dá)到接近母材的水平，延長熱處理時(shí)間焊縫沖擊韌性有進(jìn)一步提高的趨勢。焊條電弧焊焊縫中的M-A組元分解后，形成條狀碳化物分布在貝氏鐵素體條之間，回火抗力更高，經(jīng)760℃×120min熱處理后，焊縫的沖擊韌性顯著提高，但呈鏈狀分布的碳化物使得焊條電弧焊的沖擊韌性仍然嚴(yán)重低于母材。 本文根據(jù)工程應(yīng)用的急需，用TIG焊和TIG焊打底焊條電弧焊蓋面兩種方式，對(duì)Φ48.2