耐高温不锈钢管焊接性及其在电力生产中的应用

 浙江至德钢业有限公司通过对耐高温不锈钢管主要是珠光体耐热钢管组织、性能以及其焊接工艺特点分析,详细论述了耐高温不锈钢管的焊接性,并对其在电力生产中的应用进行了充分的阐述。所谓耐热钢,简单地说,就是在高温下工作的钢。高温工作条件与室温不同,工件会在远低于材料的抗拉强度的应力作用下破断,其原因一方面是高温氧化,另一方面是由于高温下强度急剧下降,因此耐热钢分为两类,一类是抗氧化钢,另一类是热强钢。在这里我们主要讨论的是热强钢的焊接性。

一、耐高温不锈钢管的工作条件和对性能的要求

  现代工业设备上的许多构件在300℃以上的温度下工作,有的高达1200℃以上。这些设备随工业的发展,使用温度还在逐步地提高,而这些部门还常常是科技的尖端领域或工业技术开发的前沿部分,比如:火箭发动机、燃气蜗轮机、石油化工、汽轮机、电站锅炉等工业部门用的设备。因此,对耐高温不锈钢管要有以下性能要求:良好的抗氧化性;要有高温下抗蠕变性,热强性,小的缺口敏感性,抗松弛性和热疲劳性等;要有高温下的组织稳定性;在高温温度场中要有大的热传导性,小的热膨胀性;好的铸造性、锻造性、焊接性。

二、耐高温不锈钢管的分类

 如前文所述,耐高温不锈钢管按失效原因可分为抗氧化钢(热稳定钢)和热强钢管两种。其中,热强钢按基体组织不同又分为珠光体型热强钢管、马氏体型热强钢管和奥氏体型热强钢管。

三、耐高温不锈钢管的焊接性

   耐高温不锈钢管是以铬、钼为基本合金元素的低合金钢滚,与普通碳素钢管。相比具有良好的抗氧化能力和热强性,工作温度可高达600℃。与高合金钢相比,有较好的冷热加工性能,在工作温度范围内,机械性能也不低于高合金钢。这类钢的含铬量一般为0.5~9%,含Mo量一般为0.5%或1%。随着铬、钼含量的增加,钢的抗氧化性、高温强度和抗硫化物腐蚀性能也都增加。在铬-钼钢中加入少量的钒、钨、铌、钛等后,可进一步提高热强性。

  1. 耐高温不锈钢管焊接时存在的问题

      a. 近缝区的冷裂纹

     这类钢具有一定的淬硬倾向,并随合金含量的增加,淬硬倾向亦增大,因此,接头的近缝区将出现硬而脆的马氏体组织。另外,氢扩散到近缝区并聚集,再加上焊接时的残余应力,使近缝区容易引起冷裂纹。

     b. 焊缝合理的合金化

    钢材在高温时所表现出来的性能和室温时的性能有很大的差别。在室温时钢的组织及性能一般是相当稳定的,但是长期在高温应力的作用下,由于元素扩散过程的加剧,钢的组织将逐渐发生变化,组织的不稳定性会引起钢的高温性能变化,对钢的热强性等产生不利的影响。而影响组织稳定性的主要原因之一就是钢中合金元素的含量。所以,耐热钢焊接时,焊缝金属的化学成分应最大限度接近被焊钢材的化学成分,以保证在高温下性能的一致。为了减少焊缝金属形成裂纹的倾向,尽量减少焊缝中的含碳量,但不允许低于0.07%。同时,为了得到综合机械性能优良的焊缝金属,往往是在焊缝中同时加入多种合金元素,实现多元合金化。

  2. 耐高温不锈钢管的焊接工艺特点

     a. 焊接材料的选择

      耐高温不锈钢管一般在热处理状态下焊接,焊后大多数要进行高温回火处理,其接头性能的好坏首先取决于焊条的选择正确与否。选择焊条时,为了保证焊缝性能与母材匹配,具有必要的热强性,焊缝的化学成分应力求与母材一致。

     b. 对口的形式和要求

     坡口形状和对口尺寸应考虑易于保证焊缝质量,填充金属量少,便于操作,适合于超声波探伤等要求。

    c. 预热温度的选择

     根据耐热钢的化学成分,焊接结构的刚性大小和施焊时的工艺方法等对预热温度进行选择。对可焊性较差的珠光体耐热钢或焊件结构刚性太大,通常要求在整个焊接过程中,直至热处理前,接头都应保持在规定的预热温度。有时不得不使预热中断时,应先经650~700℃短时回火处理,以防止预热中断后接头发生裂纹。

    d. 焊后热处理

    焊后热处理的目的,是提高焊接接头的塑性,改善组织和消除焊接残余应力。这类钢根据不同的使用条件,可以采用不同的焊后热处理。

四、耐高温不锈钢管在电厂中的应用及发展

   近年来,耐高温不锈钢管的发展非常快。五十年代末,耐高温不锈钢管的使用温度还不超过550℃,经过以后十年的研究,适当调整原有钢的成分以及添加少量其他合金元素,六十年代即提高到580℃。近年来,我国研制的新钢种,其工作温度已达500~620℃,达到了世界先进水平,广泛应用于发电厂中锅炉、汽轮机、发电机及管道等重要零部件,如低碳珠光体热强钢主要用于制造锅炉钢管,其中发展得较好的是12Cr1MoV,用于540℃的导管,580℃的过热蒸汽管。我国研制的更好钢种12Cr2MoWVTiB(钢102),用于600~620℃的过热器管;中碳珠光体热强钢主要用于汽轮机等耐热紧固件,汽轮机转子(主轴、叶轮)等;马氏体型热强钢有更高的蠕变强度、耐蚀性和耐腐蚀磨损性,主要用于汽轮机叶片,如1Cr13、2Cr13。随着科学技术的发展,一些具有更强的耐热性、抗氧化能力的钢种(如F12、T91、P91、-11、T9、P9等),被应用到高温、高压电厂,甚至超高压以及亚临界、超临界锅炉。具体的电厂常用耐热钢钢号、特性及主要应用范围见下表。