應用與開發

F91鋼管與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼管焊接接頭的熱處理

陳志明

(蘇州圣匯裝備有限公司,江蘇 蘇州215632)

摘 要:為了解決江蘇華電句容二期 (2×1 000 MW)擴建工程4#機組低壓旁路蒸汽管道低旁閥F91鋼管與閥后A691Gr.1-1/4CrCL22鋼管異種鋼接頭直接焊接無法進行熱處理的問題,通過分析F91鋼與12Cr1MoVG鋼、12Cr1MoVG鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼兩組異種鋼焊接接頭的焊接熱處理性能,采用在F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼異種鋼焊接接頭中間增加12Cr1MoVG過渡段的方法進行處理。對焊接及熱處理完成后的兩組異種鋼接頭進行無損檢測和硬度檢驗,結果均符合相關標準要求。證明了采用增加12Cr1MoVG過渡段處理F91與A691Gr.1-1/4CrCL22異種鋼焊接接頭的熱處理問題的可行性。

關鍵詞:焊接;異種鋼;F91;A691Gr.1-1/4CrCL22;焊接熱處理;12Cr1MoVG過渡段

0 前 言

在超超臨界火力發電機組的安裝中,由于各種碳素鋼、低合金鋼、熱強鋼、不銹鋼的廣泛使用,經常不可避免地出現異種鋼焊接接頭。由于異種鋼焊接接頭兩側母材合金成分、金相組織、力學性能的差異,使得其比同種鋼焊接接頭的焊接、熱處理要復雜的多。因此異種鋼焊接接頭是焊接和熱處理質量的薄弱部位,是火力發電廠機組安裝焊接施工中的重點和難點,其焊接熱處理質量對火力發電廠運行的穩定性和安全性有著重要的影響。

1 工程概況

江蘇華電句容二期 (2×1 000 MW)擴建工程4#機組為1 000 MW超超臨界二次再熱燃煤機組。機組設計圖紙要求為低壓旁路蒸汽管道低旁閥前為A335P92鋼管道,后為A691Gr.1-1/4CrCL22鋼管道,低旁閥為組合件。甲供低壓旁路蒸汽管道低旁閥前為A335P92鋼管道,后為A691Gr.1-1/4CrCL22鋼管道,低旁閥進口接管材質為F92鋼,出口接管材質為F91鋼,閥后低壓旁路蒸汽管道材質為A691Gr.1-1/4CrCL22鋼,鋼管規格為Φ1 219 mm×14.27 mm。

2 F91鋼與 A691Gr.1-1/4CrCL22接頭焊接熱處理性能分析

2.1 F91鋼的主要性能

F91鋼是一種改進的9Cr1Mo 鍛鋼,是在9Cr1Mo鋼的基礎上添加了V、Nb等元素形成的,具有較低的熱膨脹系數和良好的導熱性,同時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、持久強度及許用應力。但F91鋼淬硬趨向大,焊縫及熱影響區容易產生高硬度馬氏體組織,使焊接接頭脆性增大,導致產生冷裂紋。F91鋼的化學成分和力學性能見表1和表2。

表1 F91鋼的化學成分 %

w(C)w(M n)w(S i)w(S)w(P)w(C r)0.0 8~0.1 2 0.3 0~0.6 0 0.2 0~0.5 0≤0.0 1 0≤0.0 2 0 8.0 0~9.5 0 w(M o)w(V)w(N b)w(N)w(A l)w(N i)0.8 5~1.0 5 0.1 8~0.2 5 0.0 6~0.1 0 0.0 3~0.0 7≤0.0 4≤0.4 0

表2 F91鋼的力學性能

R m/M P a H B W R eL/M P a A/%2 0℃下A kV/J≥4 1 5 5 8 5~7 6 0≥2 0≥4 1≤2 5 0

2.2 A691Gr.1-1/4CrCL22鋼的主要性能

A691Gr.1-1/4CrCL22鋼是美國標準鋼材,ASTM A691是美國材料與試驗學會標準高溫高壓服役條件用電熔焊碳鋼和合金鋼管標準;1-1/4Cr是鋼管等級, 該鋼中w(Cr)為 1.25%, w(Mo)為0.5%;CL22是熱處理消除應力狀態。A691Gr.1-1/4CrCL22鋼相當于美標A335P11鋼和國標15CrMoG鋼。A691Gr.1-1/4CrCL22鋼的化學成分及力學性能見表3和表4(以A335P11鋼代)。

表3 A691Gr.1-1/4CrCL22鋼的化學成分 %

w(C)w(M n)w(S i)w(S)0.0 5~0.1 5 0.3 0~0.6 0 0.5 0~1.0 0≤0.0 2 5 w(P)w(C r)w(M o)≤0.0 2 5 1.0 0~1.5 0 0.4 4~0.6 5

表4 A691Gr.1-1/4CrCL22鋼的力學性能

R m/M P a R eL/M P a A/%≥2 0 5≥4 1 5≥2 2

2.3 F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22接頭焊接熱處理性能分析

F91鋼為馬氏體熱強鋼,A691Gr.1-1/4Cr CL22鋼為珠光體熱強鋼,根據兩者化學成分及力學性能可選擇TIG-R30焊絲和R307焊條,采用氬電聯焊。但F91鋼熱處理溫度為750~770℃,A691Gr.1-1/4CrCL22鋼熱處理溫度為670~700℃。F91鋼最低熱處理溫度750℃高于A691Gr.1-1/4CrCL22鋼最高熱處理溫度700℃,且相差達50℃。若采用A691Gr.1-1/4CrCL22鋼最高熱處理溫度700℃進行熱處理,則使得F91側母材、熱影響區以及熔合區達不到高溫回火的效果,無法有效改善該側金相組織,無法有效提高焊接接頭的塑性、韌性等力學性能,無法有效降低該側硬度,使得其焊縫在今后運行中極易產生裂紋等缺陷,存在安全隱患。若采用F91鋼最低熱處理溫度750℃進行熱處理,則造成A691Gr.1-1/4CrCL22鋼側母材、熱影響區以及熔合區金屬超過其Ac1溫度740℃ (以15CrMoG鋼代),發生奧氏體轉變,冷卻后使得組織晶粒過大,碳化物聚集長大,使該側母材、熱影響區以及熔合區金屬力學性能和硬度都偏低。若采用700~750℃之間的溫度進行熱處理,則上述兩種熱處理溫度的缺點均無法完全避免。

由上可知,無論采取上述哪種熱處理溫度,均無法使F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭達到有效改善金相組織,提高焊接接頭的塑性、韌性等力學性能,降低硬度的效果。因此,必須對F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼接頭考慮其他可行且經濟的處理方案。

3 處理方案

針對F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭無法選擇合適熱處理溫度的問題,采取在F91鋼管與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼管之間增加長度大于500 mm的12Cr1MoVG鋼管作為過渡段。以替代F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼的直接焊接,從而解決F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭無法選擇合適熱處理溫度的問題。

3.1 12Cr1MoVG鋼的主要性能

12Cr1MoVG鋼為國標鍋爐用鋼,屬于珠光體熱強鋼,在550℃以下具有較高的耐高溫持久強度。12Cr1MoVG鋼化學成分和力學性能見表5和表6。

表5 12Cr1MoVG鋼化學成分 %

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表6 12Cr1MoVG鋼的力學性能

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3.2 采用12Cr1MoVG過渡段的可行性

采取在F91鋼管與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼管之間增加長度大于500 mm的12Cr1MoVG鋼管作為過渡段的處理方式,即以F91鋼與12Cr1MoVG鋼焊接接頭、12Cr1MoVG鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭取代F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼的焊接接頭。

F91鋼與12Cr1MoVG鋼焊接接頭可選擇TIGR31焊絲和R317焊條,采用氬電聯焊。F91鋼熱處理溫度為750~770℃,12Cr1MoVG鋼熱處理溫度為720~750℃,F91鋼與12Cr1MoVG鋼焊接接頭焊后熱處理溫度可選擇750℃。

12Cr1MoVG鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭可選擇TIG-R30焊絲和R307焊條,采用氬電聯焊。12Cr1MoVG鋼熱處理溫度為720~750℃,A691Gr.1-1/4CrCL22鋼熱處理溫度為670~700℃,因A691Gr.1-1/4CrCL22鋼Ac1溫度為740℃,12Cr1MoVG鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭熱處理溫度仍可選擇720℃。

熱處理溫度720℃與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼Ac1溫度740℃僅相差20℃,考慮到熱處理過程中熱電偶的誤差,周圍射頻信號對熱處理機數字顯示的干擾以及同一施工電源中其他大功率設備啟停對于熱處理設備電流電壓的影響。因此熱處理過程中應使用校驗準確精度高的熱電偶,恒溫過程中應盡可能避免周圍不利因素對于熱處理設備的影響,專人嚴格監控熱處理過程中的最高加熱溫度,以保證熱處理的質量。

4 焊接接頭熱處理及檢驗

4.1 焊接

選擇TIG-R31焊絲和R317焊條,采用氬電聯焊焊接F91鋼與12Cr1MoVG鋼。氬弧焊打底前用柔性陶瓷電阻預熱150℃,加熱寬度100 mm,并在管道內壁做氣室充滿氬氣對根部進行保護。氬弧焊打底時焊絲直徑2.5 mm,電流90~105 A,電壓 10~14 V, 焊接速度 50~65 mm/min。 手工電弧焊時采用多層多道焊,焊條直徑3.2 mm,電流 110~125 A, 電壓 23~25 V, 焊接速度 100~130 mm/min。

選擇TIG-R30焊絲和R307焊條,采用氬電聯焊焊接12Cr1MoVG鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼。氬弧焊打底前用柔性陶瓷電阻預熱150℃,加熱寬度100 mm。氬弧焊打底焊時,焊絲直徑為2.5 mm,電流為90~115 A,電壓為11~13 V,焊接速度為50~65 mm/min。手工電弧焊時,采用多層多道焊,焊條直徑為3.2 mm,電流為115~130 A,電壓為23~25 V,焊接速度為110~130 mm/min。

4.2 熱處理

F91鋼與12Cr1MoVG鋼焊接接頭采用柔性陶瓷電阻加熱進行熱處理。在焊接完成后,焊件溫度降至 80~100℃,保溫 1~2 h后立即進行。采用4只K分度鎧裝熱電偶進行控溫,沿管道間隔90°均勻布置,其中相隔180°的兩只布熱電偶布置在焊縫中心上,另兩只相隔180°熱電偶布置在焊縫邊緣靠12Cr1MoVG側50 mm內,采用點焊機固定,并使用KCA型補償導線,以嚴格準確監控加熱溫度。加熱寬度焊縫兩側各150 mm,保溫寬度兩側各200 mm。熱處理溫度為750℃,升降溫時300℃以上升降溫速度控制在150℃/h以下,恒溫時間為2 h。熱處理過程中有專人嚴格監控溫度,以保證熱處理的質量。

12Cr1MoVG鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭采用柔性陶瓷電阻加熱進行熱處理,焊接完成后立即進行。采用4只K分度鎧裝熱電偶進行控溫,沿管道間隔90°均勻布置,其中相隔180°的兩只布熱電偶布置在焊縫中心上,另兩只相隔180°熱電偶布置在焊縫邊緣靠A691Gr.1-1/4CrCL22側50 mm內,采用點焊機固定,并使用KCA型補償導線,以嚴格準確監控加熱溫度。加熱寬度焊縫兩側各150 mm,保溫寬度兩側各200 mm。熱處理溫度為720℃,升降溫時300℃以上升降溫速度控制在300℃/h以下,恒溫時間為1 h。

由于熱處理控溫要求高,考慮到熱處理過程中熱電偶的誤差,周圍射頻信號對熱處理機數字顯示的干擾以及同一施工電源中其他大功率設備啟停對于熱處理設備電流、電壓的影響。因此,熱處理安排在夜間進行,過程中盡可能避免周圍不利因素對于熱處理設備的影響,并有專人嚴格監控溫度,以保證熱處理的質量。熱處理完成后,進行了射線探傷,均達到Ⅱ級合格標準。

焊接接頭硬度檢驗沿焊縫圓周五個部位的0點、3點、6點、9點4個方向進行,每一部位的每一方向均打五點硬度。硬度檢驗結果見表7和表8。由表7和表8可以看出,焊縫硬度均大于兩側母材,且兩側異種鋼焊縫硬度均未超過母材硬度較高側平均值的130%,硬度檢測結果符合要求。

表7 F91鋼與12Cr1MoVG鋼焊接接頭硬度檢驗結果 HBW

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表8 12Cr1MoVG鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭硬度檢驗結果 HBW

images/BZ_49_272_2375_499_2442.pngimages/BZ_49_499_2375_793_2442.pngimages/BZ_49_793_2375_1151_2442.pngimages/BZ_49_1151_2375_1309_2442.pngimages/BZ_49_1309_2375_1789_2442.pngimages/BZ_49_1789_2375_2197_2442.pngimages/BZ_49_272_2442_499_2508.pngimages/BZ_49_499_2442_793_2508.pngimages/BZ_49_793_2442_1151_2508.pngimages/BZ_49_1151_2442_1309_2508.pngimages/BZ_49_1309_2442_1789_2508.pngimages/BZ_49_1789_2442_2197_2508.pngimages/BZ_49_272_2508_499_2574.pngimages/BZ_49_499_2508_793_2574.pngimages/BZ_49_793_2508_1151_2574.pngimages/BZ_49_1151_2508_1309_2574.pngimages/BZ_49_1309_2508_1789_2574.pngimages/BZ_49_1789_2508_2197_2574.pngimages/BZ_49_272_2574_499_2640.pngimages/BZ_49_499_2574_793_2640.pngimages/BZ_49_793_2574_1151_2640.pngimages/BZ_49_1151_2574_1309_2640.pngimages/BZ_49_1309_2574_1789_2640.pngimages/BZ_49_1789_2574_2197_2640.pngimages/BZ_49_272_2640_499_2706.pngimages/BZ_49_499_2640_793_2706.pngimages/BZ_49_793_2640_1151_2706.pngimages/BZ_49_1151_2640_1309_2706.pngimages/BZ_49_1309_2640_1789_2706.pngimages/BZ_49_1789_2640_2197_2706.png

5 結束語

在F91鋼管與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼管之間增加長度大于500 mm的12Cr1MoVG鋼管過渡段后,F91鋼與12Cr1MoVG鋼、12Cr1MoVG鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭質量完全合格。因此采用此種方式處理F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭是可行的,可以避免F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭無法選擇合適熱處理溫度的問題,保證了焊接質量。

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Heat Treatment of F91 and A691Gr.1-1/4CrCL22 Steel Pipe Welded Joints

CHEN Zhiming
Suzhou Shenghui Equipment Co.,Ltd.,Suzhou 215632,Jiangsu,China

Abstract:In order to solve the problem that direct welding of dissimilar steel pipe welded joints of low pressure bypass steam pipe low side valve F91 steel and valve back A691Gr.1-1/4CrCL22 steel of jiangsu huadian jurong phase Ⅱ (2×1 000 MW)expansion project unit 4 can not be heat treated,through the analysis of the welding heat treatment performance of two groups of dissimilar steel welded joints of F91 steel and 12Cr1MoVG steel,12Cr1MoVG steel and A691Gr.1-1/4CrCL22 steel,the method of adding 12Cr1MoVG transition section between the dissimilar steel welded joints of F91 steel and A691Gr.1-1/4CrCL22 steel was adopted.Nondestructive testing and hardness testing were conducted on the two groups of dissimilar steel joints after welding and heat treatment,and the results show that all of them meet the requirements of relevant standards.It is proved that adding 12Cr1MoVG transition section can improve the feasibility of heat treatment of dissimilar steel welded joint of F91 steel and A691Gr.1-1/4CrCL22 steel.

Key words:welding; dissimilar steel; F91;A691Gr.1-1/4CrCL22; welding heat treatment; 12Cr1MoVG transition section

中圖分類號:TG162.8

文獻標識碼:B

DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2020.01.008

作者簡介:陳志明 (1988—),男,湖北黃岡人,焊接工程師,機電專業一級建造師,現主要從事電力、化工行業壓力容器及壓力管道的焊接技術、工藝以及管理工作。

收稿日期:2019-05-08

編輯:李 超

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