技師論文-電廠奧氏體不銹鋼焊接工藝的研究

—PAGE2——PAGE1—技師論文題目電廠奧氏體不銹鋼焊接工藝的研究目錄摘要………………31前言………………32電站常用奧氏體不銹鋼…………33奧氏體不銹鋼的焊接性能………33.1焊接熱裂紋…………………33.2晶間腐蝕……………………43.3應(yīng)力腐蝕……………………43.4焊接接頭的脆化……………43.5焊接接頭表面氧化…………44奧氏體不銹鋼焊接工藝………54.1焊接方法……………………54.2焊接材料選用………………54.3焊接工藝要點(diǎn)………………55結(jié)束語……………6參考文獻(xiàn)……………7[摘要]本文通過對電廠用奧氏體不銹鋼焊接工藝性能的分析,綜合制定合理的奧氏體不銹鋼管道焊接工藝，采用適應(yīng)性較強(qiáng)的手工電弧焊和手工鎢極氬弧焊，選擇合適的焊接材料和工藝參數(shù)，獲得綜合性能良好的焊接接頭。關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼焊接腐蝕裂紋1、前言隨著火力發(fā)電站參數(shù)的不斷提搞，奧氏體不銹綱在電站傳統(tǒng)領(lǐng)域，如化學(xué)系統(tǒng)管道、熱工儀表管、熱交換器管等系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的同時(shí)，還在鍋爐高溫過熱器和高溫再熱器管中得到廣泛應(yīng)用，由此而引出的奧氏體不銹鋼管的焊接問題，在電站設(shè)備安裝和檢修中是累見不鮮，人們往往由于對奧氏體不銹鋼的認(rèn)識不足，對其焊接性能不甚了解，造成一些焊接缺陷，導(dǎo)致具有壽命優(yōu)勢的奧氏體不銹鋼管早期失效。2、電站常用奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼是在鉻含量為18%的鐵素體型不銹鋼中加入Ni、Mn、N等奧氏體形成元素而獲得的鋼種系列，在電站管道中常用的有18-8型（TP304）、18-12型（TP347、TP316）、25-20型（TP310）等。它之所以在電站管道應(yīng)用較廣，是因?yàn)閵W氏體不銹鋼具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，有比鐵素體/珠光體鋼更好的抗高溫氧化性能，同時(shí)還有優(yōu)良高溫?zé)釓?qiáng)性能。但由于奧氏體不銹鋼的物理性能與低碳鋼和低合金鋼相比有很大差異，如奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱率只有低碳鋼的三分之一，線膨脹系數(shù)比低碳鋼高約50%，有晶間腐蝕傾向，成本高等，所以，奧氏體不銹鋼在鍋爐受熱面管上未被大量使用，同時(shí)也因?yàn)檫@些不足，給焊接工作帶來了一些不利影響。3、奧氏體不銹鋼的焊接性能奧氏體不銹鋼比其他不銹鋼更容易焊接，不因溫度變化發(fā)生相變，對氫脆不敏感，在焊態(tài)下奧氏體不銹鋼接頭也有較好的塑性和韌性。焊接的主要問題：易產(chǎn)生焊接熱裂紋、脆化、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、表面氧化，此外，因其導(dǎo)熱性能差、線膨脹系數(shù)大，所以焊接應(yīng)力和焊接變形較大。3.1焊接熱裂紋奧氏體不銹鋼較一般結(jié)構(gòu)鋼易產(chǎn)生焊接熱裂紋，焊縫的金相組織、化學(xué)成分和焊接應(yīng)力是導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生熱裂紋的主要原因。奧氏體穩(wěn)定性好，對硫、磷等雜質(zhì)敏感，且與一些極限溶解度小的元素，如鋁、硅、鈦、鈮等，易形成低熔點(diǎn)共晶體，使金屬的實(shí)際凝固點(diǎn)溫度下降，從而増大結(jié)晶溫度區(qū)間；奧氏體導(dǎo)熱率低、線膨脹系數(shù)大，在焊接過程中易形成較大的焊接拉應(yīng)力；單相奧氏體焊縫易形成方向性強(qiáng)的粗大柱狀組織，有利于上述雜質(zhì)和元素的偏析，從而形成連續(xù)的晶間液態(tài)夾層。這些因素表明單相奧氏體不銹鋼焊接接頭呈現(xiàn)較大的熱裂紋敏感性。合金成分和金相組織是產(chǎn)生熱裂紋的“內(nèi)因”，焊接應(yīng)力是引起熱裂紋的重要的“外因”，奧氏體鋼導(dǎo)熱率低，線膨脹系數(shù)大，在焊接熱循環(huán)的作用下，焊縫在凝固過程中易形成較大的焊接內(nèi)應(yīng)力，為熱裂紋的產(chǎn)生創(chuàng)造了力學(xué)條件。焊接工藝是產(chǎn)生熱裂紋的另一個(gè)“外因”，為了避免焊縫枝晶粗大，以致增大偏析，應(yīng)盡量采用小的熱輸入量、不預(yù)熱、降低層間溫度，另外，合理的坡口設(shè)計(jì)和焊接順序、減少接頭拘束力，都有利于降低焊接應(yīng)力，防止焊接熱裂紋。3.2晶間腐蝕奧氏體不銹鋼焊接接頭晶間可能發(fā)生在焊縫區(qū)、熔合區(qū)，也可能發(fā)生在熱影響區(qū)的敏化區(qū)（600~1000℃）。在焊縫區(qū)，多層多道焊的前一層焊接熱影響區(qū)達(dá)到敏化溫度的區(qū)域，在晶界容易析出鉻的碳化物，形成貧鉻的晶粒邊界，若該區(qū)域正好露在焊縫表面，并與腐蝕介質(zhì)接觸，則會(huì)發(fā)生晶間腐蝕，防止焊縫區(qū)晶間腐蝕方法包括選用超低碳的焊接材料和含有Ti、Nb等穩(wěn)定化元素的焊接材料，調(diào)整焊縫成分，使奧氏體焊縫中獲得少量的δ相，利用δ相散布在奧氏體晶粒邊界上來阻隔形成連續(xù)的貧鉻層。熱影響區(qū)的敏化區(qū)晶間腐蝕產(chǎn)生的原因也晶界容易析出鉻的碳化物，形成貧鉻的晶粒邊界所致，可以通過采取低的焊接線能量，快速通過敏化溫度區(qū)的方式來避免產(chǎn)生熱影響區(qū)晶間腐蝕。熔合區(qū)的晶間腐蝕通常只發(fā)生在含有Ti、Nb合金的奧氏體不銹鋼中，主要原因也是在晶界M23C6沉淀而形成貧鉻層所致，可以采用超低碳焊材、小的焊接線能量來避免熔合區(qū)的晶間腐蝕。3.3應(yīng)力腐蝕奧氏體不銹鋼焊接接頭對應(yīng)力腐蝕比較敏感，因?yàn)樗膶?dǎo)熱率小、線膨脹系數(shù)大，焊后存在較大的焊接殘余應(yīng)力，為應(yīng)力腐蝕開裂創(chuàng)造了必要條件。減少焊接殘余應(yīng)力的影響，對電站不銹鋼管道或構(gòu)件而言，退火處理是不可取的，只能通過工藝手段加以控制，如采用窄坡口、小的線能量、控制層間溫度、對稱施焊等。3.4焊接接頭的脆化前面說過，為了避免鎳含量較低（Ni<15%）的奧氏體不銹鋼產(chǎn)生焊接熱裂紋，通常希望通過選擇焊材來使焊縫出現(xiàn)少量的δ相，當(dāng)δ相較多時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，這主要是由于焊縫中的δ相在高溫下析出而脆化，為了確保焊縫的塑性和韌性，研究表明，長期在高溫狀態(tài)下工作的奧氏體不銹鋼焊縫中所含的δ相的體積比應(yīng)小于5%。3.5焊接接頭表面氧化奧氏體不銹鋼接頭中有多種合金元素，在焊接過程中，如果對熔池及高溫成型區(qū)保護(hù)不好，將引起合金元素的氧化，鉻等合金元素的氧化使焊縫表面出現(xiàn)貧鉻區(qū)，加劇焊縫晶間腐蝕，由于表面合金氧化物很脆，運(yùn)行過程中易脫落，嚴(yán)重影響表面成型，在應(yīng)力的作用下很容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。4、奧氏體不銹鋼焊接工藝電站奧氏體不銹鋼多用于壁厚一般不超過6mm的壓力管道及管件，且焊口分散，在制訂焊接工藝時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮質(zhì)量、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)因素。4.1焊接方法手工鎢極氬弧的氬氣保護(hù)效果好，合金元素過渡系數(shù)高，焊縫成分易于控制，同時(shí)由于氬弧焊熱量集中、熱影響區(qū)窄，晶粒長大傾向小，加上良好的氬氣冷卻效果，焊縫成型好，可進(jìn)行全位置焊接，氬弧焊對對口質(zhì)量、環(huán)境要求較高，易于保證焊接質(zhì)量，所以電站不銹鋼壓力管道對接焊口通常采用手工鎢極氬弧焊；而對于厚度不等的插接式角接接頭，為了保證熔合效果，通常采用熱量不是特別集中、熱影區(qū)稍大的手工電弧焊。4.2焊接材料選用焊接材料通常根據(jù)奧氏體不銹鋼材質(zhì)、工作條件（溫度和介質(zhì)）、焊接方法來選擇，原則上選用使焊縫金屬成分與母材相同或相近的焊接材料，同時(shí)考慮以下因素：4.2.1由于焊縫含碳量對其耐腐蝕性能影響較大，因此，盡量選用含碳量較低的焊接材料，以確保熔敷金屬的含碳量不高于母材。4.2.2對鍋爐過熱器、再熱器管等工作在高溫條件下的奧氏體不銹鋼，在保證焊縫金屬具有與母材化學(xué)成分相近的同時(shí)，選擇含有鉬、鎢、錳等提高熱強(qiáng)性和抗裂性合金的焊接材料。4.2.3對于化水系統(tǒng)輸送鹽酸、硫酸、鹽類水溶液等酸性介質(zhì)的奧氏體不銹鋼管，選用焊接材料除了保證與母材相近的鉻鎳含量外，還應(yīng)考慮含有適量的鉬、銅元素，以提高焊縫的耐腐蝕性。4.2.4對于要求具有雙相奧氏體組織的不銹鋼焊縫，因含有一定量的鐵素體，宜選用焊接工藝性能好的鈦型或鈦鈣型藥皮的焊條；對于要求具有單相奧氏體組織的不銹鋼焊縫抗裂性能較差，宜選用堿性藥皮的奧氏體鋼焊條。4.2.5在電站熱力設(shè)備中，珠光體耐熱鋼與奧氏體不銹鋼形成的異種鋼接頭比較常見，如鍋爐受熱面管、熱工儀表取樣測試管等，由于化學(xué)成分和金相組織差異，根據(jù)舍夫勒-德龍組織圖，選擇與任何一側(cè)成分相近或介于兩者之間的焊接材料焊接，均會(huì)在非奧氏體鋼熔合線附近形成較寬的脆化過渡層（以馬氏體組織為多），嚴(yán)重影響接頭的抗裂性能，如果選用鎳基合金為填充材料，由于大大提高了奧氏體形成元素鎳的含量，將顯著減小脆化過渡層的寬度，改善接頭的抗裂性能。4.3焊接工藝要點(diǎn)4.3.1正確選擇焊材直徑焊接材料的直徑關(guān)系到焊接熱輸入量的大小，電站不銹鋼管由于壁厚較小，通常電焊選用2.5mm直徑的焊條，氬弧焊選用2.4mm直徑的焊絲。4.3.2焊接參數(shù)的選擇正如前文所述，奧氏體不銹鋼焊接線能量直接影響到接頭的抗裂性能、耐腐蝕性能、焊接變形等，因此，電站不銹鋼管焊接時(shí)，在保證完全焊透、完全熔合的情況下，盡量采用小電流、低電壓（短弧焊）焊接，以減少熱輸量，改善接頭性能，減少焊接變形。下表為電站奧氏體不銹鋼焊接常用的手工電焊和TIG焊的焊接推薦參數(shù)。焊接方法焊接材料的規(guī)格焊接電流（I/A）推薦弧長（mm）焊接速度(cm·min)氬氣流量(L/min)TIG?2.4110～1301～310～157～10SMAW?2.560～802～315～204.3.3工作場所的要求電站現(xiàn)場施工環(huán)境較差，而奧氏體不銹鋼焊縫受到油、銹、水、風(fēng)、灰等外來因素的影響將使其耐蝕性和強(qiáng)度變差，所以，焊前必須對焊接區(qū)及附近表面進(jìn)性徹底清理，室外焊接采取必要的防風(fēng)擋雨措施，爐內(nèi)焊接必須吹掃周圍灰塵，氬弧焊焊絲表面清理無污物，層間徹底清渣。4.3.4施焊要求選用電弧焊時(shí)，焊條必須烘干并存放在保溫桶內(nèi)備用。焊接過程中，采用直線運(yùn)條，不作橫向擺動(dòng)，大直徑管道采用雙人對稱施焊；多層焊接時(shí)，層間溫度不宜過高，可待冷至60℃以下清渣后再進(jìn)行焊接，層間接頭錯(cuò)開，收弧一定要填滿。4.3.5充氬保護(hù)電站壓力管道中、高合金鋼（含鉻量≥3%或總合金含量＞5%）的管子和管道焊口，為防止根層氧化或過燒，焊接時(shí)內(nèi)壁應(yīng)充氬氣或混合氣體保護(hù)。充氬示意圖如下：注：1、小管道內(nèi)水溶紙的位置應(yīng)距焊口處≥80mm。管道內(nèi)部充氬保護(hù)通常有兩種方法，一是置換充氬，它是將管子兩端封堵或在距焊接部位一定距離用水溶紙封堵（介質(zhì)為汽/水的管道），用氬氣將管內(nèi)空氣完成置換出來，這種方法主要用于小直徑管和短管；另一種是背充保護(hù)，它是利用一根壓扁的小管從對口間隙中伸到焊接部位的背面、以略小于正常氬弧焊的氬氣流量，游動(dòng)跟蹤保護(hù)，這種方法主要用于直徑較大的管子對接焊口。4.3.6技術(shù)措施4.3.6.1氬弧焊的焊接順序推薦如下圖所示：{注：{注：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示焊接順序}ⅣⅡⅢⅠⅣⅡⅢⅠ[a]水平固定[b]垂直固定4.3.6.2氬弧焊打底的焊層厚度不小于3mm,在打底結(jié)束前應(yīng)預(yù)留一處檢查孔，用肉眼認(rèn)真檢查焊縫根部，發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)及時(shí)采取補(bǔ)救措施。4.3.6.3采用鎢極氬弧焊打底的根層焊縫檢查后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行次層焊縫的焊接，以防產(chǎn)生裂紋。多層多道焊縫焊接時(shí)，應(yīng)逐層進(jìn)行檢查，經(jīng)自檢合格后，方可焊接次層，直至完成。4.3.6.4施焊過程中，層間溫度不高于60℃。4.3.6.5對于奧氏體不銹鋼焊縫，其單層焊道厚度不能超過焊條直徑，焊道寬度不能超過焊條直徑的4倍。4.3.6.6為減少焊接變形和接頭缺陷，直徑大于194mm的管子和鍋爐密排管（管子間距≤30mm）的對接焊口宜采取二人對稱焊。4.3.6.7施焊中，應(yīng)特別注意接頭和收弧的質(zhì)量，收弧時(shí)應(yīng)將熔池填滿。多層多道焊的接頭應(yīng)錯(cuò)開。4.3.6.8施焊過程中除工藝和檢驗(yàn)上要求分次焊接外，應(yīng)連續(xù)完成。4.4現(xiàn)場焊接4.4.1熱工儀表管道材質(zhì)多為1Cr18Ni9Ti。4.4.2焊接作業(yè)人員的要求擔(dān)任該項(xiàng)目的焊工具有相應(yīng)資格的合格證。4.4.3作業(yè)機(jī)械工具的要求焊機(jī)選用ZX7-400直流弧焊機(jī)，相應(yīng)數(shù)量的氬弧焊槍、鎢極、鎢夾、磁嘴、保溫筒、面罩、焊鉗、榔頭、鏨子、鋼絲刷等工具，且各種機(jī)具的質(zhì)量性能符合使用要求。4.4.4作業(yè)材料的選用及質(zhì)量要求焊絲選用H1Cr19Ni9Ti，應(yīng)有廠家的品質(zhì)證明書。4.4.5對施焊環(huán)境的要求在適當(dāng)?shù)奈恢猛晟瓢踩雷o(hù)設(shè)施，在存在易燃物品的施工區(qū)域，應(yīng)有完備的防火隔離措施。4.4.6具有相應(yīng)的焊接工藝評定書4.4.7焊接過程中注意事項(xiàng)4.4.7.1采用氬弧焊打底的根層焊縫檢查后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行次層焊縫的焊接，以防產(chǎn)生裂紋。多層多道焊縫焊接時(shí)，應(yīng)逐層進(jìn)行檢查，經(jīng)自檢合格后，方可焊接次層，直至完成。4.4.7.2層間焊縫的堆積厚度不大于所用焊條直徑，層間焊縫寬度不大于所用焊條直徑的4倍，否則應(yīng)采用多層多道焊。4.4.7.3為減少焊接變形，直徑大于194mm的管子的對接焊口宜采取二人對稱焊。4.4.7.4為了防止焊道根層氧化或過燒，焊接時(shí)必須采取背部充氬保護(hù)措施。用鐵絲串著棉布包封斷管口，焊縫坡口處用錫箔粘紙（建筑裝飾用）封堵形成一個(gè)氣室，利于充氬。且預(yù)留三個(gè)口向管內(nèi)充氬確保氬氣流動(dòng)，來提高管內(nèi)保護(hù)氬氣的純度，其流量控制在為15~20L/min為宜。充氬后，要感覺氬氣從坡