CN115198161B - 一种650℃及以上等级锅炉机组用集箱及其制备方法 - Google Patents

一种650℃及以上等级锅炉机组用集箱及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种650℃及以上等级锅炉机组用集箱及其制备方法，包括集箱本体和接管座，集箱本体和接管座焊接连接，集箱本体和接管座的材质均为析出强化型镍铁基高温合金，且集箱本体和接管座材质相同，集箱本体与接管座焊接采用的焊材材质为固溶强化型高温合金。本发明集箱本体和接管座的材质相同，集箱本体与接管座焊接采用的焊材材质为固溶强化型高温合金。固溶强化型高温合金在较宽的温域范围内具有组织稳定性且塑韧性良好的特点，以其作为焊材可简化焊接及焊后热处理工艺，并降低焊接接头开裂风险。同时为获得焊缝两侧融合线附近热影响区较一致的组织性能，集箱本体和接管座采用相同的合金材料，以大幅简化合金焊后热处理工艺。

Description

一种650℃及以上等级锅炉机组用集箱及其制备方法
技术领域
本发明涉及高温金属材料加工技术领域，具体涉及一种650℃及以上等级锅炉机组用集箱及其制备方法。
背景技术
作为一种清洁、低碳、高效的发电技术，高参数燃煤发电已成为我国火电行业发展的主要趋势。随着参数的提高，燃煤机组中多种热通道关键部件均需选用以高温合金为主的新型材料。其中，高温集箱具有外形结构复杂、服役工况严苛等特点，需尽可能确保其内部组织结构与应力分布均匀。650℃等级以上机组中，集箱对材料的高温持久强度、抗氧化性能、加工成型与焊接性能均有较高要求。析出强化型镍铁基高温合金具有良好的高温性能及优异的性价比，因而其作为集箱材料具有良好的前景。为保障集箱的服役性能要求，铁素体耐热钢中加入了较高的合金化元素(Al、Ti、Nb、W、Mo、Cr等)，在改善其高温性能并降低材料成本的同时，也会造成其组织稳定性相对较差。与此同时，镍铁基高温合金热膨胀系数相对较大，在多道次焊接热循环过程中容易产生较大的残余应力。因此，选用析出强化型镍铁基高温合金作为集箱材料，由于其热膨胀系数较大、组织稳定性较差等问题将对集箱的制备成型与运行服役带来影响，对焊材与焊接工艺、焊后热处理参数选择提出较高要求。其中，集箱本体与接管座相连的角焊缝处应力集中较大，往往成为集箱服役过程中开裂失效的主要位置。过/再热器(锅炉)服役环境与集箱相比更加严苛，具有更高的服役温度与煤灰/烟气腐蚀等环境，因此合金中往往含有更高的Cr、Al、Ti等元素含量。这类管材在保证较高的强度与耐蚀性能的同时，其组织稳定性往往相对较低。将其直接与集箱用合金化程度相对较低的管材对焊时，焊后热处理工艺往往需要兼顾两类性能差异较大的材料，无法发挥两种材料自身的性能优势，最终造成焊接接头强度明显较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种650℃及以上等级锅炉机组用集箱及其制备方法，可简化焊接及焊后热处理工艺，并降低焊接接头开裂风险。
本发明通过以下技术方案实现：
一种650℃及以上等级锅炉机组用集箱，包括集箱本体和接管座，集箱本体和接管座焊接连接，集箱本体和接管座的材质均为析出强化型镍铁基高温合金，且集箱本体和接管座材质相同，集箱本体与接管座焊接采用的焊材材质为固溶强化型高温合金；接管座另一端通过变径管与锅炉管相连，并且变径管长度不低于200mm，变径管材质与锅炉管材质相同。
优选的，按照质量百分比计，所述析出强化型镍铁基高温合金的成分满足Fe：35％-45％，Cr：15％-21％，Mo：0.5％-1.4％，W：0.1％-0.8％，Ti：1.8％-2.5％，Al：0.8％-2.5％，Mn：≤1.0％，Nb：≤0.1％，Co：≤2％，Si：≤0.05％，C：0.03％-0.10％，B：0.001％-0.005％，P：≤0.01％，余量为Ni；所述的Cr+Ni的质量百分比大于50％，W+Mo的质量百分比为0.6％-1.5％。
优选的，按照质量百分比计，所述固溶强化型高温合金中Al和Ti总含量不超过2.0％。
所述的650℃及以上等级锅炉机组用集箱的制备方法，采用预制方式，将接管座与集箱本体经焊前处理、焊接、焊后处理，得到预制集箱。
优选的，当集箱本体和接管座的材质为上述的析出强化型镍铁基高温合金时，焊前处理具体为：以10℃/min-15℃/min的速率升温至880℃-950℃，保温不超过1h，完成后以3℃/min-5℃/min的速率升温至1040℃-1120℃，保温1h-3h，然后降温至900℃-1020℃，保温30min-90min，再冷却至室温。
进一步的，当集箱本体壁厚超过100mm时，冷却采用空冷的方式进行。
进一步的，经过焊前处理后，所述析出强化型镍铁基高温合金的晶内Ni3Al析出相体积分数低于3％，晶界碳化物比例在1％-5％范围内且单个碳化铬尺寸最大不超过3μm，室温延伸率和断面收缩率分别不低于20％和25％，650℃延伸率和断面收缩率分别不低于30％和35％。
进一步的，经焊前处理后所述析出强化型镍铁基高温合金在800℃平均线膨胀系数不超过16.5×10-6/℃。
优选的，当集箱本体和接管座的材质为上述的析出强化型镍铁基高温合金时，焊后处理具体为：
若焊接接头处最大壁厚小于30mm，则处理温度在晶内Ni3Al析出相析出温度下限以下10℃-100℃范围内，保温时间不低于20h，完成后空冷；
若焊接接头处最大壁厚不小于30mm，则处理温度在晶内Ni3Al析出相析出温度上限以上10℃-100℃范围内，保温时间不超过5h，完成后水冷。
进一步的，焊后处理完成后，析出强化型镍铁基高温合金的晶内Ni3Al析出相体积分数不高于5％。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明集箱本体和接管座的材质相同，集箱本体与接管座焊接采用的焊材材质为固溶强化型高温合金。固溶强化型高温合金在较宽的温域范围内具有组织稳定性且塑韧性良好的特点，以其作为焊材可简化焊接及焊后热处理工艺，并降低焊接接头开裂风险。同时为获得焊缝两侧融合线附近热影响区较一致的组织性能，集箱本体和接管座采用相同的合金材料，以大幅简化合金焊后热处理工艺。选择同种材料作为接管座还可以有效改善焊后热处理效果，同时材料的理化特性匹配也可以达到最优。但由于集箱用材的高温强度性能往往相对较低，因此以其作为接管座时需要更大的壁厚，故在接管座另一端通过变径管与锅炉管相连，保障足够的强度性能。
本发明650℃及以上等级锅炉机组用集箱的制备方法，可以采用预制方式，这是因为集箱本体和接管座的材质相同，热处理工艺一致，可以在预制厂通过焊前处理、焊接、焊后处理直接制造，不但工序简单，产品质量也能很好的保证。
进一步的，集箱本体与接管座在焊前进行高温焊前热处理，确保合金中晶内Ni3Al与晶界碳化物体积分数分别在3％与5％以内，避免焊接过程中因为材料强度过高而出现的开裂倾向。同时，由于晶内析出相在600℃以上析出过程中具有吸收热量以及降低热膨胀系数等效果，可以一定程度降低焊接过程中的残余应力。
进一步的，集箱焊接完成后进行焊后热处理，在避免晶内第二相大量析出的同时降低焊后的残余应力。第二相析出生长过程会造成较大的内应力，同时强度的快速提高也不利于焊接残余应力释放。因此选择在第二相析出温度下限以下进行长时保温，以尽可能消除焊接应力。
附图说明
图1为实施例1结构设计示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行描述，这些描述只是进一步解释本发明的特征和优点，并非用于限制本发明的权利要求。
如图1，本发明650℃及以上等级锅炉机组用集箱，包括集箱本体和接管座，集箱本体和接管座焊接连接，且集箱本体和接管座采用同种材质。接管座一端与所述的集箱本体焊接，另一端与过热器和再热器等锅炉受热面小口径管即高温锅炉管焊接。此外，集箱本体与接管座焊接应选用高温合金作为焊材。
集箱本体公称直径200mm以上，壁厚50mm-150mm，管接座公称直径低于200mm，壁厚7mm-25mm。
在本发明实施例中，集箱本体和接管座均采用析出强化型镍铁基高温合金(专利号：ZL 201911296733.3)制造，按照质量百分比计，其成分满足Fe：35％-45％，Cr：15％-21％，Mo：0.5％-1.4％，W：0.1％-0.8％，Ti：1.8％-2.5％，Al：0.8％-2.5％，Mn：≤1.0％，Nb：≤0.1％，Co：≤2％，Si：≤0.05％，C：0.03％-0.10％，B：0.001％-0.005％，P：≤0.01％，余量为Ni；所述的Cr+Ni的重量百分比大于50％，W+Mo的重量百分比为0.6％-1.5％。合金中析出相应满足L12结构，优选Ni3Al、Ni3(Al,Ti)等为晶内析出相。
集箱本体与接管座焊接应选用In625与In617等固溶强化型高温合金及其衍生合金。
本发明650℃及以上等级锅炉机组用集箱的制备方法，采用预制方式，即接管座与集箱本体在预制厂直接经焊前处理、焊接、焊后处理得到集箱，再将集箱运输至发电厂与高温锅炉管焊接。
针对采用上述析出强化型镍铁基高温合金的集箱本体和接管座，本发明集箱的制备方法，具体包括：
步骤1，焊前处理：接管座与集箱本体焊前均采用三步固溶处理，以10℃/min-15℃/min的速率随炉升温至880℃-950℃范围内保温不超过1h，完成后合金以3℃/min-5℃/min的速率升温至1040℃-1120℃保温1h-3h，最后将合金在900℃-1020℃范围内保温30min-90min并冷却(水冷或空冷)至室温。此外，当集箱本体壁厚超过100mm时冷却应采用空冷的方式进行，避免过大的残余应力对后续焊接造成影响。所述析出强化型镍铁基高温合金固溶处理完成后晶内Ni3Al析出相体积分数低于3％，晶界碳化物比例1％-5％范围内，且单个碳化铬尺寸最大不超过3μm。其在加工成型过程中产生的残余应力基本消除，室温延伸率与断面收缩率分别不低于20％与25％，650℃延伸率与断面收缩率分别不低于30％与35％。
步骤2，接管座与集箱本体焊接连接。
步骤3，焊后处理：接管座与集箱本体焊接完成后应进行去应力处理，其中焊接接头处最大壁厚小于30mm时，处理温度应在晶内Ni3Al析出相析出温度下限以下10℃-100℃范围内，保温时间不应低于20h，完成后空冷；焊接接头处最大壁厚大于等于30mm时，处理温度应在晶内Ni3Al析出相析出温度上限以上10℃-100℃范围内，保温时间不应超过5h，完成后水冷。去应力处理完成后晶内Ni3Al析出相体积分数不应高于5％，去应力处理期间角焊缝处无再热裂纹产生。
本发明以下实施例采用的集箱本体与接管座成分满足C：0.05％，Cr：16％，Mn：0.1％，Si：0.025％，W：0.3％，Mo：0.6％，Ti：1.8％，Al：1.6％，B：0.002％，Co：1.0％，Fe：40％，余量为Ni。
实施例1
集箱本体外径325mm，壁厚70mm，长度1600mm，接管座外径89mm，壁厚20mm，长度130mm。接管座与集箱本体焊前均采用三步固溶处理，合金首先以15℃/min的速率随炉升温至950℃范围内保温0.5h，完成后合金以5℃/min的速率升温至1080℃保温1h，最后将合金在1000℃范围内保温30min，最终空冷至室温，经三步固溶处理处理后，所述析出强化型镍铁基高温合金的晶内析出相体积分数低于3％，晶界碳化物比例在1％-5％范围内，且单个碳化铬尺寸最大不超过3μm，室温延伸率和断面收缩率分别不低于30％和35％，在800℃平均线膨胀系数不超过16.5×10-6/℃。选用617B合金作为焊材，焊接完成后在980℃进行去应力处理，保温时间4h，完成后水冷，去应力处理后晶内析出相体积分数不高于5％。
实施例2
集箱本体外径325mm，壁厚70mm，长度1600mm，接管座外径89mm，壁厚20mm，长度130mm。接管座与集箱本体焊前均采用三步固溶处理，合金首先以10℃/min的速率随炉升温至880℃范围内保温1h，完成后合金以3℃/min的速率升温至1040℃保温3h，最后将合金在900℃范围内保温90min，最终空冷至室温，经三步固溶处理处理后，所述析出强化型镍铁基高温合金的晶内析出相体积分数低于3％，晶界碳化物比例在1％-5％范围内，且单个碳化铬尺寸最大不超过3μm，室温延伸率和断面收缩率分别不低于30％和35％，在800℃平均线膨胀系数不超过16.5×10-6/℃。选用625合金作为焊材，焊接完成后在950℃进行去应力处理，保温时间5h，完成后水冷，去应力处理后晶内析出相体积分数不高于5％。
实施例3
集箱本体外径325mm，壁厚70mm，长度1600mm，接管座外径89mm，壁厚20mm，长度130mm。接管座与集箱本体焊前均采用三步固溶处理，合金首先以12℃/min的速率随炉升温至900℃范围内保温1h，完成后合金以5℃/min的速率升温至1120℃保温2h，最后将合金在1020℃范围内保温60min，最终空冷至室温，经三步固溶处理处理后，所述析出强化型镍铁基高温合金的晶内析出相体积分数低于3％，晶界碳化物比例在1％-5％范围内，且单个碳化铬尺寸最大不超过3μm，室温延伸率和断面收缩率分别不低于30％和35％，在800℃平均线膨胀系数不超过16.5×10-6/℃。选用617B合金作为焊材，焊接完成后在980℃进行去应力处理，保温时间3h，完成后水冷，去应力处理后晶内析出相体积分数不高于5％。

Claims (7)

1. 一种650℃及以上等级锅炉机组用集箱的制备方法，其特征在于，所述650℃及以上等级锅炉机组用集箱包括集箱本体和接管座，集箱本体和接管座焊接连接，集箱本体和接管座的材质均为析出强化型镍铁基高温合金，且集箱本体和接管座材质相同，集箱本体与接管座焊接采用的焊材材质为固溶强化型高温合金；接管座另一端通过变径管与锅炉管相连，并且变径管长度不低于200mm，变径管材质与锅炉管材质相同；按照质量百分比计，所述析出强化型镍铁基高温合金的成分满足Fe：35%-45%，Cr：15%-21%， Mo：0.5%-1.4%，W：0.1%-0.8%，Ti：1.8%-2.5%，Al：0.8%-2.5%，Mn：≤1.0%，Nb：≤0.1%，Co：≤2%，Si：≤0.05%，C：0.03%-0.10%，B：0.001%-0.005%，P：≤0.01%，余量为Ni；所述的Cr+Ni的质量百分比大于50%，W+Mo的质量百分比为 0.6%-1.5%；
采用预制方式，将接管座与集箱本体经焊前处理、焊接、焊后处理，得到预制集箱；焊前处理具体为：以10℃/min-15℃/min的速率升温至880℃-950℃，保温不超过1h，完成后以3℃/min-5℃/min的速率升温至1040℃-1120℃，保温1h-3h，然后降温至900℃-1020℃，保温30min-90min，再冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的650℃及以上等级锅炉机组用集箱的制备方法，其特征在于，当集箱本体壁厚超过100mm时，冷却采用空冷的方式进行。
3.根据权利要求1所述的650℃及以上等级锅炉机组用集箱的制备方法，其特征在于，经过焊前处理后，所述析出强化型镍铁基高温合金的晶内Ni3Al析出相体积分数低于3%，晶界碳化物比例在1%-5%范围内且单个碳化铬尺寸最大不超过3μm，室温延伸率和断面收缩率分别不低于20%和25%，650℃延伸率和断面收缩率分别不低于30%和35%。
4.根据权利要求1所述的650℃及以上等级锅炉机组用集箱的制备方法，其特征在于，经焊前处理后所述析出强化型镍铁基高温合金在800℃平均线膨胀系数不超过16.5×10-6/℃。
5.根据权利要求1所述的650℃及以上等级锅炉机组用集箱的制备方法，其特征在于，焊后处理具体为：
若焊接接头处最大壁厚小于30mm，则处理温度在晶内Ni3Al析出相析出温度下限以下10℃-100℃范围内，保温时间不低于20h，完成后空冷；
若焊接接头处最大壁厚不小于30mm，则处理温度在晶内Ni3Al析出相析出温度上限以上10℃-100℃范围内，保温时间不超过5h，完成后水冷。
6.根据权利要求5所述的650℃及以上等级锅炉机组用集箱的制备方法，其特征在于，焊后处理完成后，析出强化型镍铁基高温合金的晶内Ni3Al析出相体积分数不高于5%。
7.根据权利要求1所述的650℃及以上等级锅炉机组用集箱的制备方法，其特征在于，按照质量百分比计，所述固溶强化型高温合金中Al和Ti总含量不超过2.0%。
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