CN116275401A - 一种应用于先进超超临界锅炉材料的大口径管异种钢焊接工艺 - Google Patents

一种应用于先进超超临界锅炉材料的大口径管异种钢焊接工艺 Download PDF

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Abstract

一种应用于先进超超临界锅炉材料的大口径管异种钢焊接工艺，属于焊接技术领域。本发明包括步骤S1.焊前准备，制备坡口，并对坡口及其内外壁两侧进行清理，除水、除油、除杂处理；步骤S2.采用手工钨极氩弧焊实施第一次焊接；步骤S3.采用焊条电弧焊实施第二次焊接；步骤S4.焊后处理，焊后及焊接中断立即进行200‑250℃/1‑2h的后热处理，之后对焊接接头进行755±15℃/4h去应力退火热处理。本发明通过对焊材选取、坡口制备、保护气体种类和流量、焊接规范参数等工艺的控制解决UNS S31035与SA‑335P92大口径管焊接容易产生P92侧热影响区冷裂纹、焊缝区热裂纹、焊道间及焊道与母材间熔合不良等问题，确保形成力学性能优良、成形美观的焊接接头。

Description

一种应用于先进超超临界锅炉材料的大口径管异种钢焊接 工艺
技术领域
本发明涉及先进超超临界电站锅炉异种材料大口径管加工领域，具体涉及一种应用于先进超超临界锅炉材料的大口径管异种钢焊接工艺。
背景技术
瑞典山特维克(SANDVIK)材料技术公司开发了一种新型奥氏体不锈钢，主要用于欧洲AD700试验平台项目。产品已列入ASTM A-213和ASTM A-312等材料标准，UNS号为S31035。
UNS S31035公称化学成份为22Cr-25Ni-3.5W-3Cu，由于拥有比现有超超临界锅炉高温集箱SA-335P92更高的高温强度、蠕变性能，可作为650℃等先进超超临界锅炉高温集箱筒身、高温管道的候选材料之一。
目前国内外均无该材料与SA-335P92大口径管焊接的相关制造经验，有关异种钢焊接工艺方法的选用，焊接材料的选择、焊接坡口制备、预热温度，焊缝层道间温度控制，电流电压选择、焊后热处理制度等都需要摸索及试验研究。
发明内容
本发明解决UNS S31035与SA-335P92大口径管的异种钢焊接工艺，以确保形成力学性能优良、成形美观的焊接接头。开发UNS S31035与SA-335P92大口径管的焊接工艺可以为650℃等先进超超临界锅炉制造提供技术储备，具有重大意义。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种应用于先进超超临界锅炉材料的大口径管异种钢焊接工艺，是对管子规格为Φ168×30mm的SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管进行焊接连接，包括以下步骤：
步骤S1.焊前准备
对SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管的焊接接口处制备坡口，并对坡口及其内外壁两侧进行清理，除水、除油、除杂处理；
步骤S2.采用手工钨极氩弧焊实施第一次焊接
对SA-335P92合金钢管侧进行焊前预热，氩弧焊焊前预热温度150℃-200℃，并采用手工钨极氩弧焊对SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管的坡口根部实施焊接，焊接的焊缝层数为2层，焊缝层间温度控制在200℃以下(150℃-200℃)；
步骤S3.采用焊条电弧焊实施第二次焊接
对第一次焊接后的SA-335P92合金钢管侧进行焊前预热，焊条电弧焊焊前预热温度200℃-250℃，并采用焊条电弧焊方式焊接填充SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管之间的剩余坡口，焊缝层间温度控制在250℃以下(200℃-250℃)；
步骤S4.焊后处理
焊后及焊接中断立即进行200-250℃/1-2h的后热处理，之后对焊接接头进行755±15℃/4h去应力退火热处理，热处理保温时间及升降温速度可根据焊缝厚度调整。
优选的：所述步骤S1中，制备坡口时，对管子规格为Φ168×30mm的SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管的具体尺寸要求为：根部间隙1.5-2.5mm,根部半径R6,钝边2mm(0，+0.5)，坡口面角度20°，坡口角度40°。
优选的：步骤S2中，采用手工钨极氩弧焊实施第一次焊接时，焊接电流90A-110A，电压10V-12V，焊材选择Φ2.4mm的镍基合金焊丝，焊枪流量10-20L/min。
优选的：所述镍基合金焊丝的型号为：AWS ERNiCr-3。
优选的：步骤S2中，采用手工钨极氩弧焊实施第一次焊接前，对SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管内充氩进行保护，并利用氧气含量测定仪对大口径管内壁进行检验，当示数达到0.2％以下时方可施焊，内部氩气保护应至少保持到第一次焊接完毕。
优选的：步骤S3中，采用焊条电弧焊实施第二次焊接时，焊接电流90A-100A，电压21V-28V，焊材选择Φ3.2mm的镍基合金焊条。
优选的：所述镍基合金焊条的型号为：AWS ENiCrFe-2。
本发明有益效果在于：
1、本发明通过对焊材选取、坡口制备、保护气体种类和流量、焊接规范参数等工艺的控制解决UNS S31035与SA-335P92大口径管焊接容易产生P92侧热影响区冷裂纹、焊缝区热裂纹、焊道间及焊道与母材间熔合不良等问题，确保形成力学性能优良、成形美观的焊接接头，为独创的针对UNS S31035与SA-335P92大口径合金管的异种钢焊接工艺。焊接接头按照NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》进行评定试验，结果合格。
2、为了保证SA-335P92侧热影响区的性能，焊后应进行后热，目的是控制该侧的冷却速度，降低焊接接头中产生的残余应力，防止冷裂纹的发生。
3、500-10000小时的高温长时时效实验结果表明，采用600焊材的焊接接头高温时效后冲击吸收能量下降平缓，到达10000小时后仍可达70J。
附图说明
图1是一种应用于先进超超临界锅炉材料的大口径管异种钢焊接工艺流程图；
图2是SA-335P92与UNS S31035大口径管对接坡口图；
图3是本发明焊后热处理曲线图；
图4是具体实施方式三中外套壳与钢管的安装结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
在具体实施方式中，需要说明的是，SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管进行焊接连接，异种钢焊接易出现的缺陷如下：
(1)焊缝区及奥氏体钢侧热影响区热裂纹：马氏体钢和奥氏体钢两者的热导率和线性膨胀系数存在差别，熔池两侧液态金属凝固速度不同，这些导致了异种钢焊接接头的约束强度和热应力上升，同时会增加热裂纹的敏感性。
通过降低焊接热输入控制液化裂纹，通过对焊接区清洁度的控制及清理，控制每个焊道的形状、尺寸，避免下凹成形等方式来避免焊缝凝固裂纹。根据本发明优选的电参数采用低的热输入量以获得小的焊缝尺寸，降低凝固收缩应变。
(2)热影响区的软化：SA-335P92合金钢为马氏体耐热钢，它的供货状态为正火+回火。焊接时，在细晶热影响区和临界热影响区将会产生软化现象。造成这一现象的主要原因是焊接时，细晶热影响区的所经受的温度稍高于Ac3，临界热影响区所经受的温度在Acl～Ac3之间，处于这一温度区间的金属发生部分奥氏体化，沉淀强化相在这一过程中不能够完全溶解在奥氏体中，在随后的热过程中未溶解的沉淀相发生粗化，造成这一区域的强度降低。软化对短时高温拉伸强度影响不大，但降低持久强度，长期高温运行后，在软化区常常会产生Ⅳ型裂纹。为了提高SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管焊接接合效果，在以下实施方式中给出了具体焊接工艺过程及工艺要求。
具体实施方式一：
一种应用于先进超超临界锅炉材料的大口径管异种钢焊接工艺，是对管子规格为Φ168×30mm的SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管进行焊接连接，包括以下步骤：
步骤S1.焊前准备
对SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管的焊接接口处制备坡口，如图2所示，并对坡口及其内外壁两侧进行清理，除水、除油、除杂处理；
步骤S2.采用手工钨极氩弧焊实施第一次焊接
对SA-335P92合金钢管侧进行焊前预热，氩弧焊焊前预热温度150℃-200℃，并采用手工钨极氩弧焊对SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管的坡口处实施焊接，焊接的焊缝层数为2层，焊缝层间温度控制在200℃以下(150℃-200℃)；焊缝层间温度过高会引起热影响区晶粒粗大及焊缝热裂纹，使焊缝强度及SA-335P92侧热影响区低温冲击韧性下降。如低于预热温度则SA-335P92侧可能在焊接过程中产生冷裂纹。因此在实施第一次焊接时，要求焊缝层间温度不低于预热温度，且最高温度控制在200℃以下。
具体实施第一次焊接过程包括：
步骤S11、利用手工钨极氩弧焊焊枪将SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管的接口点焊四个焊点，四个焊点沿着待焊接的两根钢管外沿圆周面呈360°均匀阵列布置，通过四个焊点连接固定两根钢管，以防在焊接过程中待焊接的两根钢管发生相对窜动，避免因窜动导致焊接过程母材的熔池流动不均匀或流动到非焊接区，导致焊接质量下降；
步骤S12、调节手工钨极氩弧焊焊枪的电弧的方向，使焊枪的电弧的方向与坡口钝边面平行，再在起焊位置与待焊接的钢管中心线的垂线方向上调节焊枪的电弧方向，使电弧的方向向上偏5-10°；
步骤S13、实施第一层焊缝焊接，保持焊枪焊速均匀，第一层焊缝宽度≤10mm，厚度≤2mm；
步骤S14、检查第一层焊缝缺陷，若出现焊缝不直、未熔合、气孔、成形型不良缺陷，则停止焊接，并打磨清除缺陷，然后返回步骤S13重新焊接，若满足条件则执行步骤S15；
步骤S15、控制焊缝层间温度150℃-200℃，实施第二层焊缝焊接，保证第二层焊缝覆盖第一层焊缝表面一侧2-4mm(即第二层焊缝宽度≤14mm)，厚度≤2mm；
步骤S16、检查第二层焊缝缺陷，若出现焊缝不直、未熔合、气孔、成形不良缺陷，则停止焊接，并打磨清除缺陷，然后返回步骤S15重新焊接，若满足条件则执行步骤S17；
步骤S17、对焊缝进行100％外观检查，清除弧坑裂纹、气孔、夹渣、咬边、飞溅，备用，用于焊条电弧焊实施第二次焊接；
步骤S3.采用焊条电弧焊实施第二次焊接
对第一次焊接后的SA-335P92合金钢管侧进行焊前预热，焊条电弧焊焊前预热温度200℃-250℃，并采用焊条电弧焊方式焊接填充SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管之间的剩余坡口，焊缝层间温度控制在250℃以下(200℃-250℃)；
步骤S4.焊后处理
焊后及焊接中断立即进行200-250℃/1-2h的后热处理，之后对焊接接头进行755±15℃/4h去应力退火热处理，热处理保温时间及升降温速度可根据焊缝厚度调整。
熔合线两侧材料物理性能不匹配，膨胀系数、导热系数存在明显差异，因而在熔合线附近产生附加应力。采用本实施方式的焊接方法后，焊接过程中采用小电流，窄焊道进行焊接，防止焊接层道间温度过高。同时为了更有利于焊缝熔合区的合金元素向母材扩散，在电弧作用在SA-335P92侧母材时停留时间增加，提高熔池存在及搅拌时间，保证低合金钢侧熔合良好。
由于填充金属与母材化学成分相差悬殊，在焊接热循环作用下，合金元素会发生强烈的扩散，由于熔合区组织不均匀，在熔合区存在一个高硬度的马氏体层，从而导致力学性能不均匀。另一方面接头在高温长期运行时，铁素体母材中的碳会向焊缝迁移，产生增碳层和贫碳的铁素体带，从而影响接头的高温性能。采用本实施方式的焊接材料后，接头力学性能良好，且镍基焊材高温性能更加稳定。
具体实施方式二：
在本实施方式中，针对步骤S1进行焊前准备，制备坡口时，对管子规格为Φ168×30mm的SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管的具体尺寸要求为：根部间隙1.5-2.5mm,根部半径R6,钝边2mm(0，+0.5)，坡口面角度20°，坡口角度40°。
具体实施方式三：
在本实施方式中，步骤S2中，采用手工钨极氩弧焊实施第一次焊接前，对SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管内充氩进行保护，并利用氧气含量测定仪对大口径管内部进行检验，当示数达到0.2％以下时方可施焊，内部氩气保护应至少保持到第一次焊接完毕。如此设置，在管子内进行充氩保护的目的是为了防止在焊接高温的作用下，管道的内壁焊接处表面产生氧化，具体做法是，在SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管的两端用纸壳或橡胶板进行封口，然后由封口的一端打一个φ3mm-φ5mm的排放孔，安装多孔散气装置，充入氩气，保证在焊缝附近氩气均匀充满。管内充氩保护时，由于管子规格为Φ168×30mm，要求氩气流速范围为：25L/min-30L/min，以避免流量过小，保护不好，焊缝背面容易氧化，流量过大，焊接时产生涡流带入空气，也会导致表面氧化。
在SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管内充氩气时，使用橡胶板制作两个内嵌壳100，两个内嵌壳100分别嵌入SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管距坡口100mm的两端，并用隔振棉进行密封，然后在其中一个内嵌壳100上打一个φ3mm-φ5mm的排放孔，安装多孔散气装置，通过散气装置一侧的管子充入氩气。焊前将坡口位置采用耐高温胶带进行封堵，在进行焊接时，钢管需要装夹在匀速转动的设备/工装上，根据焊缝位置不断调整耐高温胶带保护的区域。随着首层焊接过程逐渐完成，减小气体流量至6L/min-8L/min，保证最后一段焊缝焊接时因溢出的背面保护氩气含量过大影响焊接质量。而内嵌壳100和隔振棉的作用包括：1)对被焊接的两根钢管两端进行内嵌式密封，减小充氩空间并采用外部封堵，确保充入氩气时不会有空气被带入管内，从而在焊接过程中放置空气对熔池侵蚀而引起氧化，使焊缝区域得到保护，提高管子的焊接性能；2)采用多孔散气装置充氩保证氩气均匀流入密闭空间，防止局部气体流量较大，保护效果不佳；3)内嵌壳100和隔振棉在管子的内侧，能够起到隔振的效果，避免在焊接过程中，因钢管被装夹到设备/工装上，由于设备/工装振动将振动力传递给管子，导致焊接过程熔池流向不均，影响钢管对接焊接质量。
具体实施方式四：
在本实施例中，对材料要求:SA-335P92供货状态为正火+回火，UNS S31035供货状态为固溶退火，管子规格Φ168×30mm；材料化学成分及力学性能符合ASME Sec.Ⅱ-A的相关要求；
具体焊接工艺要求如下：
焊前准备:制备坡口(见说明书附图2)，并对坡口及其内外壁两侧进行清理，去除水、油等污物；
焊接材料:奥氏体不锈钢与铁素体钢之间的异种钢焊接接头，由于两类钢的物理性能差异较大，导致接头适应不了长时间高温运行的工况，易发生早期失效。采用镍基填充金属可以控制脱碳层的形成和降低接头的热应力。综合考虑S31035与P92焊接接头两侧母材的合金成分差异、工作温度等因素，最终选用镍基焊材600进行焊接。
焊接方法：考虑焊接工艺方法在工地安装及制造厂的共同适用性，采用手工钨极氩弧焊(M-GTAW)+焊条电弧焊(SMAW)组合焊接工艺，具体见表1；
表1焊接规范参数
Figure BDA0004153900180000071
手工钨极氩弧焊(M-GTAW)焊接时焊枪使用的保护气体为单一Ar，氩气纯度在99.99％以上(符合GB/T 4842-2017)，焊枪流量10-20L/min，同时大口径管内壁需要充氩进行保护，第一层手工氩弧焊焊接前需要用氧气含量测定仪对大口径管内壁进行检验，当示数达到0.2％以下时方可施焊，内部氩气保护应至少保持到第二层焊接完毕。
焊前预热及层间温度控制：
手工钨极氩弧焊(M-GTAW)焊接时：SA-335P92侧需要进行焊前预热，预热能够加强焊材与管材的融合，氩弧焊焊前预热≥150℃，焊接2层，2层焊缝厚度为管子总厚度的1/10或2/15，在本实施例中，2层焊缝厚度为：3-4mm；焊缝层间温度控制在200℃以下；
焊条电弧焊(SMAW)焊接时：SA-335P92侧需要进行焊前预热，焊条电弧焊焊前预热≥200℃，焊缝层间温度控制在250℃以下；
焊后热处理:焊后及焊接中断立即进行200-250℃/1-2h的后热处理，之后对焊接接头进行755±15℃/4h去应力退火热处理，热处理曲线见图3，热处理保温时间及升降温速度可根据焊缝厚度调整，焊后为了保证SA-335P92侧热影响区的性能，需通过控制该侧冷却速度，降低焊接接头中产生的残余盈利，极大降低淬硬组织的形成，避免SA-335P92侧出现冷裂纹或焊接接头脆化。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种应用于先进超超临界锅炉材料的大口径管异种钢焊接工艺，是对管子规格为Φ168×30mm的SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管进行焊接连接，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1.焊前准备
对SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管的焊接接口处制备坡口，并对坡口及其内外壁两侧进行清理，除水、除油、除杂处理；
步骤S2.采用手工钨极氩弧焊实施第一次焊接
对SA-335P92合金钢管侧进行焊前预热，预热温度150℃-200℃，并采用手工钨极氩弧焊对SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管的坡口处实施焊接，焊接的焊缝层数为2层，焊缝层间温度控制在200℃以下；
步骤S3.采用焊条电弧焊实施第二次焊接
对第一次焊接后的SA-335P92合金钢管侧进行焊前预热，预热温度200℃-250℃，并采用焊条电弧焊方式焊接填充SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管之间的剩余坡口，焊缝层间温度控制在250℃以下；
步骤S4.焊后处理
焊后及焊接中断立即进行200-250℃/1-2h的后热处理，之后对焊接接头进行755±15℃/4h去应力退火热处理。
2.根据权利要求1所述的一种应用于先进超超临界锅炉材料的大口径管异种钢焊接工艺，其特征在于：所述步骤S1中，制备坡口时，对管子规格为Φ168×30mm的SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管的具体尺寸要求为：根部间隙1.5-2.5mm,根部半径R6,钝边2mm(0，+0.5)，坡口面角度20°，坡口角度40°。
3.根据权利要求1所述的一种应用于先进超超临界锅炉材料的大口径管异种钢焊接工艺，其特征在于：步骤S2中，采用手工钨极氩弧焊实施第一次焊接时，焊接电流90A-110A，电压10V-12V，焊材选择Φ2.4mm的镍基合金焊丝，焊枪流量10-20L/min。
4.根据权利要求1所述的一种应用于先进超超临界锅炉材料的大口径管异种钢焊接工艺，其特征在于：所述镍基合金焊丝的型号为：AWS ERNiCr-3。
5.根据权利要求1所述的一种应用于先进超超临界锅炉材料的大口径管异种钢焊接工艺，其特征在于：步骤S2中，采用手工钨极氩弧焊实施第一次焊接前，对SA-335P92合金钢管和UNS S31035新型奥氏体耐热钢管内充氩进行保护，并利用氧气含量测定仪对大口径管内壁进行检验，当示数达到0.2％以下时方可施焊，内部氩气保护应至少保持到第一次焊接完毕。
6.根据权利要求1所述的一种应用于先进超超临界锅炉材料的大口径管异种钢焊接工艺，其特征在于：步骤S3中，采用焊条电弧焊实施第二次焊接时，焊接电流90A-100A，电压21V-28V，焊材选择Φ3.2mm的镍基合金焊条。
7.根据权利要求6所述的一种应用于先进超超临界锅炉材料的大口径管异种钢焊接工艺，其特征在于：所述镍基合金焊条的型号为：AWS ENiCrFe-2。
8.根据权利要求1所述的一种应用于先进超超临界锅炉材料的大口径管异种钢焊接工艺，其特征在于：焊接中断及焊后应进行后热处理，特征：200-250℃/1-2h。
9.根据权利要求1所述的一种应用于先进超超临界锅炉材料的大口径管异种钢焊接工艺，其特征在于：焊接接头进行去应力退火热处理，特征：755±15℃/4h。
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CN117206641A (zh) * 2023-11-08 2023-12-12 江苏港丰锅炉有限公司 T92管与TP310HCbN管的焊接方法

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