HR3C钢与T91钢的焊接

《HR3C钢与T91钢的焊接》由会员分享，可在线阅读，更多相关《HR3C钢与T91钢的焊接（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、内蒙古工业大学本科科研训练论文（二二 一一 四四 年年 十十 二二 月月本科科研训练论文本科科研训练论文学校代码：学校代码： 1012810128学学 号：号：201000412005201000412005 题题 目目：HR3CHR3C 钢与钢与 T91T91 钢的焊接和其焊接接头力学钢的焊接和其焊接接头力学性能性能姓姓 名名： 白白 七七 宝宝学学 院院： 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程系系 别别：材材 料料 成成 型型 及及 控控 制制 工工 程程专专 业业：焊焊 接接 技技 术术 与与 工工 程程班班 级级：焊焊民民 10指指导导教教师师：董董俊俊慧慧 教教授授内蒙古工业大学

2、本科科研训练论文目录目录引言.11 HR3C 钢 .21.1 HR3C 钢简介.22 P91 钢 .42.1 P91 钢的简介.42.2 P91 钢的焊接性.83 HR3C 钢与 T91 钢的焊接接头力学性能 .103.1 HR3C 与 T91 异种钢的焊接性分析.103.2 HR3C 与 T91 异种钢的焊接接头力学性能分析.11参考文献.14内蒙古工业大学本科科研训练论文1引言引言在超超临界火电机组中。一些新型奥氏体耐热钢管，如 Super304H、HR3C等用于锅炉受热面管的高温段，在过渡部位与四 l、T92 等马氏体钢管连接，形成了较多的马氏体奥氏体(MA)类异种钢接头有关这类异种钢接

3、头性能及失效行式研究较少。本文对某机组 T91HR3C 异种钢接头进行了分析。异种钢焊接概述及其焊接特点：两种牌号不同的钢之间的焊接称之为异种钢焊接，它是属于异种金属焊接中应用最为广泛的一类接头。对于异种钢焊接接头又可分为两种情况，第一类为同类异种钢组成的接头，这类接头的两侧母材虽然化学成分不同，但都属于铁素体类钢或都属于奥氏体类钢；第二类接头为异类异种钢组成，即接头两侧的母材不属于同一类钢，例如一侧为铁素体类钢，另一侧为奥氏体类钢(如奥氏体不锈钢)。对于母材都属于铁素体类钢，其焊缝采用奥氏体不锈钢焊条或镍基焊条焊接的接头，也属于第二类接头。 由于异种钢接头两侧的母材无论从化学成分上还是物理、

4、化学性能上都存在着差异，因此，焊接时，要比同一种钢自身之间的焊接要复杂得多。内蒙古工业大学本科科研训练论文21 HR3C 钢 1.11.1 HR3CHR3C 钢简介钢简介HR3C 钢主要用于超超临界机组锅炉高温段受热面管子。HR3C 钢是日本住友公司在 TP310 基础上通过复合添加 Nb,N 合金元素研制出来的一种新型奥氏体耐热钢。利用钢中析出微细的 CrNb 化合物和 Nb 的碳氮化合物以及 M32C6 来对钢进行强化，使钢具有较高的高温强度，综合性能较其他 TP300 系列奥氏体耐热钢优良。由于铬含量高，因此 HR3C 钢的抗氧化和抗高温腐蚀性能优于 18-8 型耐热钢，与具有相同含量的

5、 310 耐热钢类似，是超超临界参数锅炉和高硫燃煤锅炉的首选材料之一。超超临界锅炉的过热器管的工作状况更加恶劣，要求具有更高的抗腐蚀性能的部位，一般选用 SA-213TP310H 不锈钢。SA-213TP310H 不锈钢，高 Cr, Ni 含量，抗高温腐蚀性能良好，但是其高温蠕变强度不理想，其高温许用应力只等于或小于普通的 SA-213TP304H 不锈钢。而且普通 SA-213TP310H 钢还存在 相析出后产生的脆性问题。为提高SA-213TP310H 钢的高温性能，日本住友公司在对 SA-213TP304H 研究中发现，在基体中析出的细小的 NbCrN 氮化物，对 TP310H 钢强化同

6、样很有效。因此在 TP310H 不锈钢中添加 N、Nb 元素开发了 HR3C 钢。HR3C（25Cr-20Ni-Nb-N）钢与普通的 SA-213TP310H 钢化学成分区别仅在于添加了 0.200.60%的 Nb 和 0.150.35%的 N，使新钢种的高温性能却大大提高。其蠕变断裂强度的提高主要是在钢时效过程中析出了 NbCrN。NbCrN 氮化物非常细小而且特别稳定，即使长时间时效，组织也很稳定，大大提高了蠕变断裂强度。同时加入微量的 N 对抑制 相的形成，改善韧性有效。HR3C 钢高温抗腐蚀性能(抗蒸汽氧化性能)良好，其许用应力比普通的 SA-213TP310H 钢有很大提高。 1.2

7、1.2 HR3CHR3C 钢的焊接性钢的焊接性 20 世纪 40 年代以后，人们从经验教训中认识到，韧度是反映材料抵抗脆性破坏的力学性能指标。对结构用钢材来说，除了要有足够的强度外，还应该具有充分的塑性和韧度。尽管设计时采用的仍然是强度准则，但对于重要结构，还必须考核使用于该结构的材料的韧度。对于s350MPa 的材料，最初要求在使用温度下的 V 形缺口夏比冲击功不得低于 20.3J。但是后来又发现，20.3J 这个界限不能适用于所有强内蒙古工业大学本科科研训练论文3度等级的钢和不同的结构。随着材料强度的提高，由于冲击功中弹性功的比例增大，对遏止脆性破坏起重要作用的塑性变形功和撕裂功必然减小，

8、因此必须要求材料在强度提高的同时，其韧度也有相应的提高。此外，除了强度等级外，在设计时还需要根据结构重要性的增加和结构尺寸的增大与增厚，对材料的韧度要求作相应地提高。可是传统工艺生产的钢，往往随着材料强度的提高， 材料的塑性和韧度总是有所降低的。于是在 1960 年前后提出了发展高强度高韧度的强韧化结构钢的要求。经过十多年的努力，冶金工作者成功地开发出了一系列适用于 450以下工作的结构用高强度钢材和 0以下低温工作构件用的高强度钢材。这些材料不仅强度高，而且韧度也被大幅度地提高。它们已经成功地在相应的领域中使用，取得了很好的效益。管线钢 X60、X70 就是一个突出的例子，通常把这一类钢称为

9、强韧化。火力发电厂锅炉用铁素体耐热钢的发展大致经历了类似认识过程。 蒸汽温度为 650、压力为34MPa 的 300MW 机组早在 1960 年 2 月就已在美国 Philadelphia 电力公司开始商业运行。高的蒸汽参数获得了很高的热效率，但这是以大量使用高 Ni、Cr 合金的奥氏体材料为代价的。该机组的主蒸汽管道和联箱都采用了 AISI316 钢，其尺寸分别为 508184.15mm 和228.6X 63.5mm。虽然 Ni-Cr 奥氏体材料的高温强度稳定，可是由于具有导热差、线胀系数大、热应力大以及对应力腐蚀敏感等缺点，机组运行不到 20 年，该机组的主蒸汽管道和联箱出现许多裂纹而泄漏

10、。其中直径较小、壁厚较薄的集箱仅在运行 2.5 万小时、启停 77 次后内表面就开始开裂，不得不在 20 世纪 80 年代初就大量更换管道。可见，采用奥氏体钢做大厚壁大直径构件的设计是不成功的。这就是为什么在没有出现相应的铁素体耐热钢以前，再也没有更多家电力公司来效仿制造这样参数的机组的缘故。 1960 年以后，许多国家都投入了很大的人力和物力研究和开发能够在蒸汽温 度小于等于 600的条件下工作的铁素体耐热钢。长期以来，对用于高温承压部件钢管的要求是:(1)足够的高温蠕变断裂强度和持久塑性。(2)良好的高温组织稳定性。(3)良好的高温抗氧化性。(4)良好的加工工艺性。而对常温韧性没有明确要求

11、。在这种观念下，研究和开发电站用铁素体耐热钢的工作大多都是沿着固溶强化、内蒙古工业大学本科科研训练论文4析出强化、位错强化的思路进行的，研制出的铁素体耐热钢都随着高温强度的提高，而其常温塑性和韧度却明显降低。这样的材料在相当程度上制约了 20 世纪 60 年代以后电站锅炉蒸汽参数的发展和提高。在这个时期开发出了一系列高温强度较高的铁素体耐热钢。 2 2 P91P91 钢钢 2.12.1 P91P91 钢的简介钢的简介1. T91/P91 钢属于改良型的 9Cr-1Mo 高强度马氏体钢。该钢是由美国橡树岭国家实验室 ORNL 首先研制的。其中钢管已纳入美国 ASTM A213 T91,ASTM

12、A335 O91 和 ASME SA213 T91，ASME SA335 P91 标准，板材和锻件已分别纳入 ASME SA387 GR91 和 ASME SA335 标准。我国也研制出该钢种，并纳入 GB 5310-2008 标准。T91 代表锅炉用小管子，P91 代表大直径钢管，F91 代表锻钢。2. 该钢是在 T9 的基础上，通过降低含碳量，添加合金元素 V Nb ，控制 N 和 Al 含量，使钢不仅具有高的抗氧化性和抗高温蒸汽腐蚀性能，而且还具有良好的冲击韧性和高且稳定持久塑性及热强性能。在使用温度低于 620 度时，该钢的须用应力高于奥氏体耐热钢，特别是与奥氏体耐热钢的异种钢焊接接头

13、，其热强性能可达到本身同种钢管焊接接头的性能水平。该钢还具有优良的导热系数和较小的线膨胀系数。3. SA213T91/SA335P91 钢管以正火+回火处理状态供货，其规范为：正火 1050 度，空冷；回火 760 度，空冷。4. T91/P91 钢主要用于亚临界，超临界参数锅炉壁温不高于 625 度的高温过热器和壁温不高于 650 度的高温再热器受热面管子，以及壁温不高于 600 度的高温集箱和蒸汽管道；也可用于核电设备热交换器及石油裂化装置炉管等。5. T91 钢是美国国立像树岭实验室和美国燃烧工程公司冶金材料实验室合作研制的新型马氏体耐热钢。它是在 9Cr1MoV 钢的基础上降低含碳量，

14、严格限制硫、磷的含量，添加少量的钒、铌元素进行合金化。内蒙古工业大学本科科研训练论文56. T91 钢中各合金元素分别起到固溶强化、弥散强化和提高钢的抗氧化性、抗腐蚀性能，具体分析如下。 碳是钢中固溶强化作用最明显的元素，随含碳量的增加，钢的短时强度上升，塑性、韧性下降，对 T91 这类马氏体钢而言，含碳量的上升会加快碳化物球化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低钢的焊接性、耐蚀性和抗氧化性，故耐热钢一般都希望降低含碳量，但含碳太低，钢的强度将降低。T91 钢与 12Cr1MoV 钢相比，含碳量降低 20%，这是综合考虑上述因素的影响而决定的。 T91 钢中含微量氮，氮的作用体现在两个方面。一方面起固溶强化作用，常温下氮在钢中的溶解度很小，T91 钢焊后热影响区在焊接加热和焊后热处理过程中，将先后出现 VN 的固溶和析出过程：焊接加热时热影响区内已形成的奥氏体组织由于 VN 的溶入，氮含量增加，此后常温组织中的过饱和程度提高，在随后的焊后热处理中有细小的 VN 析出，这增加了组织稳定性，提高了热影响区的持久强度值。另一方面，T91 钢中还含有少量 A1，氮能与其形成 A1N，A1N 在 1 100以上才大量溶入基体，在较低温度下又重新析出，能起到较好的弥散强化效果。 加入铬主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀