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1、T23、T24钢的性能与焊接 （在神华国华集团08年监督会议专题报告）江苏方天电力技术有限公司2008年11月T23、T24钢的性能与焊接目目 录录一、一、 T23、T24钢的性能钢的性能二、二、 T23、T24钢的应用现状钢的应用现状三、三、 T23、T24钢应用中发现的问题及其钢应用中发现的问题及其原因分析和建议原因分析和建议一、一、 T23、T24钢的性能钢的性能1T23、T24钢的性能钢的性能1.1 T23、T24钢设计的意义钢设计的意义 在普通的超临界机组(参数为25.0MPa、540540或25.0MPa、540566)中，水冷壁出口的汽水温度约为420，正常情况下它的金属温度可能
2、达到450。通常选用T1、T11和T12等均可以满足使用要求。可是超超临界(USC)锅炉水冷壁的运行压力和温度都有明显的提高。例如在31MPa620蒸汽参数的USC锅炉水冷壁出口端的汽水温度达475。在投入运行的初期.中墙部位的管壁温度达到497。长期运行后，由于管壁形成垢层，管壁温度可升至513。而热负荷最高区域的管子壁温和接近出口部分的管壁温度可达520，瞬间最高温度甚至可达540。因此，以往在亚临界和普通的超临界机组中采用的钢材已不能满足要求，需要采用合金含量更高，热强性更好的钢材。 除此以外，这些锅炉的水冷壁大多是膜式壁，由于锅炉容量增大，为了提高效率，希望增大受热面积，为此需要减小管
3、径，这样就使水冷壁变成为更大更薄的结构。如果仍采用传统的铁素体贝氏体耐热钢，如ASTM A213T12(13CrMo44)和ASTM A213T22(10CrMo910)来制作，焊后就需要进行焊后热处理。对这样大而薄的平面形构件实施热处理不仅难度很大，而且构件在受热后极易产生扭曲变形，且这种扭曲变形是极难矫正的。因此，从工艺要求出发.需要采用焊接以后可以不进行热处理的钢材来制作。可见，用于制作USC锅炉水冷壁的材料不仅应该在550570下具有足够的蠕变断裂强度，而且要求焊前不用预热、焊后不必热处理的焊接性良好的钢材。T23P23和T24钢和T24P24钢就是适应这种要求的材料。1T23、T24
4、钢的性能钢的性能1.2 T23、T24钢的设计思路钢的设计思路T23和T24钢的设计思路如图所示。从图中可以看到，它们大都以良好的焊接性、优良的韧性、充分高的蠕变强度和不需要焊后热处理作为四个目标，是在2.25Cr-Mo钢的基础上，通过降低碳含量和添加W(以便加强固溶强化的作用)、添加V、Nb、B（起着微合金化和弥散析出强化作用）而获得的材料。 3 1T23、T24钢的性能钢的性能1.3 T23、T24钢的化学成分钢的化学成分目前可见到的T23和T24钢的标准、钢号和它们相应的化学成分见下表：注：表中n.s.表明无规定。 标准 钢号CSiMnPSCrMoTiVWNbBNNiAlASTM A21
5、3(2199条款)T23 0.040.100.500.100.600.030.0l1.902.600.050.30n.s0.200.301.451.750.020.080.00050.00600.03n.s0.03三菱住友HCM2S(T23)0.040.100.500.100.600.030.0l1.902.600.050.30n.s0.200.301.451.750.020.080.00050.00600.03n.s0.03ASTM A213(草案)T24 0.050.100.150.450.300.700.020.0l2.202.600.901.100.050.100.200.30n.sn
6、.s0.00150.00700.012n.s0.021T23、T24钢的性能钢的性能 由上表中成分上可以看到，T23钢与我国在20世纪60年代开发的钢102 (12Cr2MoWVTiB)有近似的合金系统和含量，它是在T22钢的基础上加入了钨，减少了 钼，把碳含量降低到了0.040.10。此外，再添加少量的钒、铌、氮和硼等微合金化元素。而T24钢与T22钢相比，也是适当减少了含碳量.加入了微合金化元素钒、钛、硼等。除了这些变动以外，两种钢的硫、磷等杂质含量都被明显地限制和降低了。这样成分的钢再经过相应的成材加工和热处理后，就可获得综合性能良好、能够满足制作USC锅炉水冷壁要求的钢材。它们在600
7、时的蠕变断裂强度达到T22钢的1.8倍。因为降低了含碳量和杂质含量，使其焊接性大大提高，允许焊前不预热，焊态下热影响区的最高硬度也在350HV以下。由于这些优点，使这类钢除了能很好地满足USC锅炉膜式水冷壁的要求以外，T24P24还可以在500550范围内作为9Cr钢厚壁蒸汽管道的代用材料，同时可以作为现有老机组部件的更换材料。 T23和T24钢都是在正火+回火的调质状态下供货。T23钢的正火温度为106010，T24钢的正火温度是100010。实践证明，当钢材的厚度超过10mm时，需要加大正火冷却速度(水冷却)，以保证最佳的力学性能。T23和T24钢正火后的回火温度分别为76015和7501
8、5。3 1T23、T24钢的性能钢的性能1.4 T23、T24钢的物理性能钢的物理性能T23、T24钢的主要物理性能见下表： 从上表的数据可以看出T23、T24钢具有相似的热传导性和线膨胀系数。如果把T22、T91和TP304的导热率、线膨胀系数与T23、T24钢比较，得到下图。从下图和上表的数据可以看到很有意思的现象：虽然T24钢的合金元素总量比T22钢只少了0.1，而T23钢的合金总量比T22钢还高出1以上，可是它们的线膨胀系数都比T22钢小。不仅如此，T24钢的热传导性还明显好于T22钢。较小的线膨胀系数和较高的导热系数。对于制作锅炉受热面构件都是有利的。 3 1T23、T24钢的性能钢
9、的性能 T22、T23、T24、T9l及TP304钢的性能比较 (a)热传导性的比较；(b)线膨胀系数的比较对上面三幅T22钢、T23钢、T24钢的CCT图进行比较，可以发现以下几点：1、T23钢的Acl为810，Ac3为980。通常焊接条件下，空冷至500以下将发生贝氏体转变。如果冷却得较快，得到的组织可以为贝氏体+马氏体，硬度为300350HVl0。T24钢的Acl为815，Ac3为960，可以看到，它的Ms温度在460左右，Mf温度在250300。通常焊接条件下冷却得到的组织也是贝氏体+马氏体，硬度为300350HVl0。T23钢、T24钢在极端的缓慢冷却条件下，都会出现高温转变组织(铁
10、素体+珠光体)，这是所不希望的，它将破坏钢的各项力学性能。2、虽然T22钢、T23钢、T24钢发生贝氏体转变的温度区域差不多都是在500以上，如果用相同的冷却速度从Ac3冷却下来，T22钢的硬度远比T23和T24的高。这立即可以联想到是由于含碳量不同所产生的效果，从一个侧面反映了T23、T24钢比T22钢具有更低的延迟裂纹敏感性。此外，T22钢高温转变的孕育期明显比T23和T24的短，意味着T22钢较容易出现奥氏体的高温转变产物。而T23和T24钢由于添加了B、N等元素，明显地延长了孕育期，使它们较不容出现奥氏体的高温转变产物，这反映了T23和T24钢会具有比T22钢更好的力学性能。 3 1T
11、23、T24钢的性能钢的性能1.5 T23、T24钢的主要常温力学性能钢的主要常温力学性能 3 1T23、T24钢的性能钢的性能ASME标准提供的T23和T24钢的主要常温力学性能见下表。T24钢的常温强度和硬度比T23钢的略高一些。 T23、T24钢的主要常温力学性能标准规定值钢的主要常温力学性能标准规定值 3 1T23、T24钢的性能钢的性能日本三菱重工和住友公司对T23(HCM2S)钢不同产品的常温力学性能进行了测试。测试产品的规格及测试结果见下表。测试结果不但说明了这些产品的常温力学性能全面达到了标准规定值，并且还有较多的裕量。数据还说明，成材加工时变形量大的小径管和板材，其强度和韧性
12、相对更高些。 HCM2S(T23)钢测试材料规格钢测试材料规格 HCM2S(T23)钢结果测试钢结果测试 3 1T23、T24钢的性能钢的性能上面左图表示壁厚小于10mm的小径管和壁厚大于10mm的大径管以不同的冷却速度正火后得到的冲击韧度。图中除了空气中冷却的P24钢(壁厚l0mm)以外，所有试样的脆性转变温度都在一40左右，它们的上平台值都在250Jcm2以上。空气中冷却的P24钢，虽然其上平台值也在250Jcm2以上，但其转变温度却升到了零上40左右，这些试验说明了正火时的冷却速度非常重要。正火时，较快的冷却速度能获得马氏体和下贝氏体组织，回火后获得高的韧性，脆性转变温度低：反之，若正火
13、时的冷却速度不足，其脆性转变温度就会明显上升。这一现象可以推理为：由于正火时的冷却速度不足，导致出现了上贝氏体类组织，从而大幅度提高脆性转变温度。上面右图表示的是T23钢弯管后的正火条件对脆性转变温度和材料韧度的影响，也反映出了和左图相同的特性，这一点是使用这类钢时必须注意的。在使用这类钢制造构件时，需要对钢管进行弯曲加工。弯曲加工后，如果需要进行正火+回火处理.就应注意正火时的冷却速度。尤其是当对壁厚大于10mm的大径管进行弯管加工后，更需特别注意确保其正火时的冷却速度。建议在正火时采用油冷或鼓风加速冷却。左图的数据还提示出，在焊接这些钢的时候，应保证足够的冷却速度，特别要设法保证厚壁构件焊
14、接时的冷却速度。为此，需要注意限制层间温度不得过高。从这些特性出发，很有必要通过实践逐步建立焊接接头的韧度和焊后冷却速度之间的定量关系；也就是建立接头韧度和层间温度、焊接热输入、工件壁厚之间的定量关系。 3 1T23、T24钢的性能钢的性能1.6 T23、T24钢的高温力学性能钢的高温力学性能 图1给出了从室温到650的不同温度下T23、T24钢的短时拉伸性能。T24钢具有最高的0.2，在500以上才和T23钢的0.2渐趋于一致。但两者都远高于T22钢的水平，在550时，它们的0.2还要高于T22钢150MPa左右。 图2和图3分别为T23、T24钢从常温到700间的不同温度下短时拉伸试验时的
15、伸长率和端面收缩率。随着温度的升高，在常温到550的范围内。T23、T24钢的延伸率没有明显的变化或升高。3 1T23、T24钢的性能钢的性能图4所示为T23P23、T24P24、T22P22和T9lP91钢在500600温度区间10万h的蠕变断裂强度，很直观地给出了这四种钢在这个温度范围内的蠕变断裂强度，T9lP91钢在这个温度区间内始终是最优的，而T22P22钢则比其他三种钢低很多。有意义的是T23P23和T24P24钢之间的差别，可以看到：在580以下时，T24P24钢的蠕变断裂强度比T23P23钢高；与此相应，两种钢的许用应力也有相应的差别(表1和表2分别列出两种钢的许用应力，图5则是
16、ASNE标准的许用应力曲线)。尤其是在500550C温度区间内，T24P24钢的蠕变断裂强度高出T23P23钢2030MPa。但是在温度超过570以后，T23钢的许用应力反而高于T24P24钢。由于两种钢开发设计的目标使用温度就是500550，因此这个差别对使用者选择材料和计算时都很有意义。3 1T23、T24钢的性能钢的性能 表表1 ASME标准标准T23钢许用应力值钢许用应力值 (MPa) 温度()20100200300400450500525550575600625650ASME128128126125124117111105877l 56-38-25温度()20501001502002
17、50300350400450500525550575600DIN TRD300291278269262257253248243237151129986739ASME146“6146142139137135133131126117112956739 表表2 T24钢的许用应力值钢的许用应力值 (MPa) 3 1T23、T24钢的性能钢的性能HCM2S（T23）钢在不同温度下10万h蠕变断裂强度 日本三菱重工和住友公司采用已经运行1年和3年的HCM2S(T23)钢进行蠕变断裂试验，并与没有经过运行的HCM2S钢做对比，如图所示。运行3年，相当于在550600温度下，时效约2万h。从给出的结果看，试
18、样的测试结果仍然落在原始材料相应断裂应力和时间的分散带内，说明在上述条件下运行过的材料还不至于构成运行以后材料蠕变断裂强度曲线的明显改变。 3 1T23、T24钢的性能钢的性能冷变形对蠕变断裂强度的影响 试验了冷作变形对蠕变断裂强度的影响，如图所示。可以看到，当冷变形量超过20以后，会对蠕变断裂强度有明显的降低作用。因此，在冷变形量达到20以后。为了保证蠕变断裂强度，就必须在弯曲加工以后进行正火加回火处理。 1.7 T23P23、T24P24钢的时效性能钢的时效性能 3 1T23、T24钢的性能钢的性能图1、图2分别表示了在550600下运行3年以后HCM2S钢的强度和硬度变化情况，图中也列出
19、了T22和TP347H的结果，在550600的范围内运行3年的过程中，HCM2S(T23P23)钢的强度和硬度没有实质性的变化。可是对它的冲击韧度影响明显。3 1T23、T24钢的性能钢的性能图3是在550600下运行3年过程中T23P23钢冲击韧度的变化情况。其冲击韧度从运行前的250Jcmz降到l万h后的120Jcm2。继续又降低到2万h后的100Jcm2左右。在1万h以后降低的速率变小，而且在2万h后的韧度还能保持在100Jcm2左右。图4表示对T23P23钢时效倾向的进一步试验结果。图中结果说明，T23P23钢的时效倾向在550时最为明显，温度升高到600、650时，时效倾向就消失了。
20、在550时的时效过程特点是：在开始运行的3000h内，时效发生得最剧烈，在随后的时间里，时效引起的韧度降低速率就开始按指数递减，1万h以后几乎已经稳定.看不到韧度再有明显的降低。如果按照第三章所描述这类钢的时效规律的话，则长期使用后钢的韧度应该不至于降低到危险的程度。目前的T23钢，还只用于制造小径管构件，且时效后的韧性还不是很低。因此还无需过分担忧。但是T23P23钢的目标使用温度毕竟恰好是500550或570C。因此.对于制造大直径厚壁构件的P23钢来说，应对它的时效倾向引起注意。 3 1T23、T24钢的性能钢的性能与T23P23钢相比，T24P24钢的时效倾向小得多。图5表示了在550
21、下长期时效过程中T24P24钢的力学性能变化情况。时效1万h的T24P24钢的强度没有什么变化，只有在1万h以后强度才有降低的趋势，不过降低的速度很慢，它的b和0.2在经过5万6万h后共降低了30MPa左右。与此同时，伸长率没有明显变化。经过5万6万h时效以后，T24P24钢的冲击韧度虽然也有所降低，但降低的幅度不大，远比T23P23钢的小，仅从原始的280J降到230J左右。时效过程中冲击韧度降低的特性和T23P23钢的相同，也是在时效过程开始的3000h左右降低得快些。以后逐步趋于稳定。 由此，从时效的角度出发，T24P24钢优于T23P23钢。因此，T24P24钢除了可以满足制造USC锅
22、炉的水冷壁外，也是制造用于500550范围内工作的厚壁蒸汽管道的材料，此时其强度不仅远高于P22钢，也可以作为P91钢的代用钢。 3 1T23、T24钢的性能钢的性能 综观上述各项性能，这两种钢的物理和力学性能都很接近。因而通综观上述各项性能，这两种钢的物理和力学性能都很接近。因而通常将它们视为同类钢。但仔细比较可以发现，在力学性能方面，从室温常将它们视为同类钢。但仔细比较可以发现，在力学性能方面，从室温到到550，T24P24钢都略优于钢都略优于T23P23钢。此外，钢。此外，T24P24钢在钢在500550内没有明显的时效倾向，并且也没有明显的再热裂纹倾向，因内没有明显的时效倾向，并且也没
23、有明显的再热裂纹倾向，因此除了可以制造锅炉受热面小径管外，钢材制造商明确推荐还可以用此除了可以制造锅炉受热面小径管外，钢材制造商明确推荐还可以用P24制造在制造在500550下使用的蒸汽管道等厚壁构件。下使用的蒸汽管道等厚壁构件。 对于对于T23P23钢，虽然已经列入了钢，虽然已经列入了ASMECODECASE2199-l。但。但还没有见到用于厚壁构件的推荐，还没有见到用于厚壁构件的推荐，1996年前后，我国锅炉制造企业曾在年前后，我国锅炉制造企业曾在与住友签订的与住友签订的“试验委托合同试验委托合同”基础上对住友生产的基础上对住友生产的HCM2S钢管进行钢管进行了材料性能和焊接试验，试验于了
24、材料性能和焊接试验，试验于2000年完成。根据试验的结果，小直径年完成。根据试验的结果，小直径管已经被沁北管已经被沁北600MW超临界和玉环超临界和玉环900MW超超临界锅炉采用。大直径超超临界锅炉采用。大直径厚壁管的母材性能试验合格，焊接接头性能不合格，因此未被推荐。厚壁管的母材性能试验合格，焊接接头性能不合格，因此未被推荐。2002年重新进行大直径厚壁管的试验，试验管的规格是年重新进行大直径厚壁管的试验，试验管的规格是35050mm。试验结果说明母材性能达到了试验结果说明母材性能达到了ASMECODE CASE21991的规定，焊接的规定，焊接接头持久强度的外推值为接头持久强度的外推值为9
25、9108MPa。3 1T23、T24钢的性能钢的性能1.8 T23P23、T24P24钢的耐蚀性钢的耐蚀性 3 1T23、T24钢的性能钢的性能从上述所列的T23P23、T24P24钢的化学成分可以预期这两种钢的抗氧化性能很接近。因此，在讨论它们的抗腐蚀性时，主要是通过与T22P22、T91P91等钢做比较来进行。 （1）高强度的马氏体钢在焊后做PWHT处理以前，大多都有较大的应力腐蚀开裂倾向。为此，要求这类接头焊后应该保持环境干燥，并尽快进行PWHT处理。按照DIN50915标准，在室温条件下，在pH值为3的Na2S04H2S04+H2S溶液中对T24P24钢和T22P22钢焊态接头进行应力
26、腐蚀敏感性试验。试验证明，T24P24钢对阴极应力腐蚀的敏感性小于T22P22钢对阴极应力腐蚀的敏感性。这类钢对阴极应力腐蚀的敏感性较低的现象是与其焊后焊接区域的硬度较低(都在350HV以下)有关。（2）图1表示了在0.25S0230215C02一bal.N280V20；一20Na2S04的烟气中，T23P23钢与几种钢抗高温烟气腐蚀能力的比较：图2和图3比较了几种钢的抗蒸汽氧化性能。可以看到，T23P23钢的高温烟气腐蚀失重与T22钢相当：蒸汽氧化层的厚度也与T22钢的相近。当然，含Cr量更高的T91钢和TP347H钢的抗蚀能力比T23P23钢和T22钢要好得多。 上述测试数据说明：由于上述
27、测试数据说明：由于T23P23、T24P24钢的钢的Cr含量与含量与T22P22钢相当钢相当?它们的它们的抗蒸汽氧化、抗高温烟气腐蚀性能也就和抗蒸汽氧化、抗高温烟气腐蚀性能也就和T22P22钢很接近。差别较明显的是应力腐蚀敏钢很接近。差别较明显的是应力腐蚀敏感性，感性，T23P23、T24P24钢在焊态下硬度较低。使它们在抗应力腐蚀方面优于钢在焊态下硬度较低。使它们在抗应力腐蚀方面优于T22P22钢。钢。3 1T23、T24钢的性能钢的性能1.9 T23P23、T24P24钢的焊接钢的焊接T23P23、T24P24钢的焊接性，远比其前身T22P22钢、钢102优越。T23P23、T24P24钢
28、对冷裂纹的敏感性很低，T23P23钢无裂纹倾向预热温度为室温20，而其前身T22P22钢的无裂纹倾向预热温度为300，可见T23P23和T24P24这两种钢是铁素体耐热钢中冷裂纹倾向较低的。根据这个结果，焊接薄壁、小直径锅炉受热面管时，若环境和工件温度在20以上，就可以不做焊前预热。瓦鲁瑞克曼内斯曼公司提供的试验结果也能够证实这一估计。该试验观察了T24钢小径管的预热效果，发现预热170和不预热，焊接接头最高硬度都在350HV左右，没有发现两者有实质性差别。但是对于厚壁构件的焊接，还是需要作适当的预热。此时建议采用左图所示的加热曲线进行。图中焊接阶段的预热和层间温度不一定必须达到250300那
29、样高，可以根据实际情况选择尽可能低一些的层间温度。焊接完成以后，需要将接头冷却到100以下。以便使焊接区的组织细转变为贝氏体+马氏体。如果焊接完成后直接升温进行回火加热.可能使焊接区域内部分没有完成贝氏体转变的奥氏体发生高温转变。 3 1T23、T24钢的性能钢的性能 T23钢具有再热裂纹倾向，在600770温度围，断面收缩率都远远低于T22钢，并且小于15，表明T23钢的再热裂纹敏感性远高于T22钢的再热裂纹敏感性。好在如果用T23钢制造膜式水冷壁等薄壁小直径构件时，本来就不希望进行PWHT。但在必须对T23钢进行焊后热处理时，应谨慎，尤其是对T23钢焊接管座接头进行焊后热处理时更要小心。此
30、时，应尽量防止在进行焊后热处理时存在有附加应力，应该尽可能改善焊趾部位的形状。 3 1T23、T24钢的性能钢的性能焊接接头在不同温度下的冲击试验(a)GTAW焊缝金属(不热处理)：(b)GTAW熔合线(不热处理)：(c)SMAW焊缝金属(不热处理)；(d)SM_AW熔合线(不热处理)；(e)SMAW焊缝金属(热处理)；(f)SMAW熔合线(热处理)3 1T23、T24钢的性能钢的性能 T23P23、T24P24钢也是细晶强韧型铁素体耐热钢，它们也具有焊缝韧性低以及焊缝韧性对焊接工艺参数敏感的特点。资料介绍了用GTAW和SMAW两种方法焊接壁厚为15mm的T23钢得到接头的冲击韧度结果如上图所
31、示。上图 (a)中用GTAW方法焊接的焊缝，即使在焊态下它的韧性也是优良的，其0的韧度还在200Jcm2以上，它的脆性转变温度在-10左右。如果与T23P23钢母材相比，虽然略低于水淬冷却的母材，但仍相当优良。焊态下熔合线的韧度也是很优良的，如上图 (b)所示。可是采用焊条电弧焊焊接的焊缝，在焊后热处理前，室温下的韧度仅为30Jcm2左右，如上图(c)所示。只有在经过热处理后，才达到l00Jcm2以上。如上图(e)所示。这些数据说明，用SMAW方法焊接的焊缝必须经过热处理以后才能使其韧度达到较高的水平。与焊缝金属不同，熔合线部位的韧度高得多，其韧度在焊后热处理前后上平台值几乎是相同的。热处理减
32、低了脆性转变温度，如上图(d)和上图(f)所示。这一结果说明，这类钢焊接接头韧性的矛盾也只是显露在焊缝部位。而且是在采用SMAW方法焊接的焊缝部位。同时也说明了焊接方法对这类钢的焊缝韧性有极为明显的影响。从上图的结果可以看到?如果全部采用GTAW方法焊接?接头各部位的韧度都足够高；接头焊态的最高硬度可以为小于等于300HV。可以允许不做焊后热处理.因此建议尽可能完全采用GTAW方法来焊接，这样就可以免去对构件进行焊后热处理。3 1T23、T24钢的性能钢的性能试 验 方 案冲 击 试 验(J)焊接方法焊接材料焊接位置焊接电流(A)预热()层间()热处理 (h)平焊上45立焊仰焊GTAWUNIO
33、NICr2WV5G100120无2002307307509878.5224-265210湖南火电公司介绍了对457.8mm的T23钢管采用GTAW进行水平固定焊接的结果，见下表。从下表中可以看到，虽然整条焊缝采用了同一的焊接工艺参数。但在这同一条焊缝上各个部位的韧度是不同的，上爬坡45部位和平焊部位。即管子的上半部。其韧度比下半部的差，而且差距还很明显。这个事实说明，焊接后的冷却速度对这类钢焊缝韧度的影响是很大的。在采用同一工艺参数焊接小直径钢管时，沿钢管各部位焊接后的冷却速度是不同的。上爬坡45部位和平焊部位的冷却速度比仰焊位置和立焊位置的慢。冷却速度对焊缝韧度的这种影响与上面“不同冷却速度
34、下T23、T24钢的冲击韧性示意图”的结果很吻合。这个冷却速度实际上就是指t8/5。表4-8中，虽然所有的冲击韧性值都高于41J的要求，但要注意，这个结果是经过焊后热处理得到的，焊接工作者要注意这种对冷却速度敏感的特性。 T23钢焊接试验的结果钢焊接试验的结果 3 1T23、T24钢的性能钢的性能T23钢焊接接头焊态的蠕变断裂强度 综合以上对接头韧度的讨论，为了保证厚壁构件SMAW焊缝的冲击韧度，所须采用的措施为：应该注意保持较小的t8/5、应该进行焊后热处理以及选择合理的焊接材料。左图表示T23钢焊接接头的蠕变断裂强度。这组结果告知，T23钢在焊后即使不进行焊后热处理，GTAW和SMAW 两
35、种方法焊接的接头的蠕变断裂强度也都能落在母材数据带的范围内。因此仅仅从确保蠕变断裂强度出发是没有必要进行焊后热处理的。从图中也看到.随着试验温度的提高、试验时间的增长(试验应力的降低).接头蠕变断裂强度有低于母材蠕变断裂强度分散带下限值的趋势，也就是接头热影响区细晶区的型蠕变损伤断裂现象。这种钢由于和2.25Cr-Mo的成分接近，因此其型损伤的特点会更接近。 二、二、 T23、T24钢的应用现状钢的应用现状3 2T23、T24钢的应用现状钢的应用现状3 2T23、T24钢的应用现状钢的应用现状T23和T24钢具有良好的焊接性、优良的韧性、充分高的蠕变强度和不需要焊后热处理等特点。锅炉的水冷壁大
36、多是膜式壁，由于锅炉容量增大，为了提高效率，希望增大受热面积，为此需要减小管径，这样就使水冷壁变成为更大更薄的结构。如果仍采用传统的铁素体贝氏体耐热钢，如ASTM A213T12(13CrMo44)和ASTM A213T22(10CrMo910)来制作，焊后就需要进行焊后热处理。对这样大而薄的平面形构件实施热处理不仅难度很大，而且构件在受热后极易产生扭曲变形，且这种扭曲变形是极难矫正的。因此，从工艺要求出发，制作锅炉水冷壁的需要采用的钢材不仅应该在550570下具有足够的蠕变断裂强度，而且要求焊前不用预热、焊后不必热处理的焊接性良好的钢材。因此T23和T24钢用于锅炉水冷壁管有其明显的优势。另
37、外因T23和T24有较好的高温性能，所以也见用于锅炉末级过热器管的制造，如镇江发电有限公司5、#6机组末级过热器冷段就设计使用T23材料。 三、三、 T23、T24钢应用中发现的问题及其原钢应用中发现的问题及其原因分析和建议因分析和建议3 3T23、T24钢应用中发现的问题钢应用中发现的问题及其原因分析和建议及其原因分析和建议3 3T23、T24钢应用中发现的问题钢应用中发现的问题及其原因分析和建议及其原因分析和建议3.1 某某600MW超临界锅炉高温过热器超临界锅炉高温过热器多次发生氧化皮堵塞爆管多次发生氧化皮堵塞爆管1)现象描述现象描述 镇江发电有限公司镇江发电有限公司#6机在机在2006
38、年年9月份由于末级再热器管泄漏出月份由于末级再热器管泄漏出现一次非停，在停炉及起动过程现一次非停，在停炉及起动过程中由于对升降温的速率控制不好。中由于对升降温的速率控制不好。导致末级过热器导致末级过热器#1（TP347材料）材料）管氧化皮大面积剥落，使出口弯管氧化皮大面积剥落，使出口弯头积存了大量的磁性极强的氧化头积存了大量的磁性极强的氧化皮，引起末级过热器皮，引起末级过热器#1管反复爆管反复爆管，自此以后在末级过热器管，自此以后在末级过热器#712管又多次发生生氧化皮堵管爆管管又多次发生生氧化皮堵管爆管（多为（多为T23和和TP347材料）材料） 。此情。此情况直到况直到2007年年2月份将
39、末级过热器月份将末级过热器冷段冷段T23材料更换为材料更换为T91后方才好后方才好转。至此该厂转。至此该厂6炉末级过热器目炉末级过热器目前共发生前共发生6次爆漏和次爆漏和1次管子超温次管子超温怀疑与氧化皮有关。怀疑与氧化皮有关。3 3T23、T24钢应用中发现的问题钢应用中发现的问题及其原因分析和建议及其原因分析和建议原因分析：原因分析： 上述爆管情况经分析推断主要为在机组启、停炉或负荷改变过程中升、降温的较大脉动引发末级过热器管排内壁氧化皮剥落所致，而氧化皮一旦剥落，如果不能对其进行彻底处理，对存在氧化皮的管子进行彻底更换，在启、停炉过程中氧化皮更易剥落导致重新在管内聚集、堵塞直至超温爆管，
40、这与短期内高过反复爆管的情况基本吻合。 在日本IHI和丹麦电业联合体ELSAM的研究中均提出：氧化皮的成长存在边界效应，即随时间推移氧化皮将达到临界厚度，此后氧化皮将开始剥落，产生剥落的原因主要是氧化皮与母材的膨胀系数不同，两者差距越大其剥落的可能性越大，特别在载荷变化迅速、锅炉启停等情况下，氧化皮更易剥离。T23材料设计抗氧化温度为593，但根据经验长期使用内壁温度常常接近或超过设计值，其在使用中壁厚较大而承受的应力相对较小，在相对较高的温度下运行（即长时超温下运行一段时间），会产生大量的易脱落的氧化层，而氧化皮的剥离通常发生在多层结构中各氧化层之间。 氧化皮堵塞氧化皮堵塞氧化皮脱落氧化皮脱
41、落单根末级过热器管中清理出的氧化皮碎片单根末级过热器管中清理出的氧化皮碎片脱落的氧化皮脱落的氧化皮3 3T23、T24钢应用中发现的问题钢应用中发现的问题及其原因分析和建议及其原因分析和建议氧化皮堵塞氧化皮堵塞氧化皮脱落氧化皮脱落T23管内壁氧化皮脱离情况T23管内壁氧化皮脱离情况3 3T23、T24钢应用中发现的问题钢应用中发现的问题及其原因分析和建议及其原因分析和建议 为防止氧化皮堵塞超温爆管，建议采取以下措施。为防止氧化皮堵塞超温爆管，建议采取以下措施。1. 设备选型设备选型 在设备选型上主要是审核锅炉厂高温受热面材料设计是否合适，在选用高温在设备选型上主要是审核锅炉厂高温受热面材料设计
42、是否合适，在选用高温受热面管材时除考虑高温强度、材料组织与性能变化外，还应当重点考虑材料受热面管材时除考虑高温强度、材料组织与性能变化外，还应当重点考虑材料抗高温氧化性能。超超临界锅炉大量采用国外进口不锈钢，国内没有这方面的抗高温氧化性能。超超临界锅炉大量采用国外进口不锈钢，国内没有这方面的使用经验，国外对这些管材的使用经验也有限，没有完全掌握其各方面的性能。使用经验，国外对这些管材的使用经验也有限，没有完全掌握其各方面的性能。其性能数据也不断修正。对高温受热面管材选用时建议采用以下原则其性能数据也不断修正。对高温受热面管材选用时建议采用以下原则。(1)对于运行经验少的管材选用时应相对保守，选
43、用材料时应选高一个等级的材料。对于运行经验少的管材选用时应相对保守，选用材料时应选高一个等级的材料。(2)尽量选用国内运行经验较多的材料，少选或不选运行经验很少的新材料。尽量选用国内运行经验较多的材料，少选或不选运行经验很少的新材料。(3)一根换热管尽量采用二种以下的材料，不宜采用很多种材料。一根换热管尽量采用二种以下的材料，不宜采用很多种材料。(4)换热管内径尽量选用一致，避免过多的变径结合面造成堵塞。换热管内径尽量选用一致，避免过多的变径结合面造成堵塞。(5) 在设计上另外一个重要方面是调温手段和旁路容量选择，从防止氧化在设计上另外一个重要方面是调温手段和旁路容量选择，从防止氧化皮大尺寸脱
44、落的角度看，不宜选择无旁路系统。对喷水减温器的选择特别应注皮大尺寸脱落的角度看，不宜选择无旁路系统。对喷水减温器的选择特别应注意其漏流问题，不能选择漏流量大的减温水调节阀（不论在高压或低压）。意其漏流问题，不能选择漏流量大的减温水调节阀（不论在高压或低压）。防止措施：防止措施： 3 3T23、T24钢应用中发现的问题钢应用中发现的问题及其原因分析和建议及其原因分析和建议2. 运行运行 在运行中防止氧化皮大尺寸脱落是减少氧化皮堵塞最重要的环节。我们在在运行中防止氧化皮大尺寸脱落是减少氧化皮堵塞最重要的环节。我们在2003年就提出了一些措施，今天我们看到很多电厂都采取了类似的措施来防止年就提出了一
45、些措施，今天我们看到很多电厂都采取了类似的措施来防止氧化皮堵塞。氧化皮堵塞。(1) 在锅炉停炉时应避免锅炉快速冷却，降低换热管壁温降低速率。同时避免在低负在锅炉停炉时应避免锅炉快速冷却，降低换热管壁温降低速率。同时避免在低负荷投用减温水。荷投用减温水。(2) 在锅炉启动过程中尽量早地投用启动旁路，缩短换热管内在锅炉启动过程中尽量早地投用启动旁路，缩短换热管内“U”型弯内积水的蒸型弯内积水的蒸干温升时间。干温升时间。(3) 在冲转和初始升负荷期间，采用带旁路启动，尽量建立较大的主蒸汽流量，同时在冲转和初始升负荷期间，采用带旁路启动，尽量建立较大的主蒸汽流量，同时提高冲转及并网时蒸汽参数。提高冲转
46、及并网时蒸汽参数。(4) 在刚并网时，减小机组升负荷速度，降低主蒸汽温度升温速率。防止主蒸汽升温在刚并网时，减小机组升负荷速度，降低主蒸汽温度升温速率。防止主蒸汽升温过快影响汽轮机运行安全而在很低负荷时投用减温水。过快影响汽轮机运行安全而在很低负荷时投用减温水。(5) 注意在机组开始升负荷时应保证蒸汽流量的同步增加，避免出现蒸汽流量不增加，注意在机组开始升负荷时应保证蒸汽流量的同步增加，避免出现蒸汽流量不增加，蒸汽温度快速增加的现象。蒸汽温度快速增加的现象。(6) 在第一次投粉时，尽量减少磨煤机初始给煤量，同时减慢磨煤机给煤量增加的速在第一次投粉时，尽量减少磨煤机初始给煤量，同时减慢磨煤机给煤
47、量增加的速率，减缓机组升负荷速度。率，减缓机组升负荷速度。(7) 开始投减温水降温时，应严格控制减温水流量，控制屏过与高过进口汽温有一定开始投减温水降温时，应严格控制减温水流量，控制屏过与高过进口汽温有一定的过热度。如果减温水调门漏流量大，必须避免在低负荷时投用减温水。的过热度。如果减温水调门漏流量大，必须避免在低负荷时投用减温水。3 3T23、T24钢应用中发现的问题钢应用中发现的问题及其原因分析和建议及其原因分析和建议(8) 建议首次投用减温水时，尽量投一级减温水，不要同时投一级减温水与二级减温建议首次投用减温水时，尽量投一级减温水，不要同时投一级减温水与二级减温水。水。(9) 若开始投减
48、温水时减温水量难以控制，建议增加容量小、低蒸汽流速状况下雾发若开始投减温水时减温水量难以控制，建议增加容量小、低蒸汽流速状况下雾发好的启动旁路减温器。好的启动旁路减温器。(10) 建议每次启动时，带负荷至机组一半负荷时，应保持一段时间采用低参数振荡建议每次启动时，带负荷至机组一半负荷时，应保持一段时间采用低参数振荡负荷运行方式。之后较长时间运行在负荷运行方式。之后较长时间运行在2/33/4负荷区，并采用大流量、低参数运负荷区，并采用大流量、低参数运行方式，最好蒸汽流速能超过满负荷运工况；由于氧化皮的堵塞是一个亚稳态行方式，最好蒸汽流速能超过满负荷运工况；由于氧化皮的堵塞是一个亚稳态结构，扰动有
49、可能将这种亚稳定状态破坏，可以在此负荷范围内采用蓄压变负结构，扰动有可能将这种亚稳定状态破坏，可以在此负荷范围内采用蓄压变负荷或者同时采用调节旁路等措施，采用较大流量扰动等类似冲管方式冲洗换热荷或者同时采用调节旁路等措施，采用较大流量扰动等类似冲管方式冲洗换热管内可能存在的氧化皮搭桥现象。管内可能存在的氧化皮搭桥现象。(11) 建议增加锅炉高过、屏过与高再等高温受热面出口壁温监测点，防止运行中换建议增加锅炉高过、屏过与高再等高温受热面出口壁温监测点，防止运行中换热管超温，同时也能使换热管堵塞现象尽可能多地被监测到。热管超温，同时也能使换热管堵塞现象尽可能多地被监测到。(12) 在运行过程中加强
50、壁温监视，做好燃烧调整工作，减少高温受热面换热管的壁在运行过程中加强壁温监视，做好燃烧调整工作，减少高温受热面换热管的壁温偏差。防止个别换热管超温运行，内壁氧化皮生成速率大大加快。温偏差。防止个别换热管超温运行，内壁氧化皮生成速率大大加快。(13) 特别提醒的是在机组抢修事故时应注意氧化皮脱落问题。应注意控制锅炉蒸汽特别提醒的是在机组抢修事故时应注意氧化皮脱落问题。应注意控制锅炉蒸汽温降速率；维持正常的闷炉时间，不能过早进行通风冷却。防止因抢修一次事温降速率；维持正常的闷炉时间，不能过早进行通风冷却。防止因抢修一次事故引起另外的一次或多次事故。故引起另外的一次或多次事故。3 3T23、T24钢
51、应用中发现的问题钢应用中发现的问题及其原因分析和建议及其原因分析和建议2.3. 维护维护 在维护过程中主要是检测内壁氧化皮厚度和氧化皮脱落后堆积状况，清理在维护过程中主要是检测内壁氧化皮厚度和氧化皮脱落后堆积状况，清理堵塞在换热管内的氧化皮，同时维护好壁温测点与减温水调节阀门。堵塞在换热管内的氧化皮，同时维护好壁温测点与减温水调节阀门。 3 3T23、T24钢应用中发现的问题钢应用中发现的问题及其原因分析和建议及其原因分析和建议3.2 再热器小再热器小R急弯弯头不等厚对接接头断裂失效急弯弯头不等厚对接接头断裂失效 1）情情况况介介绍绍：2006年年8月月2日日，国国华华太太仓仓8炉炉在在累累计
52、计运运行行约约7600h时时，末末级级再再热热器器B-A数数第第4屏屏内内向向外外数数第第2管管圈圈下下弯弯头头（63.56.0）与与炉炉前前侧侧管管子子（63.53.75）的的对对接接接接头头沿沿着着厚厚壁壁管管侧侧焊焊缝缝熔熔合合线线环环向向崩崩裂裂断断开开，泄泄漏漏的的蒸蒸汽汽导导致致末末级级再再热热器器B-A数数第第26屏屏下下弯弯头头区区域域发发生生大大面面积积管管子子吹吹损损减减薄薄。两两侧侧的的管管子子材材质质均均为为SA213-T23。为为了了保保证证焊焊接接接接头头内内壁壁坡坡口口平平齐齐，对对厚厚壁壁管管口口进行了内镗加工。进行了内镗加工。3 3T23、T24钢应用中发现的
53、问题钢应用中发现的问题及其原因分析和建议及其原因分析和建议 为了保证焊接为了保证焊接接头内壁坡口接头内壁坡口平齐，对厚壁平齐，对厚壁管口进行了内管口进行了内镗加工。镗加工。拉断区拉断处焊缝最大厚度约为4.1mm裂纹源及扩展区焊缝厚度最小约2.8mm41235673 3T23、T24钢应用中发现的问题钢应用中发现的问题及其原因分析和建议及其原因分析和建议 2）原因分析：）原因分析：厚壁侧管子坡口加工时的偏心和过镗厚壁侧管子坡口加工时的偏心和过镗打底焊道成形控制不良打底焊道成形控制不良厚壁侧管子热弯时引起母材晶粒粗大，导致焊缝厚壁侧热影响区相对薄弱厚壁侧管子热弯时引起母材晶粒粗大，导致焊缝厚壁侧热
54、影响区相对薄弱3）对策措施）对策措施：该类型焊接接头有条件尽量全部更换；该类型焊接接头有条件尽量全部更换；不不等等厚厚对对接接接接头头设设计计加加工工时时应应尽尽量量减减小小焊焊接接接接头头处处的的应应力力集集中中，如如壁壁厚厚过过渡渡区区宜宜尽量远离焊缝。尽量远离焊缝。制制造造过过程程中中应应加加强强对对内内镗镗管管子子坡坡口口实实际际加加工工尺尺寸寸的的验验收收，严严格格控控制制内内镗镗处处管管子子的的内径、壁厚及偏心等。内径、壁厚及偏心等。提高焊接质量，特别是要注意打底焊道的成形控制。提高焊接质量，特别是要注意打底焊道的成形控制。3 3T23、T24钢应用中发现的问题钢应用中发现的问题及
55、其原因分析和建议及其原因分析和建议3.3 T23材料管子安装焊接接头频繁开裂泄漏材料管子安装焊接接头频繁开裂泄漏 1）情情况况介介绍绍：某某电电厂厂58炉炉的的高高过过入入口口联联箱箱第第一一只只焊焊口口多多次次发发现现开开裂裂泄泄漏漏（材材料料T23、规规格格38.17.36），通通过过对对失失效效焊焊接接接接头头的的宏宏观观比比较较分分析析发发现现，大大部部分分开开裂裂失失效效的的焊焊接接接接头头根根部部存存在在过过烧烧或或未未焊焊透透、未未熔熔合合等等焊焊接接缺缺陷陷。电电厂厂曾曾利利用用检检修修机机会会进进行行100的的射射线线检检验验，并并对对根根部部可可疑疑缺缺陷陷的的接接头头进进
56、行行了了大大面面积积返返修修，然然而而并并不不能能彻彻底底根根治治，最最近近的的小小修修检检查查中，又发现两只焊口开裂。中，又发现两只焊口开裂。3 3T23、T24钢应用中发现的问题钢应用中发现的问题及其原因分析和建议及其原因分析和建议 2）原因分析：）原因分析： T23小小口口径径管管常常温温下下焊焊接接可可以以不不进进行行预预热热和和焊焊后后热热处处理理，但但是是必必须须控控制制焊焊接接线线能能量量，即即焊焊接接电电流流不不宜宜过过大大。然然而而现现场场安安装装焊焊接接时时，由由于于工工期期紧紧，缺缺乏乏到到位位的的工工程程焊焊接接监监理理，实实际际施施焊焊时时，部部分分焊焊口口对对口口间
57、间隙隙偏偏小小，焊焊接接电电流流过过大大，由由于于未未采采用用充充氩氩保保护护，根根部部容容易易产产生生烧烧穿穿、未未焊焊透透等等缺缺陷陷，因因而而接接头头使使用用性性能能低低，容容易易发发生早期开裂失效。生早期开裂失效。3）对策措施：）对策措施：加加强强基基建建时时的的全全面面焊焊接接质质量量管管理理，焊焊接接质质量量监监理理到到位位，实实际际施施焊焊时时严严格格执执行行焊焊接接工艺。工艺。加强焊接质量验收，严格控制根部过烧和未焊透缺陷。加强焊接质量验收，严格控制根部过烧和未焊透缺陷。一一旦旦发发现现存存在在此此类类焊焊接接质质量量问问题题，应应充充分分利利用用检检修修机机会会，加加强强宏宏观观检检查查和和无无损损探探伤抽查。伤抽查。由由于于现现场场检检验验条条件件限限制制，不不能能满满足足100射射线线检检验验，应应采采用用射射线线与与超超声声波波相相结结合合的原则。的原则。为了提高裂纹检出率，射线检验时应注意控制倾斜透照角度不宜过大。为了提高裂纹检出率，射线检验时应注意控制倾斜透照角度不宜过大。3 3T23、T24钢应用中发现的问题钢应用中发现的问题及其原因分析和建议及其原因分析和建议谢谢各位领导及专家323
