我國(guó)火電站焊接技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

0 前 言 

電力是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一。改革開放的20年是中國(guó)電力發(fā)展最快、成就最大的時(shí)期。到2000年底我國(guó)全年發(fā)電總量達(dá)13500億千瓦時(shí)，全國(guó)電力裝機(jī)容量達(dá)到3.16億千瓦，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量和全年發(fā)電量均居世界第二位。 

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，大容量的高溫高壓機(jī)組、不斷涌現(xiàn)，逐步淘汰了中溫中壓機(jī)組。到2000年底全國(guó)擁有1000 MW及以上裝機(jī)容量的火電廠66座，全國(guó)現(xiàn)有火電大機(jī)組容量為200～210 MW的192臺(tái)、250～300MW的180臺(tái)、320～362.5 MW的56臺(tái)、500～660 MW的30臺(tái)，800 MW的2臺(tái)，大機(jī)組已成為中國(guó)火力發(fā)電的主力機(jī)組。為了進(jìn)一步提高機(jī)組效率、降低煤耗、保護(hù)環(huán)境、減少CO2的排放還有必要提高蒸汽參數(shù)。提高鍋爐蒸汽溫度和壓力參數(shù)是提高火力發(fā)電廠效率最有效的方法之一，特別是溫度對(duì)效率的影響更為顯著。 

增大蒸汽壓力要求使用高溫強(qiáng)度更高的鋼材，否則必然使構(gòu)件的壁厚成倍地增大。增加蒸汽溫度則必然要求鋼材能在更高的溫度下保持高的強(qiáng)度。可見電力技術(shù)的發(fā)展在很大程度上依賴于材料技術(shù)的發(fā)展水平。順應(yīng)這一要求，自20世紀(jì)的80年代以來(lái)，美、德、法、日等國(guó)開發(fā)出一系列適用于蒸汽參數(shù)達(dá)600℃/610℃、25 MPa的鐵素體熱強(qiáng)鋼和蒸汽溫度達(dá)625℃的奧氏體耐熱不銹鋼(T91/P91，T92/P92，T122/P122，Super304H，T23/P23)。這些鋼是在現(xiàn)代的冶煉、軋制、熱處理和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，它們將是我國(guó)今后新建大容量亞臨界機(jī)組和超臨界機(jī)組時(shí)首選的材料。因此研究和掌握這些材料的焊接工藝，研究并充分認(rèn)識(shí)這些材料焊接接頭在高溫下的行為，是當(dāng)前我國(guó)電站焊接工作者面臨的任務(wù)。 

1 我國(guó)火電站用鋼的現(xiàn)狀及展望 

電站用鋼的開發(fā)需要很長(zhǎng)的周期，建國(guó)以來(lái)我國(guó)電站高溫高壓管用鋼材大多沿用國(guó)外成熟鋼種， 國(guó)內(nèi)外實(shí)踐證明12Cr1MoV、2.25Cr-Mo、TP304、TP347等鋼工藝性能良好、運(yùn)行可靠。但為了提高蒸汽溫度和壓力，20世紀(jì)60年代以后各國(guó)（也包括我國(guó)）紛紛致力于開發(fā)使用溫度高于580℃低于650℃的鋼種，其成果雖然已有不少應(yīng)用，但都有些缺憾。1983年美國(guó)ORNL在花了8年時(shí)間對(duì)9Cr1Mo鋼進(jìn)行了改進(jìn)后，推出的T91/P91鋼具有優(yōu)良的常溫和610℃以下高溫力學(xué)性能的同時(shí)，還具有良好的加工工藝性能。 

可以說(shuō)T91/P91鋼的開發(fā)成功是電站用鋼領(lǐng)域內(nèi)近30年努力的突破。我國(guó)于1987年開始引進(jìn)使用這種鋼，10多年來(lái)已有一些單位基本掌握了T91/P91鋼的焊接工藝，同時(shí)也開展了T91與鋼102、12Cr1MoV、TP304鋼異種鋼焊接的研究工作。用T91更換鋼102制成的過熱器和高溫再熱器運(yùn)行的可靠度明顯提高。用P91制成的蒸汽管其管壁厚度可成倍地減小，表1比較了在同樣蒸汽參數(shù)下分別使用2.25CrMo鋼和P91鋼時(shí)鋼管的壁厚。壁厚的減小降低了構(gòu)件的重量，減小了結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力，也減小了制造成本和施工難度。 

 
表1 2.25Cr-Mo、P91鋼經(jīng)濟(jì)性比較

隨著T91/P91鋼在世界范圍內(nèi)日益推廣應(yīng)用，沿著美國(guó)ORNL開發(fā)T91/P91鋼的思路在原來(lái)鋼102、2.25Cr-Mo、X20、TP304等鋼的基礎(chǔ)上又相繼開發(fā)出了T122/P122(HCM12A),T92/P92(NF616) 和T91/P91一系列鋼種。使用P122、P92和P23鋼的經(jīng)濟(jì)效益見表2。這些鋼相對(duì)于2.25Cr-Mo和X20的明顯優(yōu)勢(shì)是顯然的。它們已在日本的一些電廠使用，我國(guó)也會(huì)在不久的將來(lái)陸續(xù)引進(jìn)使用。 

 
表2 大口徑鋼管的經(jīng)濟(jì)性比較

2 火電站用新型熱強(qiáng)鋼的基本特點(diǎn)及其焊接性 

T91/P91、T92/P92、P23/T23、T122/P122都是屬調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用的回火馬氏體鋼，又都是在相同的思路下研制開發(fā)的，它們具有相似的基本特點(diǎn)。如果分別對(duì)應(yīng)地比較T91/P91和T9、EM12；T23和鋼102、2.25Cr-Mo以及P122和X20。可以得出T91/P91、T92/P92、P23/T23、T122/P122這些新鋼種與其原來(lái)牌號(hào)的老鋼種在成分上的差別僅在于：①C、S、P含量的減少；②Nb、V、N等元素作為微合金化而微量添加，但它們的強(qiáng)化機(jī)理和老鋼種有原則的不同。而T91/P91等新鋼種除了固溶和沉淀強(qiáng)化外，還通過微合金化、控軋、形變熱處理及控冷獲得高密度位錯(cuò)和高度細(xì)化的晶粒，為鋼的進(jìn)一步強(qiáng)化和顯著的韌化作出了貢獻(xiàn)。新鋼種由于降低了碳和雜質(zhì)元素的含量，對(duì)焊接裂紋的敏感性都明顯降低，對(duì)P122鋼的斜Y形拘束裂紋試驗(yàn)表明，200℃預(yù)熱即可保證裂紋率為零。而相同Cr含量的X20鋼的裂紋傾向要大的多。更由于采用這類鋼后，可成倍減小構(gòu)件壁厚，焊接獲得完整無(wú)裂紋的接頭的難度比鋼102、T9、X20等也大為降低。盡管如此，接頭性能的明顯劣化卻是焊接這類鋼的主要困難。由這類鋼的基本特點(diǎn)可以設(shè)想：①焊縫由于熔敷金屬?zèng)]有控軋和形變熱處理的機(jī)會(huì)，晶粒不可能由此獲得細(xì)化，又由于熔敷金屬中的Nb、V在凝固冷卻過程中難以呈微細(xì)的C、N化合物析出，焊縫的韌性會(huì)遠(yuǎn)不如母材。②供貨狀態(tài)優(yōu)良的母材性能受到焊接的高溫循環(huán)，母材HAZ性能必會(huì)明顯劣化。③這種劣化的程度隨焊接熱輸入的增大而加劇。對(duì)T91/P91鋼焊接的實(shí)踐已經(jīng)證明了這些設(shè)想。 

2.1 焊縫金屬韌性的劣化 

三菱重工在1985年焊接P91大口徑厚壁管時(shí)所得的接頭韌性，暴露了焊縫韌性低劣的現(xiàn)象，與此同時(shí)HAZ以及熔合區(qū)韌性低劣的現(xiàn)象遠(yuǎn)不如焊縫那樣明顯。我國(guó)的電站焊接工作者近年來(lái)對(duì)T91/P91鋼的實(shí)踐，證實(shí)了焊縫的韌性對(duì)熱輸入和層間溫度極其敏感。采用大熱輸入、高的層間溫度(60kJ/cm、250~350℃)時(shí)焊縫韌性僅為3.9~19.5 J/cm2，降低線能量和層間溫度(25 kJ/cm和220~250℃)時(shí)焊縫韌性達(dá)到了73.2~113.6 J/cm2。焊縫的韌性還與焊后熱處理制度密切相關(guān)。此外熔敷金屬的氧含量也影響它的韌性，實(shí)踐證明TIG焊縫的韌性優(yōu)于埋弧焊和手工電弧焊，而埋弧焊又優(yōu)于手工電弧焊。 

我國(guó)焊接工作者采用小熱輸入TIG熱絲全位置焊接P91厚壁管，取得了良好的焊縫韌性。盡管如此，焊縫的韌性仍比HAZ、熔合區(qū)低很多。P91鋼是這樣的，其他新型馬氏體類熱強(qiáng)鋼也會(huì)表現(xiàn)出相似的規(guī)律。可見克服這種馬氏體細(xì)晶強(qiáng)韌化鋼材焊縫韌性的劣化傾向是焊接工作者需要突破的具有共性的技術(shù)問題。 

2.2 HAZ蠕變斷裂強(qiáng)度的劣化 

研究表明P91鋼HAZ存在一個(gè)蠕變斷裂強(qiáng)度劣化的區(qū)域，劣化從焊接熱影響區(qū)的850℃，即AC1開始，925℃時(shí)劣化至最低值，然后逐步恢復(fù)，待熱影響區(qū)溫度超過1 100℃以后才恢復(fù)到接近母材?？梢酝普摚@一劣化區(qū)的寬度越大，對(duì)接頭高溫強(qiáng)度的影響也就越明顯，因此控制850~1 100℃熱影響區(qū)的寬度是控制這一劣化影響的重要手段。顯然這也需要通過控制焊接熱輸入和層間溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。 

2.3 異種鋼焊接接頭的早期失效傾向 

實(shí)踐證明鐵素體熱強(qiáng)鋼與奧氏體鋼組成的異種鋼接頭，存在著隨機(jī)的低于平均壽命的早期失效現(xiàn)象。長(zhǎng)期的研究工作已經(jīng)認(rèn)識(shí)了這種現(xiàn)象的機(jī)理和控制措施。但是對(duì)于以T91/P91為代表的新型馬氏體類熱強(qiáng)鋼與奧氏體鋼的異種鋼接頭是否還能服從這些規(guī)律，還需電站焊接工作者關(guān)注和研究。 

總之，研究和掌握上一世紀(jì)末出現(xiàn)的代表現(xiàn)代先進(jìn)冶金技術(shù)的一系列新型熱強(qiáng)鋼的焊接和它們的高溫運(yùn)行行為是電站焊接工作者面臨的緊迫的任務(wù)。 

3 電站設(shè)備的延壽焊接 

美國(guó)Philadelphia電力公司Eddestone廠1號(hào)機(jī)是1960年2月開始商業(yè)運(yùn)行的首臺(tái)蒸汽溫度為650℃，壓力為350 大氣壓的超超臨界機(jī)組，1983年經(jīng)過檢查評(píng)定更換其蠕變損傷嚴(yán)重的部分主蒸汽管后又恢復(fù)正常運(yùn)行。這種根據(jù)以往的運(yùn)行歷史、對(duì)當(dāng)前時(shí)刻可能發(fā)生失效的部件進(jìn)行檢測(cè)、分析、評(píng)定其剩余壽命，然后根據(jù)評(píng)定的結(jié)果更換壽命耗盡的部件，修復(fù)其損傷的部位，使機(jī)組處于正常運(yùn)行狀態(tài)的措施稱之為延壽措施。采用這樣的措施以后，機(jī)組壽命已往往不是由機(jī)組的技術(shù)狀態(tài)決定，而是由其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)決定。多年以來(lái)我國(guó)的電站焊接工作者曾成功地修復(fù)過氣包、集箱、轉(zhuǎn)子、汽缸等部件，為延壽焊接積累了經(jīng)驗(yàn)。 

大容量機(jī)組的延壽措施其經(jīng)濟(jì)意義是顯著的，但啟動(dòng)延壽措施也需要相當(dāng)?shù)耐度耄瑯O有必要從同類機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和科研成果中提取信息指導(dǎo)何時(shí)應(yīng)對(duì)何部件實(shí)施延壽措施，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果指導(dǎo)是否應(yīng)對(duì)相應(yīng)的部件進(jìn)行修復(fù)焊接。例如：統(tǒng)計(jì)證明對(duì)于填充金屬為奧氏體的鐵素體/奧氏體異種鋼接頭，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間接近8萬(wàn)小時(shí)就會(huì)出現(xiàn)較高頻度的失效，而填充金屬為鎳基合金的鐵素體/奧氏體異種鋼接頭累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)15萬(wàn)小時(shí)才會(huì)出現(xiàn)較高的失效傾向。據(jù)此可以分別在7萬(wàn)和14萬(wàn)小時(shí)運(yùn)行后對(duì)這些部件啟用延壽措施，可能恰到好處。又如：某125機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子安全運(yùn)行13年以后，考慮到制作時(shí)殘留的缺陷于1982年退役。經(jīng)各方專家解剖計(jì)算，證明轉(zhuǎn)子仍能安全運(yùn)行、原缺欠未擴(kuò)展，既使運(yùn)用考慮了各種隨機(jī)因素的可靠性方法計(jì)算，轉(zhuǎn)子在繼續(xù)26次啟停循環(huán)后其可靠度才開始從100%下降。可見確定某機(jī)組某部件適時(shí)地啟用延壽措施的時(shí)刻是很重要的。此外，在焊接接頭損傷的評(píng)估中如何考慮焊接接頭力學(xué)性能的宏觀不均勻性；在運(yùn)用焊接技術(shù)的同時(shí)如何合理地研究利用表面工程中的有關(guān)技術(shù)，作到不同部件、不同損傷在不同場(chǎng)合使用不同的工藝技術(shù)等，都是電站焊接工作者面對(duì)需要研究解決的問題。隨著大容量老舊機(jī)組和調(diào)峰機(jī)組數(shù)量的增多，延壽工作的規(guī)模也將隨之迅速增大。 

4 結(jié) 論 

(1) 為適應(yīng)提高火電站效率的需要，通過20世紀(jì)后半葉30多年的努力，在純化鋼質(zhì)的同時(shí)，運(yùn)用微合金化和形變熱處理技術(shù)的細(xì)晶強(qiáng)韌化基礎(chǔ)上，開發(fā)一系列高性能的馬氏體熱強(qiáng)鋼和超級(jí)奧氏體熱強(qiáng)鋼，使提高蒸汽溫度和壓力參數(shù)、減少構(gòu)件壁厚、降低熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力成為可能。 
(2) 上述一系列新鋼種在具有優(yōu)良力學(xué)性能的同時(shí)，還具有比原有相近成分的鋼更優(yōu)良的加工性能和焊接性。其突出的焊接困難是焊縫性能和HAZ性能的劣化，克服這種劣化現(xiàn)象、掌握這一類鋼種的焊接技術(shù)、掌握這一類焊接接頭高溫下運(yùn)行的行為規(guī)律是電站焊接工作者當(dāng)前面臨的任務(wù)。 
(3) 隨著大容量老舊機(jī)組和調(diào)峰機(jī)組數(shù)量的增多，全面開展電站設(shè)備的延壽工作和焊接修復(fù)，研究解決延壽工作中的相關(guān)問題也是電站焊接工作者面臨的工作。