我國火電站焊接技術的現狀及發展

0 前 言 

電力是我國國民經濟發展的基礎產業之一。改革開放的20年是中國電力發展最快、成就最大的時期。到2000年底我國全年發電總量達13500億千瓦時，全國電力裝機容量達到3.16億千瓦，全國發電裝機容量和全年發電量均居世界第二位。 

隨著電力工業的迅速發展，大容量的高溫高壓機組、不斷涌現，逐步淘汰了中溫中壓機組。到2000年底全國擁有1000 MW及以上裝機容量的火電廠66座，全國現有火電大機組容量為200～210 MW的192臺、250～300MW的180臺、320～362.5 MW的56臺、500～660 MW的30臺，800 MW的2臺，大機組已成為中國火力發電的主力機組。為了進一步提高機組效率、降低煤耗、保護環境、減少CO2的排放還有必要提高蒸汽參數。提高鍋爐蒸汽溫度和壓力參數是提高火力發電廠效率最有效的方法之一，特別是溫度對效率的影響更為顯著。 

增大蒸汽壓力要求使用高溫強度更高的鋼材，否則必然使構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度。可見電力技術的發展在很大程度上依賴于材料技術的發展水平。順應這一要求，自20世紀的80年代以來，美、德、法、日等國開發出一系列適用于蒸汽參數達600℃/610℃、25 MPa的鐵素體熱強鋼和蒸汽溫度達625℃的奧氏體耐熱不銹鋼(T91/P91，T92/P92，T122/P122，Super304H，T23/P23)。這些鋼是在現代的冶煉、軋制、熱處理和計算機控制技術基礎上產生的，它們將是我國今后新建大容量亞臨界機組和超臨界機組時首選的材料。因此研究和掌握這些材料的焊接工藝，研究并充分認識這些材料焊接接頭在高溫下的行為，是當前我國電站焊接工作者面臨的任務。 

1 我國火電站用鋼的現狀及展望 

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

可以說T91/P91鋼的開發成功是電站用鋼領域內近30年努力的突破。我國于1987年開始引進使用這種鋼，10多年來已有一些單位基本掌握了T91/P91鋼的焊接工藝，同時也開展了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下分別使用2.25CrMo鋼和P91鋼時鋼管的壁厚。壁厚的減小降低了構件的重量，減小了結構應力和熱應力，也減小了制造成本和施工難度。 

 
表1 2.25Cr-Mo、P91鋼經濟性比較

隨著T91/P91鋼在世界范圍內日益推廣應用，沿著美國ORNL開發T91/P91鋼的思路在原來鋼102、2.25Cr-Mo、X20、TP304等鋼的基礎上又相繼開發出了T122/P122(HCM12A),T92/P92(NF616) 和T91/P91一系列鋼種。使用P122、P92和P23鋼的經濟效益見表2。這些鋼相對于2.25Cr-Mo和X20的明顯優勢是顯然的。它們已在日本的一些電廠使用，我國也會在不久的將來陸續引進使用。 

 
表2 大口徑鋼管的經濟性比較

2 火電站用新型熱強鋼的基本特點及其焊接性 

T91/P91、T92/P92、P23/T23、T122/P122都是屬調質狀態下使用的回火馬氏體鋼，又都是在相同的思路下研制開發的，它們具有相似的基本特點。如果分別對應地比較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牌號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，但它們的強化機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和高度細化的晶粒，為鋼的進一步強化和顯著的韌化作出了貢獻。新鋼種由于降低了碳和雜質元素的含量，對焊接裂紋的敏感性都明顯降低，對P122鋼的斜Y形拘束裂紋試驗表明，200℃預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，可成倍減小構件壁厚，焊接獲得完整無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可以設想：①焊縫由于熔敷金屬沒有控軋和形變熱處理的機會，晶粒不可能由此獲得細化，又由于熔敷金屬中的Nb、V在凝固冷卻過程中難以呈微細的C、N化合物析出，焊縫的韌性會遠不如母材。②供貨狀態優良的母材性能受到焊接的高溫循環，母材HAZ性能必會明顯劣化。③這種劣化的程度隨焊接熱輸入的增大而加劇。對T91/P91鋼焊接的實踐已經證明了這些設想。 

2.1 焊縫金屬韌性的劣化 

三菱重工在1985年焊接P91大口徑厚壁管時所得的接頭韌性，暴露了焊縫韌性低劣的現象，與此同時HAZ以及熔合區韌性低劣的現象遠不如焊縫那樣明顯。我國的電站焊接工作者近年來對T91/P91鋼的實踐，證實了焊縫的韌性對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℃)時焊縫韌性達到了73.2~113.6 J/cm2。焊縫的韌性還與焊后熱處理制度密切相關。此外熔敷金屬的氧含量也影響它的韌性，實踐證明TIG焊縫的韌性優于埋弧焊和手工電弧焊，而埋弧焊又優于手工電弧焊。 

我國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、熔合區低很多。P91鋼是這樣的，其他新型馬氏體類熱強鋼也會表現出相似的規律。可見克服這種馬氏體細晶強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問題。 

2.2 HAZ蠕變斷裂強度的劣化 

研究表明P91鋼HAZ存在一個蠕變斷裂強度劣化的區域，劣化從焊接熱影響區的850℃，即AC1開始，925℃時劣化至最低值，然后逐步恢復，待熱影響區溫度超過1 100℃以后才恢復到接近母材。可以推論，這一劣化區的寬度越大，對接頭高溫強度的影響也就越明顯，因此控制850~1 100℃熱影響區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實現。 

2.3 異種鋼焊接接頭的早期失效傾向 

實踐證明鐵素體熱強鋼與奧氏體鋼組成的異種鋼接頭，存在著隨機的低于平均壽命的早期失效現象。長期的研究工作已經認識了這種現象的機理和控制措施。但是對于以T91/P91為代表的新型馬氏體類熱強鋼與奧氏體鋼的異種鋼接頭是否還能服從這些規律，還需電站焊接工作者關注和研究。 

總之，研究和掌握上一世紀末出現的代表現代先進冶金技術的一系列新型熱強鋼的焊接和它們的高溫運行行為是電站焊接工作者面臨的緊迫的任務。 

3 電站設備的延壽焊接 

美國Philadelphia電力公司Eddestone廠1號機是1960年2月開始商業運行的首臺蒸汽溫度為650℃，壓力為350 大氣壓的超超臨界機組，1983年經過檢查評定更換其蠕變損傷嚴重的部分主蒸汽管后又恢復正常運行。這種根據以往的運行歷史、對當前時刻可能發生失效的部件進行檢測、分析、評定其剩余壽命，然后根據評定的結果更換壽命耗盡的部件，修復其損傷的部位，使機組處于正常運行狀態的措施稱之為延壽措施。采用這樣的措施以后，機組壽命已往往不是由機組的技術狀態決定，而是由其經濟指標決定。多年以來我國的電站焊接工作者曾成功地修復過氣包、集箱、轉子、汽缸等部件，為延壽焊接積累了經驗。 

大容量機組的延壽措施其經濟意義是顯著的，但啟動延壽措施也需要相當的投入，極有必要從同類機組的運行經驗和科研成果中提取信息指導何時應對何部件實施延壽措施，并根據評估結果指導是否應對相應的部件進行修復焊接。例如：統計證明對于填充金屬為奧氏體的鐵素體/奧氏體異種鋼接頭，累計運行時間接近8萬小時就會出現較高頻度的失效，而填充金屬為鎳基合金的鐵素體/奧氏體異種鋼接頭累計運行時間達15萬小時才會出現較高的失效傾向。據此可以分別在7萬和14萬小時運行后對這些部件啟用延壽措施，可能恰到好處。又如：某125機組低壓轉子安全運行13年以后，考慮到制作時殘留的缺陷于1982年退役。經各方專家解剖計算，證明轉子仍能安全運行、原缺欠未擴展，既使運用考慮了各種隨機因素的可靠性方法計算，轉子在繼續26次啟停循環后其可靠度才開始從100%下降。可見確定某機組某部件適時地啟用延壽措施的時刻是很重要的。此外，在焊接接頭損傷的評估中如何考慮焊接接頭力學性能的宏觀不均勻性；在運用焊接技術的同時如何合理地研究利用表面工程中的有關技術，作到不同部件、不同損傷在不同場合使用不同的工藝技術等，都是電站焊接工作者面對需要研究解決的問題。隨著大容量老舊機組和調峰機組數量的增多，延壽工作的規模也將隨之迅速增大。 

4 結 論 

(1) 為適應提高火電站效率的需要，通過20世紀后半葉30多年的努力，在純化鋼質的同時，運用微合金化和形變熱處理技術的細晶強韌化基礎上，開發一系列高性能的馬氏體熱強鋼和超級奧氏體熱強鋼，使提高蒸汽溫度和壓力參數、減少構件壁厚、降低熱應力和結構應力成為可能。 
(2) 上述一系列新鋼種在具有優良力學性能的同時，還具有比原有相近成分的鋼更優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，克服這種劣化現象、掌握這一類鋼種的焊接技術、掌握這一類焊接接頭高溫下運行的行為規律是電站焊接工作者當前面臨的任務。 
(3) 隨著大容量老舊機組和調峰機組數量的增多，全面開展電站設備的延壽工作和焊接修復，研究解決延壽工作中的相關問題也是電站焊接工作者面臨的工作。