我国火电站焊接技术的现状及发展

0 前 言 

电力是我国国民经济发展的基础产业之一。改革开放的20年是中国电力发展最快、成就最大的时期。到2000年底我国全年发电总量达13500亿千瓦时，全国电力装机容量达到3.16亿千瓦，全国发电装机容量和全年发电量均居世界第二位。 

随着电力工业的迅速发展，大容量的高温高压机组、不断涌现，逐步淘汰了中温中压机组。到2000年底全国拥有1000 MW及以上装机容量的火电厂66座，全国现有火电大机组容量为200～210 MW的192台、250～300MW的180台、320～362.5 MW的56台、500～660 MW的30台，800 MW的2台，大机组已成为中国火力发电的主力机组。为了进一步提高机组效率、降低煤耗、保护环境、减少CO2的排放还有必要提高蒸汽参数。提高锅炉蒸汽温度和压力参数是提高火力发电厂效率最有效的方法之一，特别是温度对效率的影响更为显著。 

增大蒸汽压力要求使用高温强度更高的钢材，否则必然使构件的壁厚成倍地增大。增加蒸汽温度则必然要求钢材能在更高的温度下保持高的强度。可见电力技术的发展在很大程度上依赖于材料技术的发展水平。顺应这一要求，自20世纪的80年代以来，美、德、法、日等国开发出一系列适用于蒸汽参数达600℃/610℃、25 MPa的铁素体热强钢和蒸汽温度达625℃的奥氏体耐热不锈钢(T91/P91，T92/P92，T122/P122，Super304H，T23/P23)。这些钢是在现代的冶炼、轧制、热处理和计算机控制技术基础上产生的，它们将是我国今后新建大容量亚临界机组和超临界机组时首选的材料。因此研究和掌握这些材料的焊接工艺，研究并充分认识这些材料焊接接头在高温下的行为，是当前我国电站焊接工作者面临的任务。 

1 我国火电站用钢的现状及展望 

电站用钢的开发需要很长的周期，建国以来我国电站高温高压管用钢材大多沿用国外成熟钢种， 国内外实践证明12Cr1MoV、2.25Cr-Mo、TP304、TP347等钢工艺性能良好、运行可靠。但为了提高蒸汽温度和压力，20世纪60年代以后各国（也包括我国）纷纷致力于开发使用温度高于580℃低于650℃的钢种，其成果虽然已有不少应用，但都有些缺憾。1983年美国ORNL在花了8年时间对9Cr1Mo钢进行了改进后，推出的T91/P91钢具有优良的常温和610℃以下高温力学性能的同时，还具有良好的加工工艺性能。 

可以说T91/P91钢的开发成功是电站用钢领域内近30年努力的突破。我国于1987年开始引进使用这种钢，10多年来已有一些单位基本掌握了T91/P91钢的焊接工艺，同时也开展了T91与钢102、12Cr1MoV、TP304钢异种钢焊接的研究工作。用T91更换钢102制成的过热器和高温再热器运行的可靠度明显提高。用P91制成的蒸汽管其管壁厚度可成倍地减小，表1比较了在同样蒸汽参数下分别使用2.25CrMo钢和P91钢时钢管的壁厚。壁厚的减小降低了构件的重量，减小了结构应力和热应力，也减小了制造成本和施工难度。 

 
表1 2.25Cr-Mo、P91钢经济性比较

随着T91/P91钢在世界范围内日益推广应用，沿着美国ORNL开发T91/P91钢的思路在原来钢102、2.25Cr-Mo、X20、TP304等钢的基础上又相继开发出了T122/P122(HCM12A),T92/P92(NF616) 和T91/P91一系列钢种。使用P122、P92和P23钢的经济效益见表2。这些钢相对于2.25Cr-Mo和X20的明显优势是显然的。它们已在日本的一些电厂使用，我国也会在不久的将来陆续引进使用。 

 
表2 大口径钢管的经济性比较

2 火电站用新型热强钢的基本特点及其焊接性 

T91/P91、T92/P92、P23/T23、T122/P122都是属调质状态下使用的回火马氏体钢，又都是在相同的思路下研制开发的，它们具有相似的基本特点。如果分别对应地比较T91/P91和T9、EM12；T23和钢102、2.25Cr-Mo以及P122和X20。可以得出T91/P91、T92/P92、P23/T23、T122/P122这些新钢种与其原来牌号的老钢种在成分上的差别仅在于：①C、S、P含量的减少；②Nb、V、N等元素作为微合金化而微量添加，但它们的强化机理和老钢种有原则的不同。而T91/P91等新钢种除了固溶和沉淀强化外，还通过微合金化、控轧、形变热处理及控冷获得高密度位错和高度细化的晶粒，为钢的进一步强化和显著的韧化作出了贡献。新钢种由于降低了碳和杂质元素的含量，对焊接裂纹的敏感性都明显降低，对P122钢的斜Y形拘束裂纹试验表明，200℃预热即可保证裂纹率为零。而相同Cr含量的X20钢的裂纹倾向要大的多。更由于采用这类钢后，可成倍减小构件壁厚，焊接获得完整无裂纹的接头的难度比钢102、T9、X20等也大为降低。尽管如此，接头性能的明显劣化却是焊接这类钢的主要困难。由这类钢的基本特点可以设想：①焊缝由于熔敷金属没有控轧和形变热处理的机会，晶粒不可能由此获得细化，又由于熔敷金属中的Nb、V在凝固冷却过程中难以呈微细的C、N化合物析出，焊缝的韧性会远不如母材。②供货状态优良的母材性能受到焊接的高温循环，母材HAZ性能必会明显劣化。③这种劣化的程度随焊接热输入的增大而加剧。对T91/P91钢焊接的实践已经证明了这些设想。 

2.1 焊缝金属韧性的劣化 

三菱重工在1985年焊接P91大口径厚壁管时所得的接头韧性，暴露了焊缝韧性低劣的现象，与此同时HAZ以及熔合区韧性低劣的现象远不如焊缝那样明显。我国的电站焊接工作者近年来对T91/P91钢的实践，证实了焊缝的韧性对热输入和层间温度极其敏感。采用大热输入、高的层间温度(60kJ/cm、250~350℃)时焊缝韧性仅为3.9~19.5 J/cm2，降低线能量和层间温度(25 kJ/cm和220~250℃)时焊缝韧性达到了73.2~113.6 J/cm2。焊缝的韧性还与焊后热处理制度密切相关。此外熔敷金属的氧含量也影响它的韧性，实践证明TIG焊缝的韧性优于埋弧焊和手工电弧焊，而埋弧焊又优于手工电弧焊。 

我国焊接工作者采用小热输入TIG热丝全位置焊接P91厚壁管，取得了良好的焊缝韧性。尽管如此，焊缝的韧性仍比HAZ、熔合区低很多。P91钢是这样的，其他新型马氏体类热强钢也会表现出相似的规律。可见克服这种马氏体细晶强韧化钢材焊缝韧性的劣化倾向是焊接工作者需要突破的具有共性的技术问题。 

2.2 HAZ蠕变断裂强度的劣化 

研究表明P91钢HAZ存在一个蠕变断裂强度劣化的区域，劣化从焊接热影响区的850℃，即AC1开始，925℃时劣化至最低值，然后逐步恢复，待热影响区温度超过1 100℃以后才恢复到接近母材。可以推论，这一劣化区的宽度越大，对接头高温强度的影响也就越明显，因此控制850~1 100℃热影响区的宽度是控制这一劣化影响的重要手段。显然这也需要通过控制焊接热输入和层间温度来实现。 

2.3 异种钢焊接接头的早期失效倾向 

实践证明铁素体热强钢与奥氏体钢组成的异种钢接头，存在着随机的低于平均寿命的早期失效现象。长期的研究工作已经认识了这种现象的机理和控制措施。但是对于以T91/P91为代表的新型马氏体类热强钢与奥氏体钢的异种钢接头是否还能服从这些规律，还需电站焊接工作者关注和研究。 

总之，研究和掌握上一世纪末出现的代表现代先进冶金技术的一系列新型热强钢的焊接和它们的高温运行行为是电站焊接工作者面临的紧迫的任务。 

3 电站设备的延寿焊接 

美国Philadelphia电力公司Eddestone厂1号机是1960年2月开始商业运行的首台蒸汽温度为650℃，压力为350 大气压的超超临界机组，1983年经过检查评定更换其蠕变损伤严重的部分主蒸汽管后又恢复正常运行。这种根据以往的运行历史、对当前时刻可能发生失效的部件进行检测、分析、评定其剩余寿命，然后根据评定的结果更换寿命耗尽的部件，修复其损伤的部位，使机组处于正常运行状态的措施称之为延寿措施。采用这样的措施以后，机组寿命已往往不是由机组的技术状态决定，而是由其经济指标决定。多年以来我国的电站焊接工作者曾成功地修复过气包、集箱、转子、汽缸等部件，为延寿焊接积累了经验。 

大容量机组的延寿措施其经济意义是显著的，但启动延寿措施也需要相当的投入，极有必要从同类机组的运行经验和科研成果中提取信息指导何时应对何部件实施延寿措施，并根据评估结果指导是否应对相应的部件进行修复焊接。例如：统计证明对于填充金属为奥氏体的铁素体/奥氏体异种钢接头，累计运行时间接近8万小时就会出现较高频度的失效，而填充金属为镍基合金的铁素体/奥氏体异种钢接头累计运行时间达15万小时才会出现较高的失效倾向。据此可以分别在7万和14万小时运行后对这些部件启用延寿措施，可能恰到好处。又如：某125机组低压转子安全运行13年以后，考虑到制作时残留的缺陷于1982年退役。经各方专家解剖计算，证明转子仍能安全运行、原缺欠未扩展，既使运用考虑了各种随机因素的可靠性方法计算，转子在继续26次启停循环后其可靠度才开始从100%下降。可见确定某机组某部件适时地启用延寿措施的时刻是很重要的。此外，在焊接接头损伤的评估中如何考虑焊接接头力学性能的宏观不均匀性；在运用焊接技术的同时如何合理地研究利用表面工程中的有关技术，作到不同部件、不同损伤在不同场合使用不同的工艺技术等，都是电站焊接工作者面对需要研究解决的问题。随着大容量老旧机组和调峰机组数量的增多，延寿工作的规模也将随之迅速增大。 

4 结 论 

(1) 为适应提高火电站效率的需要，通过20世纪后半叶30多年的努力，在纯化钢质的同时，运用微合金化和形变热处理技术的细晶强韧化基础上，开发一系列高性能的马氏体热强钢和超级奥氏体热强钢，使提高蒸汽温度和压力参数、减少构件壁厚、降低热应力和结构应力成为可能。 
(2) 上述一系列新钢种在具有优良力学性能的同时，还具有比原有相近成分的钢更优良的加工性能和焊接性。其突出的焊接困难是焊缝性能和HAZ性能的劣化，克服这种劣化现象、掌握这一类钢种的焊接技术、掌握这一类焊接接头高温下运行的行为规律是电站焊接工作者当前面临的任务。 
(3) 随着大容量老旧机组和调峰机组数量的增多，全面开展电站设备的延寿工作和焊接修复，研究解决延寿工作中的相关问题也是电站焊接工作者面临的工作。