T23钢膜式壁焊接工艺研究及应用

SA-213T23(HCM2S)是日本住友金属株式会社在我国G102(12Cr2MoWVTiB)基础上研制出的低合金贝氏体型耐热钢,其在550-600℃有良好的蠕变性能和许用应力,是一种介于12Cr1MoV和T91之间的很好的过渡材料,国内在锅炉的过热器、再热器、水冷壁等部件上使用该材料,然而随着T23钢的使用和一些问题的暴露,行内人士逐渐认识到T23钢有再热裂纹倾向,为了T23钢在水冷壁产品中成功应用,针对膜式壁管屏开展了相应的工艺试验研究。

国产T23钢高温时效时组织和力学性能的研究

采用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜观察和拉伸、冲击试验等方法,研究了国产T23钢在600℃时效时的组织变化和力学性能。结果表明,T23钢在600℃时效时随着时效时间的延长,T23钢中M23C6型碳化物不断粗化,粒状贝氏体形貌逐渐退化。时效时间较短时,主要是M23C6型碳化物粗化引起T23钢力学性能下降;时效时间较长时,主要是粒状贝氏体形貌的变化导致T23钢力学性能下降,同时,M23C6的球化及其向M6C的转变、亚晶的形成和W、Mo固溶强化的降低加快了T23钢力学性能的下降。

1000MW塔式炉水冷壁T23钢接头短期失效分析

对近年来国内1 000 MW超超临界塔式炉中频发的水冷壁T23接头短期失效案例进行了分析,观察了裂纹的宏观和微观形态,通过OM、SEM和TEM分析了裂纹附近的的显微组织,并测试了接头的力学性能。通过有限元软件模拟了附加应力对裂纹形成的影响。最后在上述此基础上判断裂纹的性质,阐明其形成机理,并提出预防措施。结果表明,裂纹为蠕变沿晶裂纹,沿焊缝横向分布在管子的6点钟或12点钟位置。焊态焊缝形成了较多高硬度的马氏体,其在运行后的室温冲击韧性很低。这种焊缝在水冷壁工作温度下具有蠕变脆性,在结构附加应力和疲劳载荷的作用下易于发生蠕变沿晶开裂。选择低强度等级焊材、进行焊后热处理、细化晶粒和减小水平方向的结构应力有助于抑制裂纹。

T23钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线

利用膨胀法和差热分析法结合金相-硬度法测定T23钢过冷奥氏体的连续冷却曲线(CCT图)。由差热分析仪测得了临界点Ac1、Ac3、Ar1和Ar3,由Gleeble-1500热模拟机测定T23钢以不同冷却速度连续冷却时的膨胀曲线和Ms,获得了该钢的连续冷却转变曲线。研究了T23钢连续冷却过程中奥氏体转变过程及转变产物的组织。通过对CCT图的分析,确定铁素体、贝氏体、贝氏体/马氏体复合相冷却速度。

国产T23钢高温组织演变及其对性能的影响

通过对国产T23钢550℃、600℃和650℃的持久试样显微组织的分析,研究了T23钢高温蠕变过程中的组织演变及其对性能的影响。结果表明,在高温蠕变过程中,T23钢贝氏体铁素体基体和小岛中的马氏体将发生回复和再结晶,位错密度下降,M23C6碳化物不断粗化,并且有少量M23C6转变为M6C。蠕变断裂时间较短时,M23C6碳化物粗化对性能下降起主要作用,随蠕变断裂时间延长,贝氏体铁素体基体和小岛中马氏体的回复、再结晶对性能下降的影响增大。温度较高时,回复及再结晶开始较早,对性能下降的影响提前。650℃时,T23钢的组织演变和性能下降过快,应尽量避免在此温度下使用。

T23钢的热变形行为

利用Gleeble-1500热模拟机进行热压缩实验,对T23钢在变形速率为0.01～5 s-1,变形温度为1000～1250℃的热变形行为和组织进行研究。根据实验获得的真应力-真应变曲线,基于动态材料模型建立了热加工图,并推导出流变应力方程。结果表明:T23钢在热压缩过程中存在动态回复和动态再结晶两种软化机制,变形温度越高或变形速率越小,越容易发生动态再结晶。真应变量为0.5和0.6的加工图具有4个类似的失稳区,功率耗散效率因子的分布规律大致相同,峰值区在1175～1240℃和0.03～0.25 s-1范围,对应的峰值效率分别为47.3%(0.5)和46.3%(0.6)。流变应力方程中,结构因子A、应力水平参数α、应力指数n分别为5.23×1012s-1、0.01155 MPa-1和4.46869,热变形激活能为368.65 kJ/mol。

预热和焊后热处理对T23钢接头力学性能的影响

为优化焊接工艺,解决水冷壁T23接头焊缝在运行中容易出现裂纹的问题,测试了T23接头在4种不同工艺(不预热、焊后不热处理,不预热、焊后热处理,预热、焊后不热处理,预热、焊后热处理;预热温度为150℃,焊后热处理工艺为740℃、0.5 h)下的硬度和冲击韧性,并观察了显微组织的变化。研究结果表明,预热对T23接头硬度的影响不大,但增大晶粒尺寸和过热区的宽度,对焊缝和热影响区(HAZ)的韧性均有不利影响;焊后热处理明显降低焊缝和HAZ的硬度,虽然对HAZ韧性影响很小,但可改善焊缝的韧性。建议预热温度不超过150℃或取消预热,进行焊后热处理以保证接头的长期服役性能。

T23钢管蒸汽侧氧化层的微观结构及形成机理

采用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪等研究了T23钢管蒸汽侧氧化层的结构和形成机理。结果表明:该氧化层分为内层、中间层和外层;内层为疏松及富含孔洞的富铬、钒及钨的非均质层氧化层,中间层为相对致密且呈柱状结构的Fe3O4,外层为较薄的Fe2O3;金属基体与内层氧化层界面处存在内氧化,金属基体与内层氧化层界面处存在明显界限及间隙,温度剧烈变化时氧化层易在金属基体与内氧化层界面处剥落;T23钢蒸汽侧内层氧化层疏松、多孔及其整体易剥落的特征,使其抗蒸汽氧化性能差。

国产T23钢焊缝区显微组织分析

对国产T23钢焊条电弧焊接头焊缝区显微组织进行了研究。结果表明，根部焊道焊态下的组织由等轴铁素体和粒状贝氏体组成，经740℃和760℃回火后为粒状贝氏体和条状铁素体组织，在其基体上有弥散分布的点状析出物。覆盖焊道焊态下组织由粒状贝氏体和少量铁素体组成，740℃和760℃回火时为回火贝氏体组织，在690～740℃回火后形成少量聚集的粒状物，当回火温度为760℃时该粒状物分解、消失。过热区焊态下的组织由粒状贝氏体和条状马氏体组成，回火温度在690～740℃时，晶界显现，晶粒有所长大，并有大量粒状物在晶界处出现；经760℃回火处理后，原奥氏体晶界模糊、不连续，表现为回火贝氏体和回火索氏体组织，尺寸不一的点状析出物分布于基体上。

国产T23钢再热裂纹敏感性试验研究

采用斜Y型坡口焊接裂纹试验方法研究再热温度对国产T23钢再热裂纹敏感性的影响,探讨国产T23钢再热裂纹形成机理。结果表明,国产T23钢有再热裂纹倾向,再热裂纹敏感温度区间为550～690℃,在620℃时再热裂纹敏感性最大,再热760℃则无再热裂纹产生。分析认为,晶界的弱化和晶内的强化是T23钢再热裂纹形成的内因,外因则是高拘束导致的焊接残余应力。

焊后热处理对T23钢热影响粗晶区微观组织的影响

采用Gleeble-3500热模拟试验机和热处理炉对T23钢进行了焊接热模拟和焊后热处理试验,并运用金相、硬度、扫描电镜试验,研究了不同的焊后热处理温度对T23钢热影响粗晶区(CGHAZ)微观组织的影响。结果表明,焊态热模拟CGHAZ组织类型主要是板条马氏体和贝氏体的混合组织,具有很高的硬度。随着热处理温度的提高,CGHAZ晶粒趋于细化,硬度逐渐降低。但在700℃下,晶界出现了微孔洞和含W碳化物,硬度剧烈升高,应避免在此温度进行热处理。最后确定T23钢合理的焊后热处理为750℃×2 h,可以获得良好的强韧性匹配。

T23钢组织演变对性能影响的研究

通过对宝钢生产的T23钢在550、600、650℃的持久试样的微观组织分析,研究了T23钢高温蠕变过程中的组织演变对性能的影响。发现了T23钢高温蠕变过程中贝氏体铁素体基体和小岛中的马氏体将回复、再结晶,位错密度下降,M23C6碳化物不断粗化,并且有少量M23C6转变为M6C。蠕变断裂时间较短时,M23C6碳化物的粗化对性能退化起主要作用,随着时间延长,贝氏体铁素体基体和小岛中的马氏体的回复、再结晶的影响增大。温度较高,回复、再结晶开始较早,对性能退化的影响提前。T23钢在650℃组织演变和性能下降过快,应尽量避免使用。

T23钢高温持久微观组织演变研究

通过分析T23钢常规组织状态及其在550℃、600℃、650℃高温持久试样的微观组织,研究了T23钢高温蠕变过程中的组织演变及对性能的影响。结果表明,蠕变断裂过程中,MX稳定性较好,但M7C3数量逐渐减少,M23C6聚集、长大,并且有少量M23C6转变为M6C;贝氏体铁素体基体和奥氏体小岛中的马氏体不断回复、再结晶,位错密度下降。认为温度越高,组织演变进程越快,性能退化越明显。

T23钢回火脆性的试验研究

通过热处理试验对T23钢的回火脆性进行了研究。研究结果表明，T23钢存550℃～680℃温度区间具有回火脆性，该回火脆性为第一类回火脆性。研究了T23钢出现第一类回火脆性的温度比同类钢高的原因，并探讨了回火脆性对T23钢生产制造的影响。

T23钢热加工过程中变形行为分析

研究了T23钢的热变形行为,并建立了材料的热加工图。结果表明,在热压缩过程中T23钢有动态再结晶及动态回复两种软化机制,随着减少变形速率或升高变形温度,动态再结晶产生的趋势逐渐增大。T23钢的最佳热加工区域为1 175-1 240℃、0.03-0.25 s-1。

国产T23钢焊接冷裂纹敏感性插销试验研究

采用插销试验方法测定了国产T23钢在不预热、预热150℃和预热250℃三种焊接工艺条件下的临界断裂应力,观察了断口形貌及断口附近的显微组织,综合分析了该钢的焊接冷裂纹敏感性。结果表明,不预热条件下T23钢插销的临界断裂应力高于其屈服强度,粗晶区为板条马氏体和下贝氏体混合组织,插销断口为解理和准解理特征,并出现二次裂纹;随着预热温度的升高,插销临界断裂应力增大,粗晶区下贝氏体比例增多,马氏体比例相应减少,插销断口二次裂纹减少,解理面缩小,材料的塑性增加,对裂纹的阻碍作用增强。说明国产T23钢的冷裂纹敏感性很小,预热能明显改善其抗冷裂纹能力。

USC锅炉水冷壁用T23钢焊接工艺研究

经过对T23钢焊接性能的分析可知,T23钢的冷裂纹敏感性较小,但有一定的再热裂纹敏感性。针对其焊接特点,本文选择TGS-2CW焊丝、不预热的全氩弧焊工艺焊接T23钢,所获得的焊接接头经检测各项指标合格,实验数据证明该焊接工艺是合理的,且由于不用预热,还降低了生产成本。

SA213-T23钢焊接工艺试验

通过对SA213-T23钢进行焊接工艺试验,分析了焊前预热温度、焊接材料、焊接方法及焊后热处理工艺对T23钢焊接接头性能的影响。

改进型T23钢冲击韧度的改善

改进型T23钢具有较低的再热裂纹敏感性,但其冲击韧度较差。为提高其冲击韧度,研究了正火冷却方式和回火温度对改进型T23钢组织和冲击韧度的影响。结果表明:改进型T23钢经1060℃保温60 min油冷+790℃回火90 min后冲击韧度和硬度得到提高,特别是冲击韧度提高到了276.6 J/cm2,为传统工艺热处理钢的37.4倍。相较于空冷正火的钢,油冷的改进型T23钢的硬度提高,冲击韧度大幅度提高。随着回火温度的升高,改进型T23钢的硬度下降,冲击韧度提高。经790℃回火后,钢中M-A岛大量分解,且晶界不连续分布的M23C6相能有效阻碍裂纹扩展,冲击韧度显著提高。

1000MW超超临界机组锅炉T23钢水冷壁防泄漏分析及措施

随着全国1 000MW超超临界塔式炉机组大量投建,机组的安全性、经济性和高效性成为吸引投资者眼球的关键方面。目前国内塔式炉机组锅炉的T23钢水冷壁在48m至70m之间的燃烧区域出现多频次泄漏,严重影响机组的安全运行。以某电厂二期2×1 000MW机组锅炉为例,分析探讨T23钢水冷壁泄漏原因并积极采取应对措施,及时消除水冷壁泄漏的隐患,确保机组减少非计划停运次数,以期达到安全、经济的效果。