国内外锅炉、压力容器和管道的焊接技术

国内外锅炉、压力容器和管道的焊接技术 近10年来，国内外锅炉、压力容器和管道的焊接技术取得了引人注目的新发展。随着锅炉、压力容器和管道工作参数的大幅度提高及应用领域的不断扩展，对焊接技术提出了愈来愈高的要求。所选用的焊接方法、焊接工艺、焊接材料和焊接设备首先应保证焊接接头的高质量，同时必需满足高效、低耗、低污染的要求。因此，在这一领域内，焊接工作者始终面临困难而艰难的技术难题，要求不断寻求最佳的解决方案。通过不懈的努力已在很多关键技术上取得重大突破，并在实际生产中得到胜利的应用，取得了可观的经济效益，使锅炉、压力容器和管道的焊接技术达到了新的发展水平。 鉴于锅炉、压力容器和管道涉及到很多重要的工业部门，其中包括火力、水力、风力，核能发电设备，石油化工装置，煤液扮装置、输油、输气管线，饮料、乳品加工设备，制药机械，饮用水处理设备和液化气贮存和运输设备等，焊接技术的内容是相当广泛的。本文因篇幅所限，仅就锅炉、压力容器和管道用钢，先进的焊接方法和焊接过程机械化和自动化三方面的新发展作如下概括的介绍。 锅炉压力容器和管道用钢的新发展 1 锅炉用钢的新发展 在锅炉、压力容器和管道用钢这三类钢中，锅炉用钢的发展最为快速。这主要是近10年来，火力发电站用燃料煤炭的供应日趋惊慌，降低燃料的消耗已成为世界性的迫切须要。为此，必需提高锅炉的效率。通常锅炉效率每提高5，燃料的消耗可降低15.而锅炉的效率基本上取决于其运行参数蒸汽压力和蒸汽温度。最近，上海锅炉厂生产600670MW超临界锅炉的蒸汽压力为254bar，过热蒸汽温度为569℃，锅炉的热效率约为43.假如锅炉的运行参数提高到特超临界级，即蒸汽压力为280 bar蒸汽温度为620℃，锅炉的热效率可提高到47.目前世界上特超临界锅炉的最高工作参数为350 bar/700℃/720℃，锅炉的热效率达到了50 . 这里应当强调指出，随着锅炉效率的提高，锅炉烟气中的SO2、NOX和CO2的排放量渐渐下降。因此从削减大气污染的角度动身，设计制造高工作参数的特超临界锅炉也是必定的发展趋势。 锅炉蒸汽参数的提高干脆影响到锅炉受压部件的强度性能。在超临界和特超临界工作条件下，锅炉的主要部件，如膜式水冷壁，过热器，再热器、高压出口集箱和主蒸汽管道的工作温度均已达到钢材蠕变温度范围以内。制作这些部件的钢材在规定的工作温度下，除了具有足够的蠕变强度 （或105h高温长久强度）外，还应具有高的耐蚀性和抗氧化性以及良好的焊接性和成形性能。 从锅炉主要部件用钢的发展阶段来看，即便是工作温度相对较底的水冷壁部件，也必需采纳铬含量大于2的Cr-Mo钢或多组元的CrMoVTiB钢。按现行的锅炉制造规程，这类低合金钢，当管壁厚度超过规定的界限时，焊后必需进行热处理。由于膜式水冷壁的外形尺寸相当大，工件长度一般超过30m，焊后热处理不仅延长了生产周期，而且大大提高了制造成本。为解决这一问题，国外研制了一种专用于膜式水冷壁的新钢种7CrMoVTiB1010.最近，该钢种已得到美国ASME的认可，并已列入美国ASME材料标准，钢号为A213-T24.这种钢的特点是含碳量限制在0.10以下，硫含量不超过0.010，因此具有相当好的焊接性。焊前无需预热。当管壁厚度不大于10 m m，焊后亦可不作热处理。 在特超临界的蒸气参数下，当蒸气温度达到700℃，蒸气压力超过370 bar时，水冷壁的壁温可能超过600℃。在这种条件下，必需采纳9Cr或12Cr马氏体耐热钢。这些钢种对焊接工艺和焊后热处理提出了严格的要求，必需实行特殊的工艺措施，才能确保接头的焊接质量。 对于锅炉过热器和再热器高温部件，在超临界和特超临界蒸汽参数下，其工作温度范围为560650℃。在低温段通常采纳912Cr钢，从高温耐蚀性角度考虑，最好选用12Cr钢。在600℃以上的高温段，则必需采纳奥氏体铬镍高合金耐热钢。依据近期的探讨成果，对于高温段过热器和再热器管件，为保证足够高的高温耐蚀性和抗氧化性，应当选用铬含量大于20的奥氏体钢，例如25Cr-20NiNbN（HR3C），23Cr-18NiCuWNbN（SAVE25），22Cr-15NiNbN（Tempaloy A-3），和20Cr-25NiMoNbTi（NF709）等。 在相当高的蒸汽参数下（375 bar/700℃）下，在过热器出口段，由于奥氏体钢蠕变强度不足，不能满足要求，而必需采纳镍基合金，如Alloy617. 现代奥氏体耐热钢与传统的奥氏体耐热钢相比，其最大特点是含有多组元的碳化物强化元素，从而在很大程度上提高了钢材的蠕变强度。 对于超临界锅炉机组的高压出口集箱和主蒸汽管道等厚壁部件主要采纳改进型的9-12Cr马氏体铬钢。 912马氏体铬钢的发展规律与前述的奥氏体耐热钢相像，即从最原始的Cr-Mo二元合金向多组元合金演化，其主攻方向是尽可能提高钢材的高温蠕变强度，减薄厚壁部件的壁 厚，以简化制造工艺和降低制造成本。上述钢种由于 严格限制了碳、硫、磷含量，焊接性明显改善。在国外超临界和特临界锅炉已逐步推广应用，取得了可观的经济效益。 2 压力容器用钢的新发展 近年来，压力容器用钢的发展与锅炉用钢不同，其主攻方向是提高钢的纯净度，即采纳各种先进的冶炼技术，最大限度地降低钢中的有害杂质元素，如硫、磷、氧、氢和氮等的含量。这些冶金技术的革新，不仅明显地提高了钢的冲击韧性，特殊是低温冲击韧性，抗应变时效性、抗回火脆性、抗中子幅照脆化性和耐蚀性，而且可大大改善其加工性能，包括焊接性和热加工性能。 对比采纳常规冶炼方法和现代熔炼方法轧制的16MnR钢板的化学成分和不同温度下的缺口冲击韧度和应变时效后的冲击韧性，数据表明，超低级的硫、磷、氮含量显著地提高了一般低合金钢的低温冲击韧度和抗应变时效性。 高纯净化对深低温用9Ni钢的极限工作温度（-196℃）下的缺口冲击韧度也起到相当良好的作用，按美国ASTM A353和A553（9Ni）钢标准，该钢种在-196℃冲击功的保证值为27J.但按大型液化自然气（LNG）储罐的制造技术条件，9 Ni钢壳体-196℃的冲击功应 70J，相差2.6倍之多。这一问题也是通过9 Ni钢的纯净化处理而得到完满的解决。同时还大大改善了9 Ni钢的焊接性。焊接不必预热，焊后亦无须热处理。对于厚度30mm以下的9Ni钢，焊前不必预热，焊后亦无需热处理。这对于大型（10万m3以上）LNG储罐的建立，具有非常重要的意义。 把9 Ni钢标准的化学成分和力学性能并与高纯度9 Ni钢相应的性能进行对比，它们之间的明显差异。 在高压加氢裂化反应容器中，由于工作温度高于450℃，壳体材料必需采纳2.25CrlMo或3CrlMo低合金抗氧钢。但这类钢在450℃以上温度下长期运用时，会产生回火脆性，使钢的韧性明显下降，给加氢反应的平安运行造成隐患。 近期的大量探讨证明，上列铬钼钢的回火脆性主要起因于钢中P、Sn、Sb和As等微量杂质