WB36钢焊接工艺评定.doc

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河南机电高等专科学校毕业论文

1绪论

随着机组运行参数和单机容量的增加,加快了更高强度钢的开发。

经过多年研究和试验,WB36钢被广泛应用于常规和核电站的高压和热水的设备上。

WB36钢是一种Ni-Cu-Mo型低合金钢,在DIN中称为15NiCuMoNb5,由德国Thyssen钢厂研制生产（后来其他国家和地区也生产此种钢材）,已作为耐热钢列入相应的标准,该种钢具有较高的强度和良好的焊接性能。

在ASME中为1.15Ni-0.65Cu-Mo-Nb,主要用于壁温≤500℃的大口径Φ（76~660）mm锅炉用厚壁钢管、集箱、锅筒、管道等。

WB36钢在火电工程中主要用于工作温度在280℃~360℃的给水管道系统,其与碳素结构钢相比,可以减少壁厚15%~35%。

WB36相对于SA106C,16Mo3等钢,加入了Nb使晶粒得到细化,获得了强化效果,加入了Cu使其又获得了沉淀强化。

1.1国内WB36钢的应用现状和发展趋势

目前,国内亚临界和超临界机组已经逐渐成为火力发电厂新安装的主流机组,机组的优化和参数的提高,必然促使越来越多的新材料出现和应用。

WB36作为一种较新型的高温高压管道及联箱用钢,在焊接性能较好的前提下,具有较高的高温强度和冲击韧性,综合机械性能优良,用来代替锅炉常规的碳钢给水管道,既大大地减轻了管系的质量,减轻了加工、安装和维护的工作强度,节约了配套设施和材料,又提高了运行设备的可靠和稳定性。

近几年来,在国内新建和扩建的300MW以上大容量机组中,已成为400℃以下给水系统管道用钢的首选材料。

广泛应用于我国大中型电站建设中。

WB36（15NiCuMoNb5）钢为NiCuMo低合金钢,具有较高的强度和良好的焊接性能。

目前已成为国内外高参数火电机组主给水管的首选材料。

但是,该材料要求焊后立即热处理。

这种热处理工艺对现场施工要求严格,工作效率低,特别不利于大批量工厂化施工作业。

为解决WB36钢焊接质量问题,公司焊培中心通过对WB36钢的冷裂纹敏感性和焊后热处理试验及理论分析,总结出其焊接性的一般规律,并进行焊接工艺的优化和评定,指导焊接作业。

在衡水电厂二期、邢台电厂等机组施工中,取得了良好的应用效果。

为进一步提高WB36钢批量焊接施工的劳动效率,有针对性地对此钢种的延时热处理问题进行了研究。

1.2　国外WB36钢的应用现状和发展趋势

WB36钢是含Nb微合金化的贝氏体Ni-Cu-Mo钢，是德国蒂森钢厂、曼内斯曼钢厂和日本住友金属株式会社生产的Ni-Cu-Mo型低合金钢，已作为合金钢被列入VdTUV法规。

15NiCuMoNb5，在EN10216-2标准中牌号为15NiCuMo-Nb5*6-4，该钢的特点是具有较高的强度，且具有良好的的焊接性能，室温抗拉强度可达610Mp以上，屈服强度大于等于440MPa，主要用于臂温≤500℃锅炉厚汽包、集箱、分离器管道、四大管道中的高压给水、再热冷锻的输放水系统。

WB36钢完全可以替代国产20G钢管及SA106B级别的ASME法规钢管，从而可以大大减少管子壁厚和金属重量。

在德国DIN标准中称为15NiCuMoNb5,在欧洲EN标准中牌号为15NiCuMoNb5-6-4,在美国ASME标准中称为1.15Ni-0.65Cu-Mo-Nb,广泛应用于壁温不大于500℃的锅炉用厚壁钢管、集箱、锅筒、管道等。

一般直径为Φ200mm~Φ660mm,壁厚在20mm~90mm之间。

1.3　本章小结

基于WB36钢在国内外的广泛应用，又因为WB36钢完全可以替代国产20G钢管及SA106B级别的ASME法规钢管，从而可以大大减少管子壁厚和金属重量，从而产生更大的经济效益和质量保证。

因为WB36是在C-Mn钢基础上添加Ni、Cu、Mo及Nb微合金化的钢，该钢的特点是具有较高的强度，且具有良好的的焊接性能，室温抗拉强度可达610Mp以上，屈服强度大于等于440MPa，主要用于臂温≤500℃锅炉厚汽包、集箱、分离器管道、四大管道中的高压给水、再热冷锻的输放水系统。

为了准确掌握该材料的焊接性能与工艺性能,我们在对该材料成分和焊接性能综合分析的基础上,制订了焊接工艺评定方案,进行了焊接工艺评定。

2WB36钢的焊接性能分析

2.1WB36钢化学成分分析

WB36钢的化学成分如表1.

WB36为低合金的高强度钢,属于A类三级多元合金钢,其经空冷淬火和正火后的原始组织为贝氏体或贝氏体加铁素体。

主要通过添加一定量的Cu来提高材料的高温强度,特别是贝氏体回火后的强度;添加一定量的Ni抵消由于Cu的存在带来的高温红脆性的趋势;同时一定量弥散分布的Nb可进一步细化晶粒,提高材料的综合性能。

由于材料本身所含Mn元素相对远大于S,在有效控制线能量后,基本不产生热裂纹。

WB36作为一种研制较早的高温用钢,其成分和冶炼手段虽然经历很多变革和提高,但它的强化机理仍是以保持一定量的C和合金元素作为基础的,其S,P等杂质含量仍为较高水平,见表1。

这与近来较流行的电站P91钢和管线用的X70~X100等洁净钢种的细晶强化有本质的区别。

材料含碳量最高可达0·17%,碳当量达到0·52%,有一定的冷裂纹趋势。

相比于上述TMCP钢种,WB36虽然焊接性能略差,但熔合后焊接接头的性能更容易与原始母材组织接近,更易于选择合理的焊接工艺。

2.2WB36钢力学性能分析

WB36钢常温下的力学性能见表2,在不同温度下的抗拉强度见表3.

从表中可以看出,WB36中含有N,iCu,Nb等合金元素;设计时,WB36钢成分已被最优化,使材料具有比较高的屈服强度和抗拉强度;Nb细化晶粒,Cu通过其析出物达到沉淀强化,并提高钢的抗腐蚀性,但Cu使材料具有红脆性,在钢中易在晶界富集,引起网状裂纹缺陷,在钢中加入N,i可以使晶界产生高熔点的Cu-Ni化合物,从而消除Cu的不良影响,通常Cu/Ni比率控制为1/2,在选择焊材时,这点应该特别注意。

WB36的室温强度与20钢（其室温σb≥39MPa,σs≥226MPa）相比,屈服强度提高40%以上用于锅炉给水管道,可使管道壁厚减薄,有利于加工、制造、安装及运行。

2.3WB36钢Ac1,Ac3温度

WB36钢的Ac1和Ac3温度分别为725℃和870℃,化学成分对其影响很小。

2.4WB36钢冷裂纹敏感性

2.4.1碳当量估算法

国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量公式为:

Ceq=（C+Mn6+Cu+Ni15+Cr+Mo+V5）…………………

（1）

冷裂纹敏感指数为:

Pcm=（C+Si30+Mn+Cu+Cr20+Mo15+Ni60+V10+5B）………

（2）

由式

（1）和式

（2）计算得到其Ceq=0.34%~0.73%,Pcm=0.21%~0.36%。

一般认为,当Ceq≥0.45%或Pcm≥0.27%时,材料具有一定的冷裂倾向,焊接时应采取适当的预热措施。

由此看来,WB36施焊前应考虑预热。

文献[1]中的试验结果也证明了这一点。

2.4.2冷裂纹敏感性试验

文献[1]中针对WB36钢所做的斜Y坡口焊接裂纹试验结果为预热温度为150℃时开始不产生冷裂纹。

插销试验结果表明,WB36钢焊接热影响区粗晶区冷裂敏感性较大,预热150℃时,临界拘束应力σcr≈80%σs,断口仍有少量解理,临界拘束应力为352.8N/mm2预热200℃时,σcr>σs,断口全部呈现韧窝,临界拘束应力为490N/mm2。

由此可见,为了防止WB36钢焊接时产生热影响区的根部冷裂纹,需要200℃左右的预热温度。

对于厚壁锅炉压力容器的纵环焊缝及管接头,焊接工艺应采用插销试验σcr>σs时得出的预热温度;对于一般的锅炉压力容器纵环缝,可采用斜Y型坡口焊接裂纹试验试样裂纹率均为零或者插销试验σcr≈80%σs时的预热温度;对于壁厚较薄的锅炉压力容器纵环缝,甚至可采用斜Y型坡口焊接裂纹试验试样表面裂纹率为零、断面裂纹率为10%时的预热温度。

综上所述,产品焊接时,焊前工件最低预热温度为200℃,如果施焊条件良好,拘束度不大,最低预热温度可为150℃。

对于条件更为恶劣、拘束度更大的情况,应采用预热+后热的措施。

2.5WB36钢再热裂纹敏感性

2.5.1再热裂纹敏感度及去应力热处理裂纹敏感性指数

再热裂纹敏感度ΔG及去应力热处理裂纹敏感性指数Psr的计算公式为:

ΔG=（Cr+3.3Mo+8.1V-1.39）………………………（3）

Psr=（Cr+Cu+2Mo+10V+7Nb+5Ti-2）………………（4）

当ΔG≥0时,该钢具有再热裂纹敏感性。

当Psr≥0时，该钢具有再热裂纹敏感性。

2.5.2再热裂纹敏感性试验

WB36含有Cr,Mo,Nb等强碳化物形成元素,增加了钢的再热裂纹敏感性。

参考文献[1]采用斜Y坡口试验法,研究了WB36钢的热裂纹敏感性,认为WB36钢无再热裂纹倾向。

根据再热裂纹敏感度ΔG公式[3]:

ΔG=Cr+3.3Mo+8.1V-1.39%。

当ΔG≥0时,该钢具有再热裂纹敏感性;根据钢的消除应力热处理裂纹敏感性指数Psr计算公式[3]:

Psr=Cr+Cu+2Mo+10V+7Nb+5Ti-2%。

当Psr≥0时,该钢具有再热裂纹敏感性。

按上述两个公式对WB36钢估算结果见表4。

根据以上的试验与估算,工程实际中将焊接接头预热到200℃是必要和恰当的。

2.6t8/5及热处理制度对过热区韧性的影响

过热区是焊接接头的薄弱区域,其韧性的优劣决定着焊接接头质量的好坏。

文献[1]、[2]采用焊接热模拟的方法研究了t8/5及热处理制度对接头韧性的影响。

研究结果认为WB36钢随着t8/5增加,韧性增加,随着热处理温度的提高,韧性提高。

尤其是随热处理温度的提高韧性提高极为明显,变化较突出。

因而尽管WB36钢热处理温度范围为550℃~630℃,在实际生产中应慎用热处理规范下限,以保证焊接接头的冲击韧性。

2.7WB36钢抗裂性试验

2.7.1碳当量估算

根据有关资料介绍，当Ceq＞0.46%时，说明该钢具有淬硬倾向，有产生冷裂纹的可能性。

国际焊接学会推荐的碳当量公式如下：

Ceq=（C+Mn6+Cu+Ni15+Cr+Mo+V5）

根据以上公式，试验用钢板碳当量Ceq=0.74（%），说明WB钢碳当量较高，在焊接过程中要采取一定的预热措施。

2.7.2预热温度的理论计算

按照日本的伊藤.別所提出的防止根部裂纹的临界预热温度：

式中，[H]—焊缝金属扩散氢含量，按4ml/100g计算t—板厚，t＝20mm。

经初步计算，推断WB36钢的焊接预热温度应在170℃左右。

2.7.3斜Y型坡口焊接裂纹试验

斜Y型坡口焊接裂纹试验的试件形状尺寸及试件的制备按GB4675.1《焊接性试验斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》中的规定，见图1

试验条件：

试板尺寸：

220×75×26mm

试验焊条牌号及规格：

J607φ4.0mm

试验焊条烘干温度及时间：

350℃/1h

焊接规范：

160-170A

焊接速度：

160mm/min

试板坡口装配时，利用塞尺保证控制根部间隙在2＋0.05mm（标准间隙为2±0.2mm）。

裂纹试验试板焊后放置48小时后用着色探伤方法观察其表面裂纹，测量后计算出表面裂纹率，然后沿焊缝长度方向用锯床慢速，截取5个截面，经腐蚀后，在放大镜下观察其断面裂纹，测量后计算出断面裂纹率。

试验结果：

表面裂纹情况见图2，图3，图4和图5。

试验结果见表5。

表5斜Y型坡口焊接裂纹试验结果

从斜Y型坡口焊接裂纹试验结果来看，WB36钢的预热温度为

150℃时就可以有效地防止焊接裂纹的产生。

2.7.4焊接热影响区最高硬度试验

焊接热影响区最高硬度试验的试件形状尺寸及试件的制备按GB4675.5的规定。

试验条件：

试板尺寸：

200×75×20mm（室温）