电站铸钢件采用焊条补焊焊缝化学成分的估算

电站铸钢件采用焊条补焊焊缝化学成分的估算 Evaluation of Chemical Compositions of Repair Welds of Steel Castings in Power Plant Using Welding Electrodes 胡彦平 (兴泰发电有限责任公司,河北 � 邢台 � 054000) 摘要:文章分别计算了 ENiCrFe- 3焊条、奥氏体不锈钢焊条 E2- 26- 21- 16( A402)和 E0- 19- 10Nb- 16( A132) 补焊 ZG15Cr1Mo1V 后的底层焊缝和其它堆焊层焊缝的化学成 分,得出选用镍基焊材 ( ENiCrFe- 3)补焊 ZG15Cr1Mo1V 时,允许化学成分在较大的范围内选择,补焊金属均能获得 奥氏体相的铁基合金和镍基合金。 关键词:补焊; 化学成分;分析; 焊缝 Abstract: The chemical compositions of welds� bottom layer and ot her deposited w elds of r epair w elded ZG15Cr1Mo1V castings, using EniCrFe- 3 electrodes, E2- 26- 21- 16( A402) or E0 - 19- 10Nb - 16 ( A512) austenite stainless steel electrodes, are evaluated separately. This draws to a conclusion that when using nickel - based weld material ( ENiCrFe - 3 ) to repair ZG15Cr1Mo1V casting the chemical composition can be selected in a larger r ange and the repair w elding metal can get austenite phase allo y or nickel- based allo y. Keywords: repair w eld; chemical composition; analysis; w elds 中图分类号: TG407 文献标识码: B 文章编号: 1001- 9898( 2003) 02- 0021- 03 目前,大型电站汽轮机高中压主汽阀阀体、汽缸 体等设备材质多为铸钢件,由于铸钢件壁较厚、铸造 性能差,内部经常有沙包、缩孔等,在工作应力和热 应力的作用下, 上述缺陷区会产生更为严重的裂纹 缺陷,直接影响设备寿命,并严重影响机组的安全运 行。为此,研究并分析铸钢件材料的特性,合理选择 补焊材料及补焊工艺已成为铸钢件缺陷补焊的必要 条件。 1 � 汽轮机铸钢件材料特性及结构特点 1. 1 � 汽轮机铸钢件材料特性 汽轮机铸钢件一般于高温高压下工作。选用材 料为珠光体耐热钢, 常用的钢号有 ZG15Cr1M o1V 等。ZG15Cr1Mo1V是一种综合性能较好的珠光体 热强铸钢,可在 570 � 长期工作。但该钢的铸造性 能较差,容易产生裂纹,并且该钢对热处理的冷却速 度也相当敏感,容易在铸钢件中造成组织与性能不 均匀。表 1为 ZG15Cr1Mo1V 的化学成分, 表 2为 ZG15Cr1Mo1V的机械性能。 表 1 � ZG15Cr1Mo1V的化学成分 C S i Mn Cr 0. 12~ 0. 20 � 0. 35 0. 4~ 0. 7 1. 35~ 1. 75 Mo V S P 0. 80~ 1. 05 0. 30~ 0. 40 � 0. 03 � 0. 03 � � 注:此为工厂标准。 表 2 � ZG15Cr1Mo1V的常温机械性能 热处理状态 �b / MPa �s / MPa �s / % � / % �k / J�cm- 2 HB 1 050 � 均匀化 980~ 1 000 � 正火 710~ 740 � 回火 539 343 20 35 34 140~ 210 1. 2 � 结构特点 汽轮机铸钢件主要是汽缸体、高中压主汽阀阀 体等,均属封闭式或半封闭式回转壳体, 壳体的直 径、截面积、外形的变化都很大, 铸钢件的壁较厚且 壁厚变化也大。 2 � 补焊焊缝化学成分计算 2. 1 � 过渡系数 焊条熔化后进入焊缝金属里的合金数量取决于 焊条熔敷金属和焊接熔渣的相互作用。随着焊接条 件的不同,合金元素氧化、蒸发、飞溅等损失也各不 相同,亦即每种合金元素在焊接时过渡到焊缝中去 的系数不同。焊接时合金元素的过渡系数 �: �= ( C填/ C焊条) � 100% (1) 收稿日期: 2002- 08- 23 作者简介:胡彦平( 1970- ) ,男,工程师,主要从事焊接技术管理工作。 �21� 2003年第 2期 � � � � � � � � 河 � 北 � 电 � 力 � 技 � 术 � � � � � � � � � � � � � � 第 22卷 式中 � C填 � � � 某合金元素在填充金属里的含量; C焊条 � � � 某合金元素在焊条中的含量。 另外,焊缝由母材和填充金属按一定比例组成, 焊缝中某合金元素的含量可以通过式( 2)计算: C焊缝= ��C母材+ ( 1- �)�C填 = ��C母材+ ( 1- �)���C焊条 ( 2) 式中 � C母材 � � � 某合金元素在母材中的含量; �� � � 母材在焊缝中所占体积的比例, %。 设与母材熔合在一起的焊缝称底层焊缝, 其熔 合比 �1= 0. 3; 为便于估算, 其它堆敷层的焊缝金属 的熔合比 �2= 0。即假设不与母材相熔合的堆焊层 焊缝不受母材的稀释作用, 这种假设只是使计算简 便一些。一般情况下堆焊金属达第 3层时, 它的熔 合比 �3 在 0. 05以下。因此,这样的假设, 对问题的 分析和讨论不会有很大影响。 当焊缝是钛钙型药皮时, 各种合金元素的过渡 系数数值如下[ 1] : �C= 0. 67, �Si= 0. 71, �Mn= 0. 38, �Cr= 0. 77, �Mo= 0. 60, �V= 0. 58, �T i= 0. 10, �Nb= 0. 80, �Ni = 0. 96, �Fe= 0. 85。 2. 2 � 不同补焊焊缝化学成分计算 ZG15Cr1Mo1V 钢采用 ENiCrFe- 3 焊条和奥 氏体不锈钢焊条 E2- 26- 21- 16( A402)、E0- 19 - 10Nb- 16( A132)分别补焊后的底层焊缝和其它 堆焊层焊缝的化学成分计算结果见表 3~ 表 5。 2. 3 � 不同补焊焊缝组织分析 2. 3. 1 � 用 ENiCrFe - 3 焊条 ( 镍基 ) 补 焊 ZG15Cr1Mo1V钢 焊后所得到的补焊金属中底层焊缝含 Ni � 39. 65% , Ni+ Fe�71. 59%, 属于铁基合金;其它堆 焊层含 Ni�56. 64% , 含 Fe 较少, 只有 8. 5% ,属于 镍基合金。所有补焊焊缝(包括底层和堆焊层)均为 奥氏体相的铁基合金和镍基合金组织。 补焊焊缝为奥氏体相的铁基合金和镍基合金组 织有很大的优越性,主要体现在以下几个方面。 a. 镍基焊缝的成分允许变化范围较大, 减轻了 因焊接规范不同影响焊缝稀释率, 从而对焊缝成分 带来的影响。 b. 镍基焊缝对氢不敏感, 氢的溶解度大, 克服 氢对母材的有害作用十分明显。 c. 镍基焊缝的热膨胀系数更接近于母材,从而 在补焊及运行过程中引起的残余应力和附加热应力 均小得多。 d. 镍基焊缝组织可以抑制母材中的碳扩散问 题,减轻了由于碳扩散带来的不良后果。 2. 3. 2 � 用A402焊条补焊 ZG15Cr1M o1V 焊后所得的补焊金属中底层焊缝成分的铬、镍 当量为: CrE = Cr+ M o+ 1. 5Si+ 0. 5Nb = 14. 75+ 0. 49+ 1. 5 � 0. 48 = 15. 96( %) NiE = Ni+ 30C+ 0. 5Mn = 14. 28+ 30 � 0. 14+ 0. 5 � 0. 63 = 18. 80( %) � � � � � � � � � � 表 3 � ENiCrFe- 3焊条补焊 ZG15Cr1Mo1V 所得焊缝的近似成分 � � � � � � � � � � � � % 材料 C Si Mn Cr Mo V T i Nb Ni Fe ZG15C1Mo1V 0. 12~ 0. 20* � 0. 35* * 0. 40~ 0. 70 1. 35~ 1. 75 0. 80~ 1. 05 0. 30~ 0. 40 - - - 96. 66(平均) ENiCrFe- 3 0. 10 0. 75 5. 0~ 9. 5 13. 0~ 17. 0 - - 1. 0 1. 0~ 2. 5 �59 10. 0 底层堆焊焊缝 0. 10 � 0. 48 2. 09 8. 55 0. 28 0. 11 0. 07 0. 98 �39. 65 34. 95 其它堆焊层 0. 07 � 0. 53 2. 76 11. 55 � � 0. 10 1. 40 �56. 64 8. 5 � � * :按算术平均值计算; * * :取极值计算 � � � � � � � � � � � 表 4 � A402焊条补焊 ZG15Cr1Mo1V所得焊缝的焊接近似成分 � � � � � � � � � � � % 材料 C Si Mn Cr Mo V T i Nb Ni Fe ZG15C1Mo1V 0. 12~ 0. 20 � 0. 35 0. 40~ 0. 70 1. 35~ 1. 75 0. 80~ 1. 05 0. 30~ 0. 40 - - - 96. 66(平均) A402 0. 20 0. 75 1. 0~ 2. 5 25. 0~ 28. 0 0. 50 - - - 20. 0~ 22. 5 49. 05 底层堆焊焊缝 0. 14 � 0. 48 0. 63 14. 75 0. 49 0. 11 - - 14. 28 58. 18 其它堆焊层 0. 13 � 0. 53 0. 67 20. 40 0. 30 - - - 20. 4 41. 69 � � � � � � � � � 表 5 � A132焊条补焊 ZG15Cr1Mo1V所得焊缝的焊接近似成分 � � � � � � � � � � � % 材料 C Si Mn Cr Mo V T i Nb Ni Fe ZG15C1Mo1V 0. 12~ 0. 20 � 0. 35 0. 40~ 0. 70 1. 35~ 1. 75 0. 80~ 1. 05 0. 30~ 0. 40 - - - 96. 66(平均) A132 � 0. 08 0. 90 0. 5~ 2. 50 18. 0~ 21. 0 0. 50 - - < 1. 0 8. 0~ 11. 0 67. 02 底层堆焊焊缝 0. 09 0. 56 0. 56 10. 98 0. 49 0. 11 - 0. 56 6. 38 68. 87 其它堆焊层 0. 05 0. 64 0. 57 15. 02 0. 30 - - 0. 80 9. 12 56. 97 �22� 2003年第 2期 � � � � � � � � 河 � 北 � 电 � 力 � 技 � 术 � � � � � � � � � � � � � � 第 22卷 � � 其它堆焊层成分的铬、镍当量为: CrE= 20. 40+ 0. 30+ 1. 5 � 0. 53= 21. 50( % ) NiE= 20. 40+ 30 � 0. 13+ 0. 5� 0. 67= 24. 64( %) 从舍弗勒( Schaef fler)组织图可知, 该时底层焊 缝和其它堆焊层焊缝均为奥氏体形成元素储备量很 多的单相奥氏体组织,见图 1。 图 1 � 舍弗勒( Schaef fler)组织图 但是,单相奥氏体组织焊缝在补焊及运行过程 中存在一些问题急待解决。 a. 由于奥氏体焊缝金属的线膨胀系数比 ZG15Cr1Mo1V 高约 1. 4~ 1. 6倍,在补焊的热循环 作用下,焊缝的膨胀、收缩受到铸钢件拘束度大的限 制,必然在焊缝和母材的交界处造成较大的应力状 态。运行过程中,由于温度变化以及启停的热循环 作用,在接头的界面将产生附加热应力,随着这种热 循环次数的增加,热应力变化将引起接头的热疲劳 破坏。 b. 奥氏体焊缝与母材之间的碳扩散问题,导致 在近缝区母材侧出现脱碳层。 c. 奥氏体焊缝金属 �相析出脆化问题,在奥氏 体晶粒的边界形成析出物, 使奥氏体焊缝的韧性下 降。 2. 3. 3 � 用 A132焊条补焊 ZG15Cr1Mo1V 焊后所得的补焊金属中底层焊缝成分的铬、镍 当量为: CrE = Cr+ Mo+ 1. 5Si+ 0. 5Nb = 10. 98+ 0. 49+ 1. 5 � 0. 56+ 0. 5 � 0. 56 = 12. 59( % ) N iE = Ni+ 30C+ 0. 5M n = 6. 38+ 30� 0. 09+ 0. 5 � 0. 56= 9. 42(%) 其它堆焊层成分的铬镍当量为: CrE= 15. 02+ 0. 30+ 1. 5 � 0. 64+ 0. 5 � 0. 8= 16. 68( %) NiE= 9. 12+ 30 � 0. 05+ 0. 5 � 0. 57= 10. 91(%) 从舍弗勒组织图可见,底层焊缝金属的组织应 该是马氏体加奥氏体; 而其它堆焊层金属的组织是 奥氏体加马氏体, 可能还出现铁素体组织,上述组织 是补焊焊缝所不愿得到的, 因此一般不采用。 2. 4 � Ni- Fe- Cr 三元合金状态图分析 另外,也可从 Ni- Fe- Cr 三元合金状态图分 析,得到同样的结论。图 2为 650 � 时的 Ni- Fe- Cr三元合金组织状态图。由图可见,许多奥氏体钢 焊接材料已很接近 �+ �两相和�相析出的区域;而 镍基焊材焊接时需要大量的 Fe稀释才能使焊缝化 学成分移入�相析出的区域。 图 2 � 650 � Ni- Fe- Cr 三元合金组织图 3 � 结论 a. ZG15Cr1Mo1V 补焊时, 不能选用铬、镍含量 较低的 18- 8型奥氏体耐热不锈钢焊条, 补焊金属 会有马氏体组织出现。 b. 选用铬、镍含量较高的奥氏体耐热不锈钢焊 条,例如 A402焊条,补焊金属可以得到单相的奥氏 体焊缝组织,但由于存在焊缝与母材之间的碳扩散、 奥氏体焊缝金属 �相析出脆化、焊接残余应力和运 行过程中的附加热应力等问题, 补焊区域产生裂纹 缺陷的机率增大。 c. 选 用 镍 基 焊 材 ( ENiCrFe - 3 ) 补 焊 ZG15Cr1Mo1V,允许在较大的范围内选择化学成分, 补焊金属均能获得奥氏体相的铁基合金和镍基合金。 参考文献: [ 1] � 周振丰,张文钺.焊接冶金与金属焊接性[ M ] .北京: 机械工业 出版社, 1988. [ 2] � GB/ T 13814- 1992,镍及镍合金焊条[ S ] . �23� 2003年第 2期 � � � � � � � � 河 � 北 � 电 � 力 � 技 � 术 � � � � � � � � � � � � � � 第 22卷