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锅炉焊接

上海市特种设备监督检验技术研究院

顾福明

工学博士

教授级高工,国家高级安全评价师,AWS焊接检验师,国际焊接工程师 电话:13524522468 EMAIL:gufuming1000@http://

内容1、锅炉的主要材料 2、材料焊接 3、电站锅炉受压元件的焊接 (1)锅筒焊接 (2)集箱焊接 (3)受热面管焊接 (4)膜式水冷壁焊接 7

一、锅炉用材料锅炉钢种繁多。 1.锅筒(俗称汽包)用钢 国产锅筒用钢板按GB713《锅炉碳素钢和低合金钢 钢板》规定 国外中﹑高压锅筒常用钢板牌号有P335GH(19Mn6 )、DIWA353(BHW35)、DIWA373(WB36)、 SA-517Gr.70、SA-299等； 锅筒主要选材为20g﹑16Mng﹑19Mng(P355GH) ﹑SA-515 Gr.70、SA-299﹑BHW35﹑WB36等。 2.集箱及受热面管用钢 我国用于集箱及受热面管的钢管材料 20G,20MnG,25MnG,15MoG,20MoG1,2CrMoG,等。

国产锅炉用钢板化 学 序 号 钢 号 C Si Mn Cr Mo P≤ S≤ 其它 成 分 (%)

1

20g

≤0.20

0.15/0.30

0.50/0.90

0.035

0.035

2

22Mng 15CrMog

≤0.30 0.12/0.18

0.15/0.40 0.15/0.40

0.90/1.50 0.40/0.70 0.80/1. 20 0.45/0.60

0.025 0.030

0.025 0.030

3

4

16Mng

≤0.20

0.20/0.55

1.20/1.60

0.035

0.030

5

19Mng

0.15/0.22

0.30/0.60

1.00/1.60 0.20/0. 40 0.90/1. 20

0.030

0.025

6

13MnNiCrMoNbg

≤0.15

0.10/0.50

1.00/1.60

0.20/0.40

0.025

0.025

7

12Cr1MoVg

0.08/0.15

0.17/0.37

0.40/0.70

0.25/0.35

0.030

0.030

高压锅炉用无缝钢管序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 20G 20MnG 25MnG 15MoG 20MoG 12CrMoG 15CrMoG 12Cr2MoG 12Cr1MoVG 12Cr2MoWVTiB 12Cr3MoVSiTiB 10Cr9Mo1VNb 1Cr18Ni9 1Cr19Ni11Nb 钢 号 化 C 0.17/0.24 0.17/0.24 0.22/0.30 0.12/0.20 0.15/0.25 0.08/0.15 0.12/0.18 0.08/0.15 0.08/0.15 0.08/0.15 0.09/0.15 0.08/0.12 ≤0.15 0.04/0.10 Mn 0.35/0.65 0.70/1.00 0.70/1.00 0.40/0.80 0.40/0.80 0.40/0.70 0.40/0.70 0.40/0.70 0.40/0.70 0.45/0.65 0.50/0.80 0.30/0.60 ≤2.00 ≤2.00 Si 0.17/0.37 0.17/0.37 0.17/0.37 0.17/0.37 0.17/0.37 0.17/0.37 0.17/0.37 ≤0.50 0.17/0.37 0.45/0.75 0.60/0.90 0.20/0.50 ≤1.00 ≤1.00 学

GB5310-1995成 分 (%) Cr Mo S≤ 0.030 0.030 0.030 0.25/0.35 0.44/0.65 0.40/0.70 0.80/1.10 2.00/2.50 0.90/1.20 1.60/2.10 2.50/3.00 8.00/9.50 17.0/19.0 17.0/20.0 0.40/0.55 0.40/0.55 0.90/1.20 0.25/0.35 0.50/0.65 1.00/1.20 0.85/1.05 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.010 0.030 0.030 P≤ 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.020 0.035 0.030

国内外集箱用钢管钢号对照合金系统 碳钢 C-0.5Mo Ni-Cu-MoNi-Cu-Mo-Mb 0.5Cr0.5Cr-0.5Mo 1Cr1Cr-0.5Mo 2.25Cr2.25Cr-1Mo 1Cr-Mo1Cr-Mo-V 9Cr-1Mo-V 9Cr-1Mo9Cr-2W-Mo9Cr-2W-Mo-V 18Cr18Cr-9Ni 19Cr-11Ni19Cr-11Ni-Nb 1Cr18Ni9 1Cr19Ni11Nb 12CrMoG 15CrMoG 12Cr2MoG 12Cr1MoVG 10Cr9Mo1VNb SA-335P91、SA-213T91 SA-335P91、SASA-335P92、SASA-335P92、SA-213T92 SA-376TP304H、SASA-376TP304H、SA213TP304H SA-376TP347H、SASA-376TP347H、SA213TP347H X10CrMoVNb9-1 X10CrMoVNb9X10C

rWMoVNb9X10CrWMoVNb9-2 X6CrNi18X6CrNi18-10 X7CrNiNb18X7CrNiNb18-10 SUS304HTP SUS347HTP SA-335P2、SASA-335P2、SA-213T2 SA-335P12、SASA-335P12、SA-213T12 SA-335P22、SASA-335P22、SA-213T22 13CrMo413CrMo4-5 10CrMo910CrMo9-10 中国GB 中国GB 20、 20、20G 美国ASME 美国ASME SA-106B、SASA-106B、SA-210A1 SA-106C、SA2SA-106C、SA2-10C 15MoG SA-335P1、SASA-335P1、SA-209T1 16Mo3 15NiCuMoNb515NiCuMoNb5-6-4 STPA20 STPA22 STPA24 欧洲EN 欧洲EN St45.8/Ⅲ 日本 STPT42

二、材料的焊接2.1 低碳钢的焊接

1.低碳钢焊接特点 . 低碳钢含碳量低， 硅含量少， 低碳钢含碳量低，锰、硅含量少，在通常情况下不会因焊 接而引起严重组织硬化或出现淬火组织。这种钢的塑性和 接而引起严重组织硬化或出现淬火组织。 冲击韧性优良，其焊接接头的塑性、韧性也极其良好。 冲击韧性优良，其焊接接头的塑性、韧性也极其良好。 2. 低碳钢焊材选用 (1) 焊条 应根据焊缝金属强度与母材等强的原则选用焊条， 应根据焊缝金属强度与母材等强的原则选用焊条， 当厚度增大时， 当厚度增大时，在同等强度等级中应选用抗裂性能好的焊 如低氢型焊条等。 条，如低氢型焊条等。 (2) 埋弧焊焊丝和焊剂 低碳钢埋弧焊时，由于母材中合金 低碳钢埋弧焊时， 成分不多，故即可采用焊丝渗合金，也可采用焊剂渗合金。 成分不多，故即可采用焊丝渗合金，也可采用焊剂渗合金。 (3) 气体保护焊焊丝 首先要满足焊缝金属与母材等强，焊 首先要满足焊缝金属与母材等强， 缝化学成分与母材的一致性则放在次要。 缝化学成分与母材的一致性则放在次要。

3.低碳钢焊接要点 . (1) 焊接时不需要预热及控制层间温度和后热，整个焊接过 焊接时不需要预热及控制层间温度和后热， 程中不需采用特殊的工艺措施，焊后也不必进行热处理。 程中不需采用特殊的工艺措施，焊后也不必进行热处理。 (2) 在严寒的低温条件下焊接低碳钢或焊接大厚度的焊缝时， 在严寒的低温条件下焊接低碳钢或焊接大厚度的焊缝时， 为避免焊接裂纹，应采取以下措施。 为避免焊接裂纹，应采取以下措施。 1) 焊前预热，焊接过程中保持层间温度。 焊前预热，焊接过程中保持层间温度。 2) 采用低氢型或超低氢型焊条。 采用低氢型或超低氢型焊条。 3) 定位焊时，加大电流，减慢焊速。 定位焊时，加大电流，减慢焊速。 4) 整条焊缝尽量一次连续焊完。 整条焊缝尽量一次连续焊完。 (3) 低碳钢埋弧自动焊时，为保证其接头的冲击韧性和冷弯 低碳钢埋弧自动焊时， 性能，应适当控制热输入量，不宜采用大规范焊接。 性能，应适当控制热输入量，不宜采用大规范焊接。 (4) 氩弧焊打底焊时，背面不必进行

氩气保护。 氩弧焊打底焊时，背面不必进行氩气保护。

2.2 低合金高强度钢的焊接 1.低合金高强钢焊接特点 . 低合金高强钢的含碳量一般不超过0.20%,合金元素总量一般不超过 %,合金元素总量一般不超过 低合金高强钢的含碳量一般不超过 %, 5%。正是由于低合金高强钢含有一定量的合金元素，使其焊接性能 %。正是由于低合金高强钢含有一定量的合金元素 %。正是由于低合金高强钢含有一定量的合金元素， 与碳钢有一定差别，其焊接特点表现在： 与碳钢有一定差别，其焊接特点表现在： (1) 焊接接头的焊接裂纹 1) 冷裂纹 低合金高强钢由于含有强化钢材的 、Mn、V、Nb等元素， 低合金高强钢由于含有强化钢材的C、 、 、 等元素 等元素， 在焊接时易淬硬，这些硬化组织很敏感，因此， 在焊接时易淬硬，这些硬化组织很敏感，因此，在刚性较大或拘束应 力高的情况下，很容易产生冷裂纹。 力高的情况下，很容易产生冷裂纹。 2) 再热裂纹 再热裂纹又称消除应力裂纹(SR裂纹),是焊接接头在焊 再热裂纹又称消除应力裂纹(SR裂纹 裂纹), 后消除应力热处理过程或长期处于高温运行(一定范围内的再次加热 一定范围内的再次加热) 后消除应力热处理过程或长期处于高温运行 一定范围内的再次加热 中发生在靠近熔合线粗晶区的沿晶开裂。 中发生在靠近熔合线粗晶区的沿晶开裂。 低合金高强钢焊接接头一般不易产生再热裂纹， 低合金高强钢焊接接头一般不易产生再热裂纹，如16MnR、15MnVR 、 等。 但对于Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金高强钢，如07MnCrMoVR, 系低合金高强钢， 但对于 和 系低合金高强钢 ， 由于Nb、 是促使再热裂纹敏感性较强的元素， 由于 、V 、Mo是促使再热裂纹敏感性较强的元素，因此这一类钢 是促使再热裂纹敏感性较强的元素 在焊后热处理时应注意避开再热裂纹的敏感温度区， 在焊后热处理时应注意避开再热裂纹的敏感温度区，防止再热裂纹的 发生。 发生。

(2) 焊接接头的脆化和软化 1) 应变时效脆化 焊接接头在焊接前需经受各种冷加工 下 焊接接头在焊接前需经受各种冷加工(下 料剪切、筒体卷圆等),钢材会产生塑性变形， 料剪切、筒体卷圆等 ，钢材会产生塑性变形，如果该区再 经200~450℃的热作用就会引起应变时效。应变时效脆化 ~ ℃的热作用就会引起应变时效。 会使钢材塑性降低，脆性转变温度提高， 会使钢材塑性降低，脆性转变温度提高，从而导致设备脆 可消除焊接结构这类应变时效， 断。PWHT可消除焊接结构这类应变时效，使韧性恢复。 可消除焊接结构这类应变时效 使韧性恢复。 2) 焊缝和热影响区脆

化 低合金高强钢易淬硬，热输入过 低合金高强钢易淬硬， HAZ会出现马氏体引起裂纹 热输入过大，WM和 会出现马氏体引起裂纹； 小，HAZ会出现马氏体引起裂纹；热输入过大，WM和 HAZ的晶粒粗大会造成接头脆化。应将热输入限制在一定 的晶粒粗大会造成接头脆化。 的晶粒粗大会造成接头脆化 范围。 范围。 3) 焊接接头的热影响区软化 由于焊接热作用，低碳调质 由于焊接热作用， 钢的热影响区(HAZ)外侧加热到回火温度以上特别是 外侧加热到回火温度以上特别是Ac1 钢的热影响区 外侧加热到回火温度以上特别是 附近的区域，会产生强度下降的软化带。 附近的区域，会产生强度下降的软化带。但一般其软化区 的抗拉强度仍高于母材标准值的下限要求。 的抗拉强度仍高于母材标准值的下限要求。

2.低合金高强钢焊材选用 . (1) 选择与母材强度相当的焊缝金属 (2) 由于这类钢都具有不同程度的冷裂纹倾向，所 由于这类钢都具有不同程度的冷裂纹倾向， 在等强度原则的前提下， 以，在等强度原则的前提下，严格控制焊材中的 氢含量是非常重要的，应尽量选用低氢型的焊材。 氢含量是非常重要的，应尽量选用低氢型的焊材。 并严格控制焊材的存放和使用。 并严格控制焊材的存放和使用。 (3) 考虑焊后加工工艺的影响。对焊后需经热处理、 考虑焊后加工工艺的影响。对焊后需经热处理、 热卷(热弯)的焊件， 热卷(热弯)的焊件，应保证焊缝金属经热处理 后仍具有要求的强度、塑性和韧性等。 后仍具有要求的强度、塑性和韧性等。

3.低合金高强钢焊接要点 . (1) 选用低氢或超低氢高韧性的焊材，且重视烘干、 选用低氢或超低氢高韧性的焊材，且重视烘干、 保存以及坡口的清理，以减少焊缝中的扩散氢。 保存以及坡口的清理，以减少焊缝中的扩散氢。 (2) 一般应注意不要使用过大的热输入。 一般应注意不要使用过大的热输入。 (3) 对于碳及合金元素含量较高、屈服强度也较高的 对于碳及合金元素含量较高、 低合金高强钢，在选用较小热输入的同时， 低合金高强钢，在选用较小热输入的同时，还要增加 焊前预热、焊后及时后热等措施。 焊前预热、焊后及时后热等措施。 (4) 焊接低碳调质钢时，要严格控制焊接热输入， 焊接低碳调质钢时，要严格控制焊接热输入， (5) 加强对焊接接头的无损检测。对再热裂纹敏感的 加强对焊接接头的无损检测。 钢种，应在PWHT前后都要做射线或超声检测。 前后都要做射线或超声检测。 钢种，应在 前后都要做射线或超声检测

2.3. 耐热钢的焊接 耐热钢是以Cr-Mo为基的低合金钢，具有较好的高温抗氧

化性 为基的低合金钢， 耐热钢是以 为基的低合金钢 和热强性，是热动力设备及中、高温的主要材料。 和热强性，是热动力设备及中、高温的主要材料。常用的钢 号有12CrMo、15CrMo、15CrMoR、14CrlMoR、12Cr2Mo、 号有 、 、 、 、 、 12CrlMoV、20CrMo、2.25CrlMo等。 、 、 等 1.耐热钢的焊接特点 . (1) 淬硬性 低合金耐热钢中的主要合金元素 和Mo等都能显 低合金耐热钢中的主要合金元素Cr和 等都能显 著提高钢的淬硬性。 著提高钢的淬硬性。在较高的冷却速度下可能形成全马氏体 组织，比如12Cr2Mo1R焊接时，如果焊接热输入较小、钢板 焊接时， 组织，比如 焊接时 如果焊接热输入较小、 厚度较大且不预热，就有可能发生100%的马氏体转变。 厚度较大且不预热，就有可能发生 %的马氏体转变。 (2) 冷裂纹 由于 由于Cr-Mo钢极易产生淬硬的显微组织，再加上焊 钢极易产生淬硬的显微组织， 钢极易产生淬硬的显微组织 缝区足够高的扩散氢浓度和一定的焊接残余应力共同作用， 缝区足够高的扩散氢浓度和一定的焊接残余应力共同作用， 焊接接头易产生氢致延迟裂纹。 焊接接头易产生氢致延迟裂纹。这种裂纹在热影响区大多是 表面裂纹， 表面裂纹，在焊缝金属中通常表现为垂直于焊缝的的横向裂 也可能发生在多层焊的焊道下或焊根部位。冷裂纹是Cr纹，也可能发生在多层焊的焊道下或焊根部位。冷裂纹是 Mo钢焊接中存在的主要危险。 钢焊接中存在的主要危险。 钢焊接中存在的主要危险

(3) 消除应力裂纹 又称为再热裂纹。Cr-Mo钢是再 又称为再热裂纹。 钢是再 热裂纹敏感性钢种，敏感的温度范围一般在500~ 热裂纹敏感性钢种，敏感的温度范围一般在 ~ 700℃之间。大量试验结果表明，钢中 、Mo、V、 ℃之间。大量试验结果表明，钢中Cr、 、 、 Nb、Ti等强碳化物形成元素对再热裂纹形成有很大 、 等强碳化物形成元素对再热裂纹形成有很大 影响。 影响。 (4) 热裂纹 当焊道的成形系数(熔宽与熔深比)小 当焊道的成形系数(熔宽与熔深比) 于1.2~1.3时，焊道中心易形成热裂纹。这是因为窄 ~ 时 焊道中心易形成热裂纹。 而深的梨形焊道，低熔点共晶聚集于焊道中心， 而深的梨形焊道，低熔点共晶聚集于焊道中心，在 焊接应力作用下，导致焊道中心出现热裂纹。 焊接应力作用下，导致焊道中心出现热裂纹。 (5) 回火脆性 Cr-Mo钢及其焊接接头在 钢及其焊接接头在350~500℃ 钢及其焊接接头在 ~ ℃ 温度区间长期运行过程中发生脆变的现象称为回火 脆性。例如某厂一台2.25Cr-1Mo钢制容器在 钢制容器在332~ 脆性。例如某厂一台 钢制容器在 ~ 432℃运行 脆性

转变温度从℃运行30000h后，钢的 后 钢的40J脆性转变温度从 脆性转变温度从 37℃提高到了 ℃提高到了+60℃,并最终导致灾难性的脆性断 ℃ 裂事故。 裂事故。

2、耐热钢焊材选用 、 (1).不但要考虑焊缝金属与母材的常温强度等强， .不但要考虑焊缝金属与母材的常温强度等强， 同时也要使其高温强度不低于母材标准值的下限要 求。 (2).焊缝金属的铬、钼含量不得低于母材标准值的 .焊缝金属的铬、 下限。 下限。 (3).为保证焊缝金属有同样小的回火脆性，应严格 .为保证焊缝金属有同样小的回火脆性， 限制焊材中的氧、 限制焊材中的氧、硅、磷、锑、锡、砷等微量元素 的含量。 的含量。 (4).为提高焊缝金属的抗裂性，应控制焊材中的含 .为提高焊缝金属的抗裂性， 碳量低于母材的碳含量， 碳量低于母材的碳含量，对于低合金耐热钢的焊缝 金属含碳量最好控制在0.08%~ %~0.12%范围内，这 金属含碳量最好控制在 %~ %范围内， 样才会使焊缝金属具有较高的冲击韧性和与母材相 当的高温蠕变强度。 当的高温蠕变强度。

3、耐热钢焊接要点(1).预热与层间温度 耐热钢焊前必须预热，预热的目的是 . 耐热钢焊前必须预热， 为了防止冷裂纹的产生，对含铬、 为了防止冷裂纹的产生，对含铬、钼、钒等元素的耐热钢而 预热还可以有效地避免和减少再热裂纹的产生。 言，预热还可以有效地避免和减少再热裂纹的产生。 (2).焊后热处理 对于低合金耐热钢，焊后热处理的目的不 对于低合金耐热钢， . 仅是消除焊接残余应力， 仅是消除焊接残余应力，而且更重要的是改善组织提高接头 的综合力学性能， 的综合力学性能，包括提高接头的高温蠕变强度和组织稳定 降低焊缝及热影响区硬度， 性，降低焊缝及热影响区硬度，还有就是使氢进一步逸出以 避免产生冷裂纹。 避免产生冷裂纹。 (3).后热 Cr-Mo钢冷裂倾向大，焊后必须立即消氢。 钢冷裂倾向大， . 钢冷裂倾向大 焊后必须立即消氢。 (4).对于低合金耐热钢而言，允许的焊接热输入范围较宽， .对于低合金耐热钢而言，允许的焊接热输入范围较宽， 为了防止冷裂纹的产生，希望焊接时热输入不要过小。 为了防止冷裂纹的产生，希望焊接时热输入不要过小。