维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年４月 电力设备 Ａｐｒ．２００７ Ｖｏ１．８ Ｎ０．４ 第８卷第４期 Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ＳＵＰＥ￣Ｈ奥氏体耐热钢焊接材料匹配与接头性能研究 朱 平 ，赵建仓 ，柴晓岩 ，牛锐锋 ，赵 军。，刘亚芬。 （１．苏州热工研究院有限公司江苏省苏州市２１５００４；２．西安理工大学陕西省西安市７１００４８； ３．安徽电力建设第二工程公司安徽省淮南市２３２００７） 摘要：分析了新型奥氏体耐热钢ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ的焊接性及其焊接材料的匹配问题；采用ＮＩＣＲ０８２和ＡＲＣＯＳ ６２５镍基 合金焊丝，ＴＩＧ焊接方法焊制了该钢管接头，经过对试件接头力学性能、耐晶间腐蚀性能及组织特征等的分析和试验，表 明ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢采用镍基焊接材料焊接是可行的。 关键词：ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢；镍基焊丝；接头性能；晶间腐蚀 中图分类号：ＴＧ４５７．１ ０前言 ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢和常用的ＴＰ３４７Ｈ钢焊接性进行对比， 分析评估ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ的热裂纹敏感性。结果说明， ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢是日本住友金属株式会社和三菱 相同的条件下ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢的裂纹敏感性远低于 重工在ＡＳＭＥ ＳＡ一２１３ＴＰ３０４Ｈ的基础上，通过降低 ＴＰ３４７Ｈ钢。 Ｍｎ含量上限，加入约３％的Ｃｕ、约０．４５％的Ｎｂ和一 ｃｒ—Ｎｉ奥氏体钢焊接后若经过敏化，接头ＨＡＺ可 定量的Ｎ，使该钢在服役时产生微细弥散、沉淀于奥 能发生晶间腐蚀。Ｃｒ—Ｎｉ奥氏体钢应力腐蚀易发生 氏体内的富铜相，并与其互相密合；该富铜相与ＮｂＣ、 在含有ｃ１一的介质中，其温度愈高愈易发生应力腐蚀 ＮｂＮ、ＮｂＣｒＮ和Ｍ： Ｃ６一起产生极佳的强化作用，而开 破裂（ＳＣＣ）。ｃｒ—Ｎｉ奥氏体钢最易发生ＳＣＣ的温度 发的许用应力很高的一种新的经济型１８—８奥氏体不 范围为５０～３００ ｏＣ，应防止ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢运行和升 锈钢。该钢不含Ｍｏ、Ｗ等贵重元素，而许用应力比常 温阶段发生ＳＣＣ。 用的ＡＳＭＥ ＳＡ一２１３ＴＰ３４７Ｈ钢高约２０％，７００℃条件 ｃｒ—Ｎｉ纯奥氏体钢在固溶状态下具有优良的塑 下许用应力仍能达４９ ＭＰａ…，主要用于超（超）临界 性。但ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢含有用于提高高温蠕变强度的 锅炉的过热器和再热器，能有效减薄钢管壁厚、降低 沉淀强化元素。高温运行过程中，这些元素逐渐以碳 锅炉制造成本。 化物、氮化物或金属间化合物形式弥散析出，在强化 ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢在国外电站锅炉的过热器和再热 材料的同时，会明显降低材料的塑性和韧性。采用此 器上的应用历史已超过１Ｏ年，显示出良好的综合性 钢的锅炉部件运行温度恰在 相析出温度区，因此应 能。国内将ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢应用于超（超）临界锅炉过 正确选择焊接材料，防止焊缝金属发生 相脆化 。 热器、再热器尚属起步，但已有单位结合国内外研究 １．２ ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢镍基焊材焊接的可行性分析 数据对该钢的性能进行了较深入地研究，随着该钢应 ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢在焊接和接头运行过程中易出现 用范围的扩大，对其焊接性、焊接材料、焊接工艺和接 的焊接裂纹、接头腐蚀和焊缝脆化等现象。除与焊接 头性能的全面研究就显得非常重要，本文主要从焊接 工艺密切相关外，主要是焊接材料的选择。熔敷金属 材料匹配和接头性能方面进行分析。 应选择与母材成分相同且杂质含量低或镍基焊接材 １ ５ＵＰＥＲ３０４Ｈ钢焊接性能分析 料。ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢匹配的焊接材料国＃１－已研发并应 用，国内尚未见国产化或进行相关研究的报道。因 １．１ ＳＵＰＥＲ３ｏ４Ｈ钢焊接性 此，有必要寻找性价比好并可以替代的焊接材料。 焊接ｃｒ—Ｎｉ纯奥氏体钢容易出现焊接高温（热） 镍基焊接材料在新型奥氏体不锈钢，特别是在奥 裂纹，包括：结晶裂纹、液化裂纹和脆性裂纹。结晶裂 氏体与铁素体异种钢的焊接中得到研究、认可和应 纹常出现在焊缝中，尤其容易发生在焊缝收尾部分和 用，如ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ与Ｔｇｌ、ＨＲ３Ｃ与Ｔｇｌ钢等。 弧坑处，后２种裂纹主要出现在热影响区（ＨＡＺ）的过 Ｉｎｃｏｎｅ１８２焊丝成分中ｃｒ含量与ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ相 热区，而液化裂纹也可能发生在多层多道焊缝中的焊 当，Ｉｎｃｏｎｅ１６２５焊丝化学成分中的ｃｒ含量超过了 层间和焊道间的热影响区中。 ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ母材的含量。ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢未加入Ｍｏ 分别采用拘束裂纹试验和变拘束裂纹试验 Ｊ，对 等昂贵金属进行强化，而是加入Ｃｕ在奥氏体基体上 维普资讯 http://www.cqvip.com 电力设备 第８卷第４期 生成连续细的富Ｃｕ相进行沉淀强化，从而改善其蠕 变断裂强度。镍基焊丝ｌｎｃｏｎｅｌ ６２５含Ｍｏ ８％～１０％， 含量低及性能好的优势，为在ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢的焊接 试验中的应用奠定了技术基础。 可提高焊缝金属的蠕变断裂强度，但Ｍｏ会增大形成 ｏｒ相的倾向。镍基焊接材料中Ｎｉ含量远远超过 ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ中的含量，焊缝金属中镍含量的提高可有 效控制 相沉积，但会增加成本。因此理论上分析， 上述２种镍基焊丝可用于ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢的焊接。 镍基焊接材料焊接工艺性良好，其焊缝金属杂质 ２ ＳＵＰＥＲ３０４ Ｈ钢镍基焊材焊接工艺试验 ２．１材料化学成分 试验母材为ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ奥氏体不锈耐热钢，母 材及其焊接材料成分见表１。 表１ ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢母材及其焊接材料化学成分｛Ｗｔ％） ２．２焊接工艺 ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢焊接应防止产生焊接热裂纹，避 免接头发生ＳＣＣ和焊缝金属ｏｒ相脆化。因此宜选用 优于匹配焊材＃Ｔ一３０４Ｈ。试样断裂位置均处在焊缝 一侧的母材，因此ＡＲＣＯＳ６２５和ＮＩＣＲＯ８２焊丝焊制 的管对接接头室温强度值符合技术要求，且不低于 ＃Ｔ－３０４Ｈ焊丝获得的接头强度。 ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢及焊接接头冲击试验结果如表４ 焊接热输入量低的ＴＩＧ焊并控制层间温度在低范围 内等工艺措施，焊接工艺参数见表２。 表２ ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢焊接工艺参数 所示。母材和部分冲击试样断口电镜形貌见图１～５。 母材断口呈韧窝状，韧性较好；而焊缝则以解理形貌 为主，存在部分韧窝特征，只有在非常高倍率电镜下 才看到沿晶特征（图４，×２ ０００）；ＨＡＺ断口是解理＋ 韧窝的断裂形貌，相比较焊缝区域，ＨＡＺ的韧窝特征 采用多层多道焊，单层焊缝金属厚度在焊丝直径以 内，红外测温仪控制层间温度在６０℃以内。管内持续通 更明显。 氩气（Ｉ＞９９．９９％）保护，以避免根部焊缝氧化和过烧，并 起到冷却作用。合理设置定位焊缝间隙，防止产生变 表４ ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ母材及焊接接头冲击功Ａ （Ｊ） 试件 ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ ＮＩＣＲＯ８２ ＮＩＣＲＯ８２ ＡＲＣＯＳ６２５ ＡＲＣＯＳ６２５ 名称 母材 焊缝 ● 形或弯折。焊前不预热、焊后免做固溶处理。 ＨＡＺ 焊缝 ＨＡＺ 试样号 Ｍｌ Ｍ８ Ｍ９ Ｂ５ １３９ Ｂ１ｌ 璎Ｈ 璃Ｈ Ｂ１２ Ａ５ Ａ９ Ａｌｌ Ａ 删 １２｝ ３性能测试及结果分析 ３．１常温力学性能 表３为２种镍基焊丝焊制的ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ管接头 试件，按照ＧＢ／Ｔ ２６５ｌ—ｌ９８９《焊接接头拉伸试验方 冲击值 ７６ ７４ ７４ ６４ ６６ ６３ ７０ ６４ ７２ ５８ ５４ ５ｌ ６ｌ ５４ ５０ 平均值 ７４．７ ６４．３ ６８．７ ５４．３ ５５ 注：非标试样尺寸为５ ｍｍ（厚）×１０ ｍｍ（宽）×５５ ｍｍ（长）。 法》所得拉伸试验结果。 表３ 三种焊丝的ＳＵＰＥＲ３ＩＭＨ钢焊接接头强度比较 图１母材Ｍ９断口冲击扫描照片 注： 东方锅炉厂采用ＧＴＡＷ方法，＃Ｔ一３０４Ｈ匹配焊丝所焊接头 的拉伸试验结果［ 。 ３．２熔合区特征 焊接接头熔合区组织形态如图６所示，熔合区熔 合过渡良好且较窄，ＨＡＺ晶粒大小变化较大，呈现出 大晶粒吞噬小晶粒现象。 由表３可知，２种镍基焊丝所焊接头的常温抗拉 强度值与＃Ｔ一３０４Ｈ焊丝相当，而屈服强度镍基焊材 维普资讯 http://www.cqvip.com 新成果与技术应用 朱平等：ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ奥氏体耐热钢焊接材料匹配与接头性能研究 ４５ 图２ Ａ９（ＥＲＮｉＣｒＭｏ一３焊缝）断口照片 图３ Ａ８Ｈ（ＥＲＮｉＣｒＭｏ一３ＨＡＺ）断口照片 图４ Ｂ１１（ＥＲＮｉＣｒ一３焊缝）断口照片 图５ Ｂ８Ｈ（ＥＲＮｉＣｒ一３ＨＡＺ）断口照片 用ＸＰＳ能谱分析熔合区主要化学元素的分布特 征表明，由于２种镍基焊丝的焊缝金属与母材的成分 （ａ）ＮＩＣＲＯ８２ （ｂ）ＡＲＣＯＳ６２５ 图６ ２种镍基焊丝的焊接接头金相组织 不同，在毗邻熔合区的焊缝金属中形成了成分过渡 层，但宽度均不超过６０ ｍ，可见焊接过程中采用小 电流多道焊，线能量控制较严格，熔合比小。 ３．３抗晶间腐蚀性能 试验参照ＧＢ／Ｔ ４３３４．５—２０００《不锈钢硫酸一硫 酸铜腐蚀试验法》对ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ母材和２种镍基焊 丝的接头进行了晶间腐蚀试验，评价接头抗晶问腐蚀 敏感性。 图７为晶间腐蚀后的金相图片，ａ为母材，ｂ为Ａ 试样（ＡＲＣＯＳ６２５）焊缝，ｃ为Ａ试样ＨＡＺ，ｄ为Ａ试样 熔合区。从腐蚀后的金相图可见，焊缝几乎未见腐 蚀，母材腐蚀显示的晶界连续性基本良好；Ａ试样熔 合区和熔合区附近几乎也未见腐蚀，这主要是镍基焊 丝中的一些元素，尤其是ｃｒ和Ｍｏ元素向母材的扩散 能较明显地提高耐腐蚀性能的结果。 图７晶间腐蚀试样金相 ｅ为Ｂ试样（ＮＩＣＲＯ８２）熔合区，ｆ为Ｂ试样ＨＡＺ。 由图可见Ｂ试样焊缝金属有腐蚀显示的晶界及柱状 晶，ＨＡＺ同样较清晰。 维普资讯 http://www.cqvip.com 电力设备 第８卷第４期 样各部位的耐腐蚀性能都比 试样略优。但种镍 著５参考文献 一 入甩＾ 栏 Ｂ ２ 基焊丝的焊接接头耐蚀性均符合技术要求。 ［１］杨华春．日本ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ奥氏体不锈钢锅炉管评述．超超临 界锅炉用钢及焊接技术协作网论文集，２００５．０３：２３ １～２４１． ［２］ 杨富，章应霖，任永宁，等．新型耐热钢焊接．北京：中国电力 出版社，２００６． ４结论 （１）理论上采用镍基焊接材料ＥＲＮｉＣｒ一３、ＥＲＮＩ— ＣｒＭｏ一３焊接新型１８—８奥氏体不锈耐热钢 ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ是可行的。 ［３］ 东方锅炉厂．住友产ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ锅炉用钢管试验报告．１９９６． （２）采用ＮＩＣＲＯ８２（ＥＲＮｉＣｒ。３）、ＡＲＣＯＳ６２５ （ＥＲＮｉＣｒＭｏ一３）焊丝焊制的ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ焊接接头常 收稿日期：２００６—１２—２５ 作者简介： 温理化性能符合相关技术条件要求，且与匹配焊接材 料＃Ｔ一３０４Ｈ焊接接头性能相当。 （３）ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ钢焊接接头性能试验结果表 明，焊丝ＡＲＣＯＳ６２５的焊接接头强度和耐蚀性等方面 均优于焊丝ＮＩＣＲＯ８２。 朱平（１９８０一），男，硕士研究生，工程师，主要从事火电厂 新型钢及异种钢焊接工艺、焊接接头性能试验研究； 赵建仓（１９６１一），男，本科，教授级高工，长期从事金属材料 焊接性、焊接材料及焊接工艺试验研究。 （责任编辑宋红梅） Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ＳＵＰＥＲ ３０４Ｈ Ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｔｈｅ Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ＺＨＵ ＰｉｎｇＩＣＨＡＩ Ｘｉａｏ—ｙａｎＩＮＩＺＨＡＯ Ｊｉａｎ—ｃａｎｇＩＵ Ｒｕｉ一向 ，ＺＨＡＯ Ｊａｎ３ ＬＩＵ Ｙａ－ｆｅ￣ ，，，’（ｉ．Ｓｕｚｈｏｕ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｕｚｈｏｕ ２１５００４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｘｉ’ａｌｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｌｌ ７１００４８，Ｃｈｉｎａ； ３．Ａｎｈｎｉ Ｎｏ２ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏ．Ｈｕａｉｎａｎ ２３２００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ Ｐａｐｅｌ＂ａａａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆｎｅｗ ｔｙｐｅ ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ ｓｔａｉｎｌｓｓ ｓｔｅｅｌｅ ｓＬ ＥＲ３Ｏ４Ｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｔｃｈｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍ ０ｆ ｉｔｓ ｕｓｅｄ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａ１．Ｏ１３ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓ．ｔｏ ａｄｏｐｔ ＴＩＧ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ，ＮＩＣＲ０８２ ａｎｄ ＡＲＣＯＳ６２５ ｎｉｃｋｅｌ－ｂａｓｅｄ ａｌｌｏｙ ｗｅｌｄｉｎｇ ｗｉｒｅｓ ｗｅｒｅ ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ ｕｓｅｄ ａｓ ｆｉｌｌｒ ｍｅｔａｅｌ，ｔｈｅ ｓＬ ＥＲ３０４Ｈ ｓｔｅｅｌ Ｐｉｐｅ ｃｏｎｎｅｃｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ｗｅｌｄｅｄ ｕｐ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｉｎｔｅｒ－ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｘｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ，ｓｔｉｅｓ ｅｔｃ．ｏｆ ｔｓｔｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｃｏｎｅｃｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ．ｔｏ ａｄｏｐｔ ｎｉｃｋｅｌｂａ－ｓｅｄ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｔｏ ｗｅｌｄ ＳＵＰＥＲ３Ｏ４Ｈ ｓｔｅｅｌ Ｗａｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓＬ ＥＲ３０４Ｈ ｓｔｅｅｌ；ｎｉｋｅｌｃ－ｂａｓｅｄ。ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉｌ；ａｏｎｅｃｔｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｃｅ；ｉｎｔｅｒ—ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ・综合信息・ 南方电网天广直流行波测距系统完成国产化改造 近期，南方电网超高压公司完成了对西电东送通 道天生桥至广东直流工程线路行波测距装置的国产 化改造，并在第一次线路故障测距中结果准确，完全 满足线路巡线要求。 行波测距装置是线路故障后迅速确定故障点，减 距装置无法连接上ＧＰＳ设备，天广直流一直处于无 线路故障定位状态，一旦发生线路故障，需要全线巡 检查找故障点，造成人力、物力和时间上的极大浪费。 为了尽快解决此问题，超高压公司决定采用国产行波 测距装置替代原有系统，并组织专门力量，在一个月 内完成了设备的生产、测试、运输和安装。 ２月３日，天广直流发生线路高阻接地故障，导 致极１、极２相继闭锁，行波测距装置正常启动，测距 结果为距马窝站４７０．１ ｋｍ，距离广州站４９１．６ ｋｍ（对 应的塔号为０９８２＃－０９８３＃）。实际巡线结果在０９８２＃－ 少事故巡线工作量，缩短故障线路修复时间的有效手 段之一。由于天广直流线路长达１ ０００余公里，原有 的西门子公司设计的控制保护系统没有测距功能，因 此线路行波测距的作用尤为重要。 原天广直流输电线路行波测距系统采用的是加 拿大Ｍａｎｉｔｏｂａ公司的装置，于２０００年投入运行６年 多来，设备老化严重，故障频发，已不能满足实际使用 ０９８３＃塔之间有山火发生，与测距结果相差５００余米， 完全满足线路巡线的要求，表明国产行波测距装置工 作正常。 的要求。自２００６年１０月以来，因广州换流站行波测