超超临界燃煤锅炉低低温省煤器用ND钢焊接工艺研究

超超临界燃煤锅炉低低温省煤器用ND钢焊接工艺研究

杨志鹏、毛春生、王登第

中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司 山东省济南市 250100

摘要：随着国家工业水平的整体提升，节能和环保的政策越来越严苛，超超临界燃煤锅炉效率越来越高，与此同时，锅炉尾部烟气的余温利用过程中，烟气温度较高、产生的腐蚀主要是酸腐蚀，对于锅炉省煤器管道的腐蚀问题不得不被重视。新型耐硫酸露点的ND钢（09CrCuSb），被广泛应用在在工业锅炉高硫烟气中服役的省煤器、空气预热器蒸发器等设备中,以抵御含硫烟气露点腐蚀，然而通常Cu、Sb的存在会使钢对焊接热裂纹的敏感性增加,因此探究超超临界燃煤锅炉低低温省煤器用ND钢焊接工艺研究对其应用和发展具有现实意义。本文从焊接性分析、焊接工艺制定等方面进行了详细的研究介绍，解决了此类省煤器焊接施工难问题，为今后同类钢种的焊接施工提供可靠的借鉴。

关键词：低低温省煤器；ND钢；09CrCuSb钢；焊接工艺；应用

0 前言

随着国家工业水平的整体提升，节能和环保的政策越来越严苛，超超临界燃煤锅炉效率越来越高,通常在锅炉的尾部增加低低温省煤器或空气预热器等余热回收装置,以利用锅炉烟气出口的热量来加热进入锅炉里的水或预热进入炉膛内的空气,这样可充分利用锅炉的余热以实现节能。通过低低温省煤器水管或空气预热器烟管的排烟温度较高,而燃煤锅炉燃烧过程中产生的SO2和SO3在换热冷却时要凝结成硫酸,使设备产生严重的硫酸露点腐蚀。

此种服役环境下，腐蚀有两大特点，烟气温度较高、产生的腐蚀主要是酸腐蚀,故选用近年国内研制最为理想的耐硫酸露点腐蚀钢ND（09CrCuSb）制作低低温省煤器管子和空气预热器的烟气管道,以抵御含硫烟气的硫酸露点腐蚀。以山东某电厂1000MW新建超超临界二次再热机组为例，其低低温省煤器规格为Φ38×4mm，焊口数量多达1760道。

1 ND钢性能分析

2.1ND钢化学成分及力学性能

ND钢化学成分及力学性能见下表1所示：

表1 ND钢化学成分及力学性能

2.2. ND钢的强度与韧性

ND钢最显著的性能特点就是其高强度与高韧性，此种通过特殊的冶炼和轧制工艺，使得其屈服强度和抗拉强度均达到较高水平。这种高强度特性使得ND钢能够承受较大的载荷和冲击力，保证结构的安全性和稳定性。同时，ND钢还具有良好的韧性，即使在低温环境下，它仍能保持良好的韧性和延展性，避免因温度变化而产生的脆性破坏。

2.3 ND钢的耐腐蚀性能

ND钢经过特殊的表面处理，具有良好的耐腐蚀性。这种耐腐蚀性能使得ND钢能够抵抗恶劣环境对材料的侵蚀，保证结构的长期稳定性和安全性。在建筑、桥梁、船舶等长期暴露在自然环境中的工程项目中，ND钢的耐腐蚀性能显得尤为重要。

2.4 ND钢的抗疲劳性能

ND钢还具有良好的抗疲劳性能。这种性能使得ND钢在承受交变载荷时不易产生疲劳破坏，保证了结构的长期稳定性和安全性。在桥梁、车辆等需要承受交变载荷的工程项目中，ND钢的抗疲劳性能得到了广泛应用。

2.5 ND钢的焊接性能

2.5.1冷裂纹

根据国际焊接学会(IW)的碳当量公式:CE=C+1/6Mn+1/15Cu+1/15Ni+1/5Cr+1/5Mo+1/5V（%），计算ND钢碳当量为0.37%，无淬硬倾向，对冷裂纹不敏感。

2.5.2热裂纹

ND钢合金体系与碳钢相比较为特殊,是在碳素钢基础上添加适量的合金元素,通过这些合金元素的作用,使钢具有耐硫酸露点腐蚀能力,并且不会影响钢的其它性能。

（1）铬元素（Cr）

Cr元素的加入,其与α-Fe形成固溶体并能提高α-Fe的电极电位,起到抑制阳极反应作用。适量的Cr易于钢的表面上形成致密氧化膜,有利于提高钢的抗腐蚀能力,并能提高常温及高温力学性能。

（2）锑元素（Sb）

Sb元素在铁中有一定的溶解度,对改善钢的耐腐蚀能力有帮助,但有严重的偏析倾向,可与硫形成低熔点共晶化合物。通常对于一般的低合金耐热Cr-Mo钢而言, Sb是有害元素并被严格控制,因为Sb偏聚于晶界会降低晶间结合力,使晶界弱化,表现为回火脆性。ND钢中的Sb元素却是作为合金元素使用。

（3）铜元素（Cu）

Cu能在钢的表面弥散析出,也可以促进钢表面形成致密的氧化膜；另外少量的Cu溶入α-Fe中能提高α-Fe的电极电位。当钢中加入0.15%～0.20% Cu,便可使钢的腐蚀速率显著下降；将Cu含量提高到0.25%左右,可使钢的耐腐蚀性提高1倍以上，但是Cu量不宜过高,当ωCu＞5%时,易使钢产生热脆现象。另外，Cu在高温时会与母材或焊丝中的杂质元素，如Pb、S等，形成低熔共晶物,在焊接冷却过程中,低熔共晶物大量聚集晶界,削弱晶间强度,增加了钢对焊接热裂纹的敏感性。

（4）锰元素（Mn）

Mn具有脱硫作用,它能与S作用生成熔点较高MnS ,而阻止S与Fe生成低熔点的FeS,同时可以使FeS的薄膜状分布改变为球状分布,从而提高钢的抗裂性。研究表明，对于碳含量≤0.1%的材料,材料的Mn/S≥22,对其抗热裂性有利,而ND的Mn/S约为16,因此，Mn元素对焊接热裂纹的影响需加以重视。

综上分析,ND具有优良的焊接性能，但具有较强的热裂纹倾向[1]。

3 焊接工艺试验

3.1焊接材料选择

本研究以山东某电厂1000MW新建超超临界二次再热机组为例，其低低温省煤器规格为Φ38×4mm，焊口数量多达1760道，焊接方法选用热量集中的手工钨极氩弧焊（GTAW）。

焊材选用与母材同种成分的ND钢焊丝（09CrCuSb钢用焊丝），焊丝化学成分见表2所示：

表2 ND钢焊丝化学成分

3.2 焊接工艺试验

（1）焊接采用如下图所示的坡口。

（2）焊丝在使用前除去表面的油、垢、污、锈。

（3）焊件组对前应将坡口表面及附近母材内、外壁的油、漆、垢、锈等清理干净，直至露出金属光泽，对接管口的端面应与管子中心线垂直。焊件组对时要做到内壁齐平，如有错口，其对接单面焊的局部错口值不应超过0.4mm，对口间隙2mm～3mm。

（4）采用红外线测温仪测量焊缝焊接过程的层间温度，严格控制层间温度在100℃～300℃，避免长时间焊接产生过烧或接头缺陷。

（5）定位焊焊缝段两侧打磨成斜坡状，确保定位焊焊缝顺利的熔入正式焊缝。

（6）焊接工艺参数[2]如表4所示：

表3 焊接工艺参数

（7）焊接完毕后，检查外观无气孔、裂纹、未熔合、未焊透等缺陷，符合标准DL/T869相关要求，按照NB/T47014、DL/T868进行了射线检测、拉伸试验、弯曲试验以及金相试验。其检验结果满足各项要求。

3.3试验结果

按照常规焊接工艺评定要求，进行的力学性能结果如下

4  结论

4.1 ND钢（09CrCuSb）采用GTAW焊接方法，焊接材料采用09CrCuSb焊丝，其焊缝力学性能能够满足设计要求。

4.2 ND钢具有热裂纹敏感性，但是现场焊接接头进行RT检测，并未发现。鉴于此，应该进一步进行关注研究。

关注此类缺陷对设备使用寿命的影响。。

4.3 ND钢及其焊材采购来源较少，现场使用前需注意确保材料质量，特别是S含量的控制。

参考文献：

[1] 黄荣杰,杨朝瑞,常治平,等.09CrCuSb钢TIG焊热裂纹探究[J].工业锅炉, 2012(5):4.DOI:10.3969/j.issn.1004-8774.2012.05.010.

[2]王磊.耐硫酸露点腐蚀09CrCuSb钢管焊接工艺研究[J].锅炉制造, 2019(1):3.DOI:CNKI:SUN:GLZZ.0.2019-01-017.