厚壁大径管的焊接接头结构和其焊接施工方法

文档序号:9932027
厚壁大径管的焊接接头结构和其焊接施工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种厚壁大径管的焊接接头结构和其焊接方法,所述厚壁大径管的焊接接头结构由Ni基系合金形成,被用于主蒸汽温度达到700°C左右的新一代超超临界压发电设备的主要机器、即锅炉的高温部的集流管、主蒸汽管、以及再热蒸汽管等中;特别涉及当设置有锅炉的现场没有制造工厂那样的大型热处理设备时,在前述设置有锅炉的现场进行最终焊接部的焊接时不易产生再热裂纹的焊接接头结构和其焊接施工方法。
【背景技术】
[0002]在前述发电设备用锅炉的高温部中,传热管、配管大多使用耐热钢。这些之中,集流管、主蒸汽管、以及再热蒸汽管等大径管一直使用的是2.25?ll%Cr系耐热钢。近年,在抑制二氧化碳排出的背景下,特别是在燃煤火力发电设备中,为了提高发电效率而不断提高在前述锅炉中产生的蒸汽的温度,现在,正在运转的是主蒸汽温度为600°C的燃煤火力发电设备。
[0003]此外,出于进一步提高发电效率的目的,正在进行主蒸汽温度为700°C的发电设备的开发。在这样的蒸汽温度的高温区域中,现有的耐热钢在强度及耐腐蚀性方面存在问题,无法使用,因此,有必要使用固溶强化型或析出强化型的高强度的Ni基系合金。
[0004]在将这些高强度的Ni基系合金用于前述主蒸汽温度为700°C的发电设备用的锅炉时,使用利用固溶强化、析出强化等强化机理对Ni基系合金的金属组织进行调质而确保了高温强度的材料,但用于实际机器时,由于在金属结晶(以下有时简单称为结晶)晶粒内析出强化相,从而晶粒内的强度变得比晶界的强度高。因此,蠕变容易集中于晶界,与现有材料相比,对于由焊接时的热循环弓I起的再热裂纹的敏感性有时变高。
[0005]此外,前述发电设备用的锅炉的高温部的集流管、主蒸汽管、以及再热蒸汽管等中使用的前述高强度的Ni基合金为例如壁厚20mm以上、直径165.2mm以上的厚壁大径管,但前述集流管、主蒸汽管、以及再热蒸汽管等以数米?数十米的长度来使用。需要说明的是,在已安装的使用现有材料的发电设备用的锅炉的高温部的主蒸汽管、再热蒸汽管中,使用直径500、600mm或更大直径的蒸汽管。
[0006]作为前述高强度Ni基系合金,有例如固溶强化型的Alloy617(52Ni — 22Cr —13Co —9Mo —Ti —1A1、析出强化型的 Alloy263(50Ni —20Cr —20Co —6Mo —2Ti—Al)、Alloy740(50Ni — 25Cr — 20Co — 2Nb — 2Ti—Al)。
[0007]在将这些合金制成例如壁厚20mm以上、外径165.2mm以上的壁厚大径管的工序中,首先制造用于获得目标制品长度、壁厚的铸锭,然后利用锻造等施加充分加工逐渐制造出制品尺寸,前述高强度Ni基系合金为高强度合金,因此在材料厂家的通常制造能力下难以制造出长尺寸的制品,例如通常最多能制造长度为3m以下的制品,因此,加工度变得比较小。需要说明的是,加工度是表示由前述铸锭的加工前的原始长度、厚度至制品的最终长度、厚度的变形量的指标。
[0008]—般而言,有加工度越大越容易变成细粒组织的倾向,再结晶温度变低。在制造前述高强度Ni基系合金的厚壁大径管时,晶粒粒径变为例如200?300μπι的较粗的粗粒。从而材料厂家制造的厚壁大径管被锅炉厂家购入,锅炉厂家购入时的晶粒粒径如前所述为例如200?300μπι的较粗的粗粒。
[0009]在将这样的高强度Ni基系合金用于结构上应力集中的位置时,由于粗大化的晶粒的延展性和韧性降低,最初产生于结晶晶界处的微小裂纹传播所需的极限应力降低,从而即使较小的应力下微小裂纹也容易传播。
[0010]特别是锅炉中作为主蒸汽管、再热蒸汽管使用的厚壁大径管中存在多个部位的焊接接头,在前述焊接接头的焊接部附近存在承受焊接所致的热循环的焊接热影响部,但此处的晶粒比非焊接部更加粗大化,进而还被指出如下问题:由于存在焊接时的残留应力,因此发生再热裂纹的风险(求亍W十/W高。
[0011]图3示出在设置有前述厚壁大径管(例如Alloy617)的锅炉的现场施工而形成的焊接部的热影响部可能产生的再热裂纹的假想图。将图3(A)中所示的包含厚壁大径管I的焊接部2的焊接部附近的剖面图的放大图示于图3(B)。
[0012]图3中,在无焊接后的热处理的状态下,由于在焊接部2的内面侧存在与材料的屈服应力相当的拉伸的残留应力、以及由于受到焊接而产生的热影响部3为比原组织粗粒化的组织,厚壁大径管1、1的在现场施工而成的焊接部2容易产生再热裂纹4。
[0013]为了避免图3(B)所示的再热裂纹4,除了焊接后在焊接部及包含焊接热影响的范围内进行焊接后的热处理来谋求焊接部2的应力的降低以外,期望进行如下改善:使焊接部及包含焊接热影响的范围的厚壁大径管I的晶粒粒径细粒化。但是,前述高强度Ni基系合金的厚壁大径管1、1以从材料厂家购入时的状态的组织来使用,因此晶粒粒径较大,为例如200?300μπι,进而,最终焊接部的焊接热影响部发生粗大化进展,现实中虽然能够降低焊接部2的应力,但晶粒粒径几乎不变。
[0014]此外,实际机器中使用的厚壁大径管(以下有时称为已安装管。)的焊接部、焊接热影响部的在某种程度的范围内产生再热裂纹时,通常在将包含裂纹所引起的不良部的部分去除后,用相同材质准备作为新材的短管,在设置有锅炉的现场通过焊接将已安装材和新材连接。例如,使用将长管切成必要长度而制作的新管作为前述短管。
[0015]为了对前述已安装管和短管的焊接部以及焊接热影响部去除焊接后的残留应力,需要进行固溶处理或稳定化热处理。这些由高强度的Ni基系合金形成的厚壁大径管的材料本身的固溶处理温度在1200°C左右,非常高,进而,为了使材料整体均匀受热,升温及降温时的温度梯度受到限制,保持时间也必须设为例如I小时左右,因此对于进行固溶处理而言,需要较长时间。此外,稳定化热处理虽然比前述固溶处理温度低,但也需要为900°C以上的高温,保持时间需要设为比固溶处理时间更长的时间(例如每25mm壁厚需要I小时)。
[0016]对于这样的热处理条件,实际进行的作业是在技术上难度高、作业环境方面伴有困难性的作业。例如,实际的热处理作业部位大多为锅炉的较高位置,因此当然需要采取足够的安全对策,而且由于为极其高温的热处理,因此在加热电源的设置场所、该加热导线的长度方面存在限制,进而,需要配备用于长时间保持高温的充分的保温材等。从而,在不具备必要的热处理设备的设置锅炉的现场的焊接中,期望将固溶处理、稳定化处理等高温下长时间的热处理的次数设置为足够且最少的次数。
[0017]本申请人提出了涉及如下焊接方法的专利发明:为了防止锅炉用的不锈钢管(但不是前述高强度Ni基系合金)的经年材料的新焊接部的再热裂纹,将长度20mm以上的作为新材的短管分别焊接在经年材料的焊接部,对焊接部的管内面侧进行研削或平滑,或者对焊接部实施用于除去应力的退火,将新材之间焊接,从而降低焊接部的残留应力(专利文献
Do
[0018]现有技术文献
[0019]专利文献
[0020]专利文献I:日本专利第4303159号公报

【发明内容】

[0021]发明要解决的课题
[0022]在前述高强度Ni 基系合金、例如 Alloy617(52Ni — 22Cr — 13Co — 9Mo — Ti 一 1A1、析出强化型的 Alloy263(50Ni —20Cr —20Co —6Mo —2Ti—Al)、Alloy740(50Ni —25Cr —20Co — 2Nb — 2Ti — Al)的情况下,如上所述,制成的厚壁大径管的晶粒粒径发生粗粒化,特别是前述晶粒粒径受到焊接时的热量影响而进一步粗大化。在将这样的前述高强度Ni基系合金的厚壁大径管之间作为最终焊接部时,获知:由于以从材料厂家购买时的状态的组织来使用,因此晶粒粒径较大,为例如200?300μπι,进而,最终焊接部的焊接热影响部粗大化发生进展,虽然通过焊接后的高温、长时间的热处理能够降低焊接部的应力,但晶粒粒径几乎不变,产生再热裂纹的风险变大。
[0023]此外,在对实际机器中已经使用的已安装管中产生了裂纹的焊接部或焊接部附近的焊接热影响部进行修补时,需要制成再热裂纹的产生风险小的接头结构。
[0024]本发明的课题在于,提供用于防止由高强度的Ni基系合金形成的厚壁大径管的、在锅炉设置现场形成的焊接部处容易产生的再热裂纹的焊接接头结构以及焊接施工方法。
[0025]用于解决课题的手段
[0026]对于本发明的上述课题,提供一种高可靠性的现场焊接接头结构和焊接施工方法。
[0027]方案I所述的发明,为一种厚壁大径管的焊接接头结构,其特征在于,对由如下的Ni基系合金所形成的一对壁厚为2
再多了解一些
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