厚壁大徑管的焊接接頭結(jié)構(gòu)和其焊接施工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種厚壁大徑管的焊接接頭結(jié)構(gòu)和其焊接方法，所述厚壁大徑管的焊接接頭結(jié)構(gòu)由Ni基系合金形成，被用于主蒸汽溫度達(dá)到700°C左右的新一代超超臨界壓發(fā)電設(shè)備的主要機(jī)器、即鍋爐的高溫部的集流管、主蒸汽管、以及再熱蒸汽管等中；特別涉及當(dāng)設(shè)置有鍋爐的現(xiàn)場沒有制造工廠那樣的大型熱處理設(shè)備時(shí)，在前述設(shè)置有鍋爐的現(xiàn)場進(jìn)行最終焊接部的焊接時(shí)不易產(chǎn)生再熱裂紋的焊接接頭結(jié)構(gòu)和其焊接施工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在前述發(fā)電設(shè)備用鍋爐的高溫部中，傳熱管、配管大多使用耐熱鋼。這些之中，集流管、主蒸汽管、以及再熱蒸汽管等大徑管一直使用的是2.25?ll%Cr系耐熱鋼。近年，在抑制二氧化碳排出的背景下，特別是在燃煤火力發(fā)電設(shè)備中，為了提高發(fā)電效率而不斷提高在前述鍋爐中產(chǎn)生的蒸汽的溫度，現(xiàn)在，正在運(yùn)轉(zhuǎn)的是主蒸汽溫度為600°C的燃煤火力發(fā)電設(shè)備。
[0003]此外，出于進(jìn)一步提高發(fā)電效率的目的，正在進(jìn)行主蒸汽溫度為700°C的發(fā)電設(shè)備的開發(fā)。在這樣的蒸汽溫度的高溫區(qū)域中，現(xiàn)有的耐熱鋼在強(qiáng)度及耐腐蝕性方面存在問題，無法使用，因此，有必要使用固溶強(qiáng)化型或析出強(qiáng)化型的高強(qiáng)度的Ni基系合金。
[0004]在將這些高強(qiáng)度的Ni基系合金用于前述主蒸汽溫度為700°C的發(fā)電設(shè)備用的鍋爐時(shí)，使用利用固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等強(qiáng)化機(jī)理對Ni基系合金的金屬組織進(jìn)行調(diào)質(zhì)而確保了高溫強(qiáng)度的材料，但用于實(shí)際機(jī)器時(shí)，由于在金屬結(jié)晶(以下有時(shí)簡單稱為結(jié)晶)晶粒內(nèi)析出強(qiáng)化相，從而晶粒內(nèi)的強(qiáng)度變得比晶界的強(qiáng)度高。因此，蠕變?nèi)菀准杏诰Ы?，與現(xiàn)有材料相比，對于由焊接時(shí)的熱循環(huán)弓I起的再熱裂紋的敏感性有時(shí)變高。
[0005]此外，前述發(fā)電設(shè)備用的鍋爐的高溫部的集流管、主蒸汽管、以及再熱蒸汽管等中使用的前述高強(qiáng)度的Ni基合金為例如壁厚20mm以上、直徑165.2mm以上的厚壁大徑管，但前述集流管、主蒸汽管、以及再熱蒸汽管等以數(shù)米?數(shù)十米的長度來使用。需要說明的是，在已安裝的使用現(xiàn)有材料的發(fā)電設(shè)備用的鍋爐的高溫部的主蒸汽管、再熱蒸汽管中，使用直徑500、600mm或更大直徑的蒸汽管。
[0006]作為前述高強(qiáng)度Ni基系合金，有例如固溶強(qiáng)化型的Alloy617(52Ni — 22Cr —13Co —9Mo —Ti —1A1、析出強(qiáng)化型的 Alloy263(50Ni —20Cr —20Co —6Mo —2Ti—Al)、Alloy740(50Ni — 25Cr — 20Co — 2Nb — 2Ti—Al)。
[0007]在將這些合金制成例如壁厚20mm以上、外徑165.2mm以上的壁厚大徑管的工序中，首先制造用于獲得目標(biāo)制品長度、壁厚的鑄錠，然后利用鍛造等施加充分加工逐漸制造出制品尺寸，前述高強(qiáng)度Ni基系合金為高強(qiáng)度合金，因此在材料廠家的通常制造能力下難以制造出長尺寸的制品，例如通常最多能制造長度為3m以下的制品，因此，加工度變得比較小。需要說明的是，加工度是表示由前述鑄錠的加工前的原始長度、厚度至制品的最終長度、厚度的變形量的指標(biāo)。
[0008]—般而言，有加工度越大越容易變成細(xì)粒組織的傾向，再結(jié)晶溫度變低。在制造前述高強(qiáng)度Ni基系合金的厚壁大徑管時(shí)，晶粒粒徑變?yōu)槔?00?300μπι的較粗的粗粒。從而材料廠家制造的厚壁大徑管被鍋爐廠家購入，鍋爐廠家購入時(shí)的晶粒粒徑如前所述為例如200?300μπι的較粗的粗粒。
[0009]在將這樣的高強(qiáng)度Ni基系合金用于結(jié)構(gòu)上應(yīng)力集中的位置時(shí)，由于粗大化的晶粒的延展性和韌性降低，最初產(chǎn)生于結(jié)晶晶界處的微小裂紋傳播所需的極限應(yīng)力降低，從而即使較小的應(yīng)力下微小裂紋也容易傳播。
[0010]特別是鍋爐中作為主蒸汽管、再熱蒸汽管使用的厚壁大徑管中存在多個(gè)部位的焊接接頭，在前述焊接接頭的焊接部附近存在承受焊接所致的熱循環(huán)的焊接熱影響部，但此處的晶粒比非焊接部更加粗大化，進(jìn)而還被指出如下問題:由于存在焊接時(shí)的殘留應(yīng)力，因此發(fā)生再熱裂紋的風(fēng)險(xiǎn)(求亍W十/W高。
[0011]圖3示出在設(shè)置有前述厚壁大徑管(例如Alloy617)的鍋爐的現(xiàn)場施工而形成的焊接部的熱影響部可能產(chǎn)生的再熱裂紋的假想圖。將圖3(A)中所示的包含厚壁大徑管I的焊接部2的焊接部附近的剖面圖的放大圖示于圖3(B)。
[0012]圖3中，在無焊接后的熱處理的狀態(tài)下，由于在焊接部2的內(nèi)面?zhèn)却嬖谂c材料的屈服應(yīng)力相當(dāng)?shù)睦斓臍埩魬?yīng)力、以及由于受到焊接而產(chǎn)生的熱影響部3為比原組織粗?；慕M織，厚壁大徑管1、1的在現(xiàn)場施工而成的焊接部2容易產(chǎn)生再熱裂紋4。
[0013]為了避免圖3(B)所示的再熱裂紋4，除了焊接后在焊接部及包含焊接熱影響的范圍內(nèi)進(jìn)行焊接后的熱處理來謀求焊接部2的應(yīng)力的降低以外，期望進(jìn)行如下改善:使焊接部及包含焊接熱影響的范圍的厚壁大徑管I的晶粒粒徑細(xì)?；?。但是，前述高強(qiáng)度Ni基系合金的厚壁大徑管1、1以從材料廠家購入時(shí)的狀態(tài)的組織來使用，因此晶粒粒徑較大，為例如200?300μπι，進(jìn)而，最終焊接部的焊接熱影響部發(fā)生粗大化進(jìn)展，現(xiàn)實(shí)中雖然能夠降低焊接部2的應(yīng)力，但晶粒粒徑幾乎不變。
[0014]此外，實(shí)際機(jī)器中使用的厚壁大徑管(以下有時(shí)稱為已安裝管。)的焊接部、焊接熱影響部的在某種程度的范圍內(nèi)產(chǎn)生再熱裂紋時(shí)，通常在將包含裂紋所引起的不良部的部分去除后，用相同材質(zhì)準(zhǔn)備作為新材的短管，在設(shè)置有鍋爐的現(xiàn)場通過焊接將已安裝材和新材連接。例如，使用將長管切成必要長度而制作的新管作為前述短管。
[0015]為了對前述已安裝管和短管的焊接部以及焊接熱影響部去除焊接后的殘留應(yīng)力，需要進(jìn)行固溶處理或穩(wěn)定化熱處理。這些由高強(qiáng)度的Ni基系合金形成的厚壁大徑管的材料本身的固溶處理溫度在1200°C左右，非常高，進(jìn)而，為了使材料整體均勻受熱，升溫及降溫時(shí)的溫度梯度受到限制，保持時(shí)間也必須設(shè)為例如I小時(shí)左右，因此對于進(jìn)行固溶處理而言，需要較長時(shí)間。此外，穩(wěn)定化熱處理雖然比前述固溶處理溫度低，但也需要為900°C以上的高溫，保持時(shí)間需要設(shè)為比固溶處理時(shí)間更長的時(shí)間(例如每25mm壁厚需要I小時(shí))。
[0016]對于這樣的熱處理?xiàng)l件，實(shí)際進(jìn)行的作業(yè)是在技術(shù)上難度高、作業(yè)環(huán)境方面伴有困難性的作業(yè)。例如，實(shí)際的熱處理作業(yè)部位大多為鍋爐的較高位置，因此當(dāng)然需要采取足夠的安全對策，而且由于為極其高溫的熱處理，因此在加熱電源的設(shè)置場所、該加熱導(dǎo)線的長度方面存在限制，進(jìn)而，需要配備用于長時(shí)間保持高溫的充分的保溫材等。從而，在不具備必要的熱處理設(shè)備的設(shè)置鍋爐的現(xiàn)場的焊接中，期望將固溶處理、穩(wěn)定化處理等高溫下長時(shí)間的熱處理的次數(shù)設(shè)置為足夠且最少的次數(shù)。
[0017]本申請人提出了涉及如下焊接方法的專利發(fā)明:為了防止鍋爐用的不銹鋼管(但不是前述高強(qiáng)度Ni基系合金)的經(jīng)年材料的新焊接部的再熱裂紋，將長度20mm以上的作為新材的短管分別焊接在經(jīng)年材料的焊接部，對焊接部的管內(nèi)面?zhèn)冗M(jìn)行研削或平滑，或者對焊接部實(shí)施用于除去應(yīng)力的退火，將新材之間焊接，從而降低焊接部的殘留應(yīng)力(專利文獻(xiàn)
Do
[0018]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0019]專利文獻(xiàn)
[0020]專利文獻(xiàn)I:日本專利第4303159號公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]發(fā)明要解決的課題
[0022]在前述高強(qiáng)度Ni 基系合金、例如 Alloy617(52Ni — 22Cr — 13Co — 9Mo — Ti 一 1A1、析出強(qiáng)化型的 Alloy263(50Ni —20Cr —20Co —6Mo —2Ti—Al)、Alloy740(50Ni —25Cr —20Co — 2Nb — 2Ti — Al)的情況下，如上所述，制成的厚壁大徑管的晶粒粒徑發(fā)生粗粒化，特別是前述晶粒粒徑受到焊接時(shí)的熱量影響而進(jìn)一步粗大化。在將這樣的前述高強(qiáng)度Ni基系合金的厚壁大徑管之間作為最終焊接部時(shí)，獲知:由于以從材料廠家購買時(shí)的狀態(tài)的組織來使用，因此晶粒粒徑較大，為例如200?300μπι，進(jìn)而，最終焊接部的焊接熱影響部粗大化發(fā)生進(jìn)展，雖然通過焊接后的高溫、長時(shí)間的熱處理能夠降低焊接部的應(yīng)力，但晶粒粒徑幾乎不變，產(chǎn)生再熱裂紋的風(fēng)險(xiǎn)變大。
[0023]此外，在對實(shí)際機(jī)器中已經(jīng)使用的已安裝管中產(chǎn)生了裂紋的焊接部或焊接部附近的焊接熱影響部進(jìn)行修補(bǔ)時(shí)，需要制成再熱裂紋的產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)小的接頭結(jié)構(gòu)。
[0024]本發(fā)明的課題在于，提供用于防止由高強(qiáng)度的Ni基系合金形成的厚壁大徑管的、在鍋爐設(shè)置現(xiàn)場形成的焊接部處容易產(chǎn)生的再熱裂紋的焊接接頭結(jié)構(gòu)以及焊接施工方法。
[0025]用于解決課題的手段
[0026]對于本發(fā)明的上述課題，提供一種高可靠性的現(xiàn)場焊接接頭結(jié)構(gòu)和焊接施工方法。
[0027]方案I所述的發(fā)明，為一種厚壁大徑管的焊接接頭結(jié)構(gòu)，其特征在于，對由如下的Ni基系合金所形成的一對壁厚為2