电厂水冷壁CMT堆焊工艺设计及焊接材料开发
作者单位：西安理工大学
学位级别：硕士
导师姓名：李继红;褚巧玲;翟卫东
授予年度：2024年
学科分类：080503[工学-材料加工工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化]
摘 要：锅炉燃煤过程中,会产生大量的SO2、H2S等腐蚀性气体,这些腐蚀性气体以还原状态存在于炉膛内,导致水冷壁受热面严重腐蚀。燃煤锅炉中水冷壁管使用的传统喷涂防护方法由于所形成涂层薄、与基体结合强度低,己不足以满足目前日益严苛的运行工况。使用堆焊方法获得的镍基合金具有结合强度高、组织致密、耐高温腐蚀性较好等优点,是锅炉水冷壁表面防护理想的选择。然而,镍基合金存在流动性差,焊接成形不良等问题,并且现有镍基合金的化学成分在还原性气氛下的高温腐蚀性能还有待提高。鉴于此,本文首先通过试验研究确定了电厂水冷壁失效机制;在此基础上采用冷金属过渡技术(CMT)系统研究了焊接电流、保护气体等对镍基合金焊接成形的影响规律;与此同时针对锅炉内部的腐蚀性环境,对现有镍基合金进行了优化设计,从而获得具有优异耐高温腐蚀性能的合金。主要结论如下: (1)对服役1年的电厂水冷壁管排进行分析,发现其失效的主要原因是在锅炉炉腔内发生高温氧化、煤粉硫化侵蚀以及冲蚀磨损。失效管排表面的腐蚀产物主要为Fe2O3、Fe3O4、FeS和FeS2等;由于管排长期在高温环境下服役,其组织有一定的粗化,珠光体发生球化(球化等级4级)以及脱碳;力学性能测试表明,失效水冷壁管的抗拉强度和硬度均降低。 (2)采用CMT工艺研究了不同焊接位置(平焊和立向下焊)和保护气体(100%Ar、98%Ar+2%O2 和 70%Ar+30%He)对 Incone1625(ERNiCrMo-3)合金堆焊层成形的影响,研究发现,使用98%Ar+2%O2和70%Ar+30%He保护气体,熔池流动性好,焊缝成形美观,100%Ar焊接时,熔池流动性差。由于He的电离潜热较大,且电弧更加集中,导致70%Ar+30%He保护气体堆焊层稀释率高于98%Ar+2%O2,但堆焊层厚度更薄。从焊接成形角度提出了管排立向下焊接工艺参数为:电弧电压15.2V、焊接电流215A、焊接速度18cm/min、送丝速度9.6m/min、摆动宽度20mm、道间距19mm。不同保护气体获得的堆焊层与基体均结合良好,无气孔、裂纹等缺陷,堆焊层硬度在230-260HV0.2之间,基材硬度在160-180HV0.2之间。 (3)研究了Inconel 625 合金堆焊层在700℃高温熔盐(75%Na2SO4+25%NaCl)下的耐腐蚀性能,不同保护气体焊接所得的Inconel 625堆焊层其耐高温熔盐腐蚀性能不同,100%Ar焊接所得的堆焊层稀释率最低,耐蚀性能最好,70%Ar+30%He焊接所得的堆焊层稀释率最高,耐蚀性最差。高温腐蚀试样显微结构观察发现,Inconel 625合金经过长时间高温腐蚀,发生明显的高温氧化以及硫化现象,腐蚀前期合金表面形成的Cr2O3和NiO氧化层可有效延缓合金的腐蚀速率,随着腐蚀的进行,氧化层遭到破坏产生裂纹甚至破碎,S、C1元素渗透进基体,对基体产生侵蚀。TEM测试结果表明,Mo元素在晶间的富集给S、C1元素的渗透提供了通道。基于上述结果,在Inconel 625合金的基础上设计了不含Mo(JW-Ni-1)和高Cr(JW-Ni-3)两种镍基药芯焊丝。 (4)为了评价所开发的2种镍基药芯焊丝(JW-Ni-1、JW-Ni-3)高温耐蚀性能,对其以及2种市面上现有焊丝(Inconel 625、ERNiCrCoMo-1)进行高温熔盐腐蚀试验,采用市面上Inconel 625、ERNiCrCoMo-1焊丝作为对比。测得的耐蚀能力依次为:JW-Ni-3JW-Ni-1Inconel 625ERNiCrCoMo-1。在高温环境下,足够量的Cr元素可在合金表面形成的致密Cr2O3氧化层,能够有效减缓合金内部腐蚀的速率,Cr含量不足时,耐腐蚀性能无法持久,所以Cr含量最高的JW-Ni-3耐蚀性最优;Mo、Nb等元素在焊缝成形过程中倾向于在枝晶间隙区域偏析形成析出相,提供腐蚀通道,降低材料耐蚀性能,因此在Cr含量相近的情况下,合金中添加Mo元素会降低材料的耐高温熔盐腐蚀能力,所以JW-Ni-1的耐蚀性能优于Inconel 625和ERNiCrCoMo-1,Mo含量最高的ERNiCrCoMo-1耐蚀性能最差;Fe元素会加剧元素的偏析现象,从而加速析出物的形成,导致堆焊层耐蚀性降低,因此,焊接时应控制稀释率,以保证堆焊层中Fe元素处于较低的水平。
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