核级阀门密封面堆焊.pdf

文章编号 100225855 2007 0520018208 作者简介苏志东1953 - ,男,辽宁沈阳人,高级工程师,从事阀门工艺工作。 核级阀门密封面堆焊 苏志东 沈阳阀门研究所,辽宁 沈阳110142 摘要 介绍了核级阀门密封面堆焊用钴基合金的牌号分类、化学成分、主要性能以及各种堆 焊方法及其焊接工艺评定。 关键词 核级阀门;钴基合金;工艺评定;密封;堆焊 中图分类号 TH134 TG455 文献标识码 A Deposit welding on sealing surface for nuclear class valves SU Zhi2dong Shenyang Valve Research Institute , Shenyang 110142 , China Abstract Introduces brand classifying , chemical composition and main characteristics of cobalt - base alloy used to deposit sealing surface for nuclear class valves , and various s of deposition as well as welding technologic estimation. Key words nuclear valves; cobalt - base alloy; technologic estimation ; sealing; deposition 1 概述 用于阀门密封面堆焊的材料按合金类型分为4 大类,即钴基合金、镍基合金、铁基合金和铜基合 金。钴基合金具有优良的耐腐蚀、耐磨损、耐冲蚀 和高温抗蠕变性能,满足了作为阀门密封面的使用 性能需要,长期以来一直被用于核级阀门和一些高 参数阀门密封面制造。 法国标准RCC - M S8000碳钢、低合金钢或 合金钢上熔敷的耐磨堆焊层中,开篇即表述了 S8000所涉及的是钴基合金耐磨堆焊层。并主要分 为两部分即,耐磨堆焊工艺和耐磨堆焊工艺评 定来阐述对核设备中耐磨堆焊的技术要求。我国 根据RCC - M转化的相应标准,直接将这两部分 分列为两个标准,即EJ/ T 102719阀门耐磨堆 焊和EJ/ T 1027116阀门耐磨堆焊工艺评定, 而且将标准的题目直接称为阀门的耐磨堆焊。 2 钴基合金的主要性能 211 化学成分 钴基合金stellite也称作钴铬钨合金,按其 化学成分不同分为不同牌号等级。表1～表3 为RCC - M S8000标准中所采用的主要等级钴基 合金化学成分,表4和表5为美国AWS标准中钴 基合金的化学成分,表6为GB 984钴基合金堆焊 焊条的化学成分, EJ/ T 102719和EJ/ T 1027116 标准中钴基的类型和化学成分与RCC - M S8000 中所规定的完全一致。表1～表6所列钴基合金中 的两种类型为阀门密封面堆焊常用,其形状有光焊 条焊丝、药皮焊条和合金粉末,其类型为RCC - M S8000中的6级和12级,对应着AWS标准的 ERCoCr - A和ERCoCr - B ,相当于GB 984中的 EDCoCr - A和EDCoCr - B。分析其化学成分其主 要合金元素C、Co、Cr、W等的含量差别不大, 其他元素的含量GB 984与其他标准有些差别。我 国的钴基合金焊丝有HS111～HS117等7种牌号, 其中HS111、HS112相当于RCC - M S8000中的6 级和12级,但它们均未列入国家标准和行业标准, 仍执行的是企业标准。若将国产钴基合金焊丝用于 核级阀门,应按照RCC - M标准生产制造。 212 常温和高温硬度 表7～表9为三个标准中不同钴基熔敷金属常 温硬度范围。从标准规定的硬度值分析, AWS标准 的规定值范围较大, RCC - M标准的规定值较为合 81 阀 门 2007年第5期 理,而G B 984标准的规定是最低平均值,而没有硬度值的上限和下限约束,显然有些不够严密。 表1 对于光焊条和粉状焊剂堆焊产品上或稀释区以外的熔敷金属的化学分析Wt 等级 化学成分 CCrWNiMoMnSiFeCo 21级0118～01322510～2910≤0151175～315418～611≤110≤210≤310余量 6级019 3～114 2610～3210310～610≤310≤110≤110≤210≤310余量 12级112～1172610～3210710～915≤310≤110≤110≤210≤310余量 3 对氧-乙炔耐磨堆焊用光焊条,最低值可降至018 。 表2 药皮焊条稀释区以外的化学分析Wt 等级 化学成分 CCrWNiMoMnSiFeCo 21级0120～01302510～2910≤0151175～315418～611≤112≤210≤510余量 6级017～1142510～3210310～610≤310≤110≤210≤210≤510余量 12级110～1172510～3210710～915≤310≤110≤210≤210≤510余量 表3 熔喷用光焊条和粉状焊剂堆焊产品化学分析Wt 等级 化学成分 CCrWNiCuMnSiFeBCo SF1级≤11501715～20151115～14101210～1410≤110≤110≤410≤415110～310余量 表4 堆焊用填充丝和焊丝的化学成分 AWS A5113Wt AWS类别CCrWNiMoMnSiFeCo RCoCr - A019～1142610～3210310～610≤310≤110≤110≤210≤310余量 RCoCr - B112～1172610～3210710～915≤310≤110≤110≤210≤310余量 RCoCr - C210～3102610～32101110～1410≤310≤110≤110≤210≤310余量 表5 堆焊用药皮焊条熔敷金属化学成分 AWS A5113Wt AWS类别CCrWNiMoMnSiFeCo ECoCr - A017～1142510～3210310～610≤310≤110≤210≤210≤510余量 ECoCr - B110～1172510～3210710～915≤310≤110≤210≤210≤510余量 ECoCr - C1175～3102610～32101110～1410≤310≤110≤210≤210≤510余量 表6 堆焊层金属化学成分 GB 984Wt 焊条型号 化学成分 CCrWNiMoMnSiFeCo EDCoCr - A019～1142510～3210310～610≤210≤210≤510余量 EDCoCr - B112～1172510～3210710～915≤210≤210≤510余量 EDCoCr - C1175～3102510～33101110～1410≤210≤210≤510余量 EDCoCr - D0120～01502310～32101110～1410≤210≤210≤510余量 许多堆焊合金当加热到高温后会永久软化,但 是钴基合金的熔敷金属则例外。当处于热态 650 ℃ 以下时,其硬度降低并不明显,只有当温 度升高到650℃ 以上时,硬度才明显下降,当温度 恢复到热态以下时,其硬度又回复到接近原始的硬 度。钴基合金硬度不受回火的影响。表10和表11 是AWS A5113所列的钴基合金高温硬度测试数 据。 912007年第5期 阀 门 表7 钴基合金熔敷金属的一般硬度70F21℃A WS A5113 焊接方法 硬度HRC CoCr - ACoCr - BCoCr - C 氧-乙炔焊接38～4745～4948～58 电弧焊接23～4734～4743～58 表8 钴基合金熔敷金属的常温硬度 RCC- M S8000 材料等级6级12级21级 硬度HRC38～5044～5426～40 表9 堆焊层金属的常温硬度 GB 984 焊条型号EDCoCr - A EDCoCr - B EDCoCr - C EDCoCr - D 硬度HRC40445328～35 注表中所列单个值为最小平均值。 在1 200F 650℃以下的温度时,这些钴基 合金的熔敷金属比其他堆焊合金具有更好的抗蠕变 性能和更好的硬度特性。 213 金相组织 钴基合金是以Co为基本成分,加入Cr、W等 表10 瞬时硬度值 温度 F℃ CoCr - A 给定试样号的 “C” 标洛氏硬度 BGH - aH - b CoCr - C 给定试样号的 “C” 标洛氏硬度 EBGH - jE 650345291633132615291841104317351741124611 850455241326182115281536164110311938104016 1 050565201021181911221732133516291835113015 1 200650151919171614211825182919241329102719 1 4007604618a4518a4417a4918a4918a53195310a5314a5113a 注a “A” 标洛氏硬度值。 表11 保持1min及4min的平均硬度值 载荷下 的时间 min 温度 F℃ CoCr - A 给定试样号的 “C” 标洛氏硬度 BGH - aH - b CoCr - C 给定试样号的 “C” 标洛氏硬度 EBGH - jE 1850455297320291309388381319426429 4850455307350269306376394304409422 11 200650250274271304323363268326328 41 200650235243237278258363234296298 元素组成的合金。钴基合金的组织一般是奥氏体加 碳化物加共晶组织,根据成分不同可以是亚共晶、 共晶或过共晶组织。 Co的固溶体基体具有很高的抗腐蚀性能及良 好的韧性。较多含量的Cr使合金具有较高的抗氧 化性, W增加它的高温硬度, C与Cr、W形成碳 化物,使合金具有良好的抗磨损和抗擦伤性能。 钴基合金的组织与含碳量密切相关,当含碳量 较低时,其组织是由树枝状结晶的Cr、W初晶和 奥氏体与Cr、W复合碳化物的共晶体组成。随着 含碳量的增加,奥氏体数量减少,共晶体增多,这 种组织属于亚共晶型。当含碳量较高时,则显现为 过共晶组织,由粗大的一次Cr、W复合碳化物加 固溶体与碳化物的共晶体组成。通常钴基合金可以 通过调整C和W的含量来改变其硬度和韧性,以 适应不同的用途。 钴基合金的固溶体基体要比Fe - C系的奥氏 体及Cr - Ni不锈钢的硬度高。在基体中,出现复 合碳化物,其晶粒细小弥散提高了整体硬度和脆 性。在金相组织中,存在着大量的与高铬铁FeCr - A 的Cr7C3碳化物有关的针状的假六角形结晶 体,可与许多细小的碳化物结合在一起,通常有着 复合的共晶铁组织。组织的复杂性随着C的含量 及由母材熔化而渗入的其他元素如 Fe 的含量 的增加而增加。 固溶体基体的洛氏硬度接近40HRC。Cr7C3型 碳化物的维氏显微硬度可望为1 500～2 000VPN。 然而,尽管有硬的碳化物结晶体,整体硬度用洛 02 阀 门 2007年第5期 氏或布氏硬度试验测量很少超过洛氏硬度 60HRC或600HB ,因为支持的基体比较软。 试验数据表明,钴基合金中的少量Si和Mo 的加入可明显提高其熔敷金属的抗擦伤性能,而 Mo则更有利于提高其高温抗擦伤性能。 214 耐磨性 钴基合金中C的含量对耐磨性有很大影响。 含碳量为110 CoCr - A时,性能稍差。含碳 量为215 CoCr - C时,抗高应力磨削磨损性 能良好。在低应力刮伤磨损的条件下,经试验表 明,氧-乙炔焰堆焊焊层的磨损率为碳钢的1/ 20 , 而对于CoCr - A熔敷金属,磨损率为碳钢的1/ 5 左右。CoCr - C填充金属在耐磨方面具有广泛的用 途。应该指出,如果加热和腐蚀是不重要的因素 时,则采用铁基填充金属在目前也能得到相应的耐 磨性能。由于CoCr填充金属能进行高精度抛光以 及具有低的摩擦系数,所以更适用于金属-金属间 的磨损条件。 215 抗冲击性能。 随着CoCr填充金属中含碳量的增加,在冲击 下其抗流变的性能也增加。当发生冲击流变, CoCr - C焊缝熔敷金属很脆,并容易产生裂缝。由 于CoCr - A熔敷金属比较容易变形,在压缩条件 下,于开裂前能够承受某些塑性流变。 216 抗氧化性能 在氧化条件下,促使基体形成薄而紧密粘附 的、起防护作用的氧化皮。对于在1 800F 980 ℃温度的填充金属的熔敷,意味着在普通的氧化 气氛中,氧化速率为钨极氩弧焊等离子弧焊 氧-乙炔焰焊。 表14 几种堆焊工艺方法的比较 堆焊方法填充材料 稀释率 熔敷率 kg/ h 单层堆焊厚度 mm 手工电弧焊药皮焊条15～250145～217115～215 钨极氩弧焊实芯焊丝10～200145～316110～310 等离子弧焊 实芯焊丝 合金粉末 5～15 5～30 5～10 5～15 210～315 018～310 氧乙炔焰焊 实芯焊丝 合金粉末 1～10 1～10 0145～217 0145～618 018～215 015～115 4 核级阀门密封面堆焊工艺评定 堆焊工艺评定是在堆焊产品之前,为验证所拟 定的焊接工艺的正确性所进行的验证过程及结果的 评价。工艺评定应根据图样的规定或技术规格书的 要求按照相应的标准进行。评定合格的“工艺评定 报告”是编制指导生产的工艺文件依据之一,并作 为产品的交工验证文件。 堆焊工艺评定的一般过程是编制焊接工艺评定 指导书 ϖ按照拟定的工艺参数堆焊工艺评定试件 ϖ 试件外观检验 ϖ无损检验 ϖ试件破坏性检验化学 成分、金相检验、硬度检验等ϖ检验结果评价 ϖ 编制工艺评定报告。 任一焊接工艺评定标准都规定了所作的工艺评 定可以有条件的覆盖一定范围,包括基体材料、填 充材料以及焊接参数中的一些非重要变素等, RCC - M S8300耐磨堆焊工艺评定亦是如此。当堆 焊产品工件的基体材料或焊接工艺方法及一些焊接 参数的改变超出了工艺评定标准规定的范围时必须 重新进行工艺评定。 RCC - M S8300中对工艺评定试件破坏性检验 项目如化学分析、金相检验、硬度测量线和表面硬 度的测定等做出了规定。 411 化学分析 对于湿法化学分析用金属屑取样,应在未经处 理的堆焊原表面至少去掉015mm厚度后,在与规 定的最小最终厚度的相应的深度处进行图 1 。 化学分析应包括表1和表2中按材料等级所规定的 化学元素。在下列范围内要满足的化学元素含量应 在焊接技术规程中规定。 在不锈钢部件上堆焊,对于6级材料, C ≤118 。对于12级材料, C≤212 。 用电方法堆焊时,对于6级材料,一般情 况下, Fe≤6 。对于主要功能为摩擦导向的部 件, Fe≤9 。对于主要功能为密封和支撑的部件, 虽然可以Fe≤9 ,但Fe≤6 被视为最佳值。 图1 熔敷金属化学分析取样方法 412 金相检验 金相检验应在与焊道垂直的方向上切取一块被 加工到最小尺寸的熔敷金属切片,用于金相观察。 采用5倍的放大镜,检验母材和热影响区中的裂 纹、未熔合、或其他线性缺陷。另外为了判断评定 区范围的适用性,宏观金相检验是检查堆焊层数的 一种方法。另外,微观金相检验应当用于检查熔敷 金属的亚共析组织、裂纹和过度渗碳。怀疑的区域 应进行微观金相检验。 413 硬度测量线 应在垂直于表层的直线上进行硬度变化的曲线 测量图 2 。奥氏体不锈钢基体时,仅在堆焊层 上作硬度曲线测量。在铁素体钢的情况下,热影响 区的硬度值不得超过S3234f中所规定的数值。对 熔敷堆焊层所作的硬度测量曲线可用来评价各层的 稀释率。也可在平行于表层作一条硬度测量曲线, 以判断堆焊层的均质性。 42 阀 门 2007年第5期 图2 硬度变化的测定位置 414 表面硬度的测定 在加工到最小尺寸的堆焊面上,至少要测定 10个HRC硬度值,从这10个硬度值中取平均值。 在这10个数值中,最大值和最小值的偏差对于21 级材料不得超过6个点,对于6级材料不得超过5 个点,对于12级和SF1级材料不得超过4个点。 所要求的平均值应在焊接工艺评定程序中规定。按 照功能和堆焊工艺确定的这些平均值应符合表7～ 表9中每一等级材料所规定的硬度范围。 工艺评定过程中,当评定试件出现不合格结果 时,如不能证明与此工艺无关,则应停止工艺评 定,直至找出原因方可重新评定。 焊接工艺评定的有效期,从认可之日起对于1 级设备为2年,其他设备为3年。评定有效期从车 间最后一次采用这种工艺日期算起,可以再延长相 同的时间。 5 焊工和操作工资格考核 焊工和操作工资格考核是从焊工和操作工技能 评定的方面来控制焊接质量的。RCC - M标准明 确规定,完成了焊接工艺评定的焊工和操作工,本 身自然就通过了资格考核。我国的现行法规规定, 焊工和操作工的资格考核应由相应的指定机构来完 成。否则,将不具备相应的资格。 6 钴基合金材料的代用 随着科技进步的发展和对磨损基理的不断深入 研究,阀门工作者对阀门密封面的材料、与不同阀 门的使用工况的适应性有了更深刻的理解和认识。 因此,用铁基或镍基合金材料代替钴基合金材料在 阀门密封面上的应用也逐渐开展起来。应该说钴基 合金材料的研制代用是从两个基点出发的,一是非 核级阀门密封面钴基合金代用材料是基于钴基合金 材料价格较高,而其显著的特点是高温下金相组织 稳定、具有红硬性、耐磨性能好。而核级阀门密封 面钴基合金代用材料的研究应用是近年来才开始起 步的,其基点是核系统设备中使用的金属材料的钴 元素含量有限制要求Co 0108 ,这是因为钴元 素具有放射性,且半衰周期长,在核系统设备中钴 含量的超标易造成二次污染,从而会对人们的健康 造成伤害。而阀门密封面堆焊的钴基合金的钴含量 都在50 以上,造成这一矛盾现象的原因是核系 统中对阀门的安全性和可靠性要求极高,阀门使用 寿命要达到30年以上。由于钴基合金作为阀门密 封面材料具有耐冲蚀、耐腐蚀、耐擦伤、耐磨损和 高温红硬性等一系列优良使用性能,长期以来应用 在核系统中阀门密封面上,实现了其安全性和可靠 性要求。这些就使得阀门工作者,虽认识到钴含量 超标与核系统要求的不适应性,也不敢贸然采用其 他代用材料。长期以来核系统中阀门密封面采用代 钴材料一直被视为禁区,为突破这一禁区,国内外 相关的技术工作者均进行了大量的试验研究工作, 并已取得一定成果。因此,选择一种代用材料全面 达到钴基合金性能是很难的,而针对阀门密封面不 同的特性要求和工况使用条件选用与其相适应的材 料“有条件代用”则是可行的。相信,不久的将来 一定会有代钴合金材料成功地应用于核阀门密封面 的制造。 7 结语 多年的阀门密封面材料实验研究表明,钴基合 金作为阀门密封面材料其耐冲蚀、耐腐蚀、耐擦 伤、耐磨损、高温抗氧化性和高温红硬性 700 ℃ 时,才发生硬度陡降现象等综合性能是任何其他 材料不能比的。核级阀门堆焊钴基合金应根据所堆 焊阀件尺寸、结构和企业堆焊设备的能力合理地选 择所适应的工艺方法,并严格按照相应的标准进行 工艺评定,确保核级阀门的堆焊质量。 参考文献 〔1〕 高清宝,等.阀门堆焊技术 〔M〕.北京机械工业出版社, 1994. 〔2〕 沈阳高中压阀门厂.阀门制造工艺 〔M〕.北京机械工业 出版社, 1984. 〔3〕 RCC - M - 1993 ,压水堆核岛机械设备设计核建造规则 〔S〕. 〔4〕 AWS A5113 - 1980 ,堆焊用实芯焊丝和焊条 〔S〕. 收稿日期 20071051 08 522007年第5期 阀 门