5
Performance of repair welds on aged 2.25Cr±1Mo boiler header welds I. Nonaka a, * , T. Ito a , S. Ohtsuki b , Y. Takagi b a Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Limited, 3-2-16 Toyosu, Koto-ku, Tokyo 135-8733, Japan b Tokyo Electric Power Co., Tokyo, Japan Abstract In order to clarify the performance of repair welds on power boiler, thick parts such as header and steam piping, an ex-service aged 2.25Cr±1Mo header was repaired using SMAW with postweld heat treatment and the mechanical properties of the repair welded joints were experimentally evaluated. Creep rupture life of the repair welded joint was almost same as that of service-degraded base metal and heat-affected zones. It was proved that the life reduction would not be caused by repair welding. In creep±fatigue tests with strain holding, some type of repair welded joints was fractured at the heat affected zone caused by repair welding. This may be caused by strain concentration at the heat-affected zone under strain holding. Charpy impact toughness of the simulated heat affected zone due to repair welding was much higher than that of service-degraded base metal. It was proved that the toughness would be restored by repair welding. q 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. Keywords: Power boiler; Header; 2.25Cr±1Mo steel; Repair weld; Creep; Creep±fatigue; Impact toughness; Postweld heat treatment; Heat affected zone 1. Introduction Some research regarding repair welding has been carried out mainly in Europe and in USA [1] but there has been little research in Japan. Some of the Japanese utility boilers have been in operation for more than 2 £ 10 5 h; suggesting some materials utilized in these boilers to be degraded. Damages are often observed in thick parts like the header and steam piping. Localized damages among these damages could be repair welded after the cracks were removed. However, the complete equipment is to be replaced by new equipment when damages are believed to exist in wider areas. In all cases, repair welding is to be applied to degraded materials exposed to long-term operations, and thus, integrity of the newly formed welded joints should be con®rmed. There- fore, micro-hardness measurements, creep tests and creep fatigue tests on specimens sampled from a repair welded header that was exposed to long-term operations and was ex-service have been conducted during the present investi- gation. Furthermore, Charpy impact test specimens of the base metal and the weld heat-affected zones HAZ) are machined from the ex-service header, and are heat treated according to simulated heat cycles generated in HAZ before conducting the Charpy impact tests. 2. Experimental 2.1. Test materials The sample is an ex-service secondary outlet superheater header. It includes girth weld, and is made of 2.25Cr±1Mo steel pipe JIS STPA24) with an outer diameter of 570 mm and a thickness of 130 mm. The steam temperature during the actual operation was 5778C with the accumulated operation time of 195,000 h. 2.2. Repair welding sequence Fig. 1 shows the weld geometry that is utilized for shielded metal arc SMAW) repair welding in the present investigation. Welding electrodes of type CMB-108 were used. The materials are preheated above 1008C. Post- weld heat treatment PWHT) is fundamentally held at 7208C for 3.2 h and 2.4 h), although some creep test specimens are tested without PWHT to investigate the effects of PWHT. 2.3. Test specimen preparation Fig. 2 shows the sampling positions of the creep test specimen and the creep±fatigue test specimen. Specimens A and C are prepared to represent the repair welding. The girth weld metal is located next to the repair weld metal in Specimen A with the HAZ being situated at the center. The International Journal of Pressure Vessels and Piping 78 2001) 807±811 0308-0161/02/$ - see front matter q 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. PII: S0308-016101)00093-X www.elsevier.com/locate/ijpvp * Corresponding author. Tel.: 181-3-3534-4354; fax: 181-3-3534-4460. E-mail address: [email protected] I. Nonaka).

Performance of Repair Welds on Aged 2.25Cr-1Mo Boiler Header Welds

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Performance of Repair Welds on Aged 2.25Cr-1Mo Boiler Header Welds

���������� �� ����� �� �� �� ���� ���������� ��� �� ������ �� ��

�� ���������� �� � ��� !� "� �#���� $� �������

����������������� � ��� �������� � ���� ���� �� ���� ������� ������� ����� ��� !��� "�#�������� $% &���& '�� � ���� ������ "�#��

��������

�� ����� � ����% �� ��������� �� ����� �� �� �� ���� ��� ��� ��� �� � �#� �� ������ ��� � ��� ����� �� �&'���(�� ����

���������� ������ ��� ������� #���� !�)* �� � �� �� � ��� ��� ��� ��� �� ������� ���� ��� �� �� ����� �� ��� +��� � ����

�&������ � % �(� #� ���

���� �# #�� ��� �� �� ����� �� ��� +��� ��� � ��� ���� �� �� �� ���(��'�������� ���� �� � ��� ��� '���� �� ,����� � ��� ��(��

�� �� ��� ���# ��� ��# � �� �� �#��� �% ����� �� ����� �� ������ ��#� �� � �� � � ���� �� ����� ���� %� �� ����� �� ��� +��� � ���

��� #��� � �� ��� ���� �� ,��� �#��� �% ����� �� ����� ���� ��% �� �#��� �% � ���� ���� �� ��� � �� ��� '���� �� ,��� #���� � ����

�� ����� ����% ��� �#������ �� �� ���# � �� ��� ���� �� ,��� �#� � ����� �� ���� ��� �#� ������ ��� �� �� ���(��'��������

���� �� � � � ��� ��(�� �� �� �#������ ��# � �� ��� ���� �% ����� �� ����� � �--� . ��(��� !���� / �� ) ���� � �����(���

� ������0 ����� ��� ��1 2�����1 ���������� � �� 1 3���� �� �1 ����1 ������� ��#�1 ��� �#������1 ��� �� � ��� ��� ��� 1 2�� ���� �� ,���

� ���� ������

!��� ������� ��������� ����� �� ���� ��� ���� ������

�# ���� % �� .#��� ��� �� 4!) 5�6 �# ���� ��� ���� � �

������� �� 7���� !��� �� �� 7������ # � � % ��� ��� ��(�

���� �� ���� ��� ��� ���� ��� � � �-� �� �#���� ��� ����

�� ���� � # � �,�� �� ���� ��� ��� � �� ��������� 8������

��� �� �� �����(�� �� ��� �� � ��� �� ������ ��� � ���

����� /�� �,�� ������� ����� ���� ������� �# � ��

����� �� ��� �� �� �� ���� ���� ����(��� 2���(��� ��

�� � � �9#���� �� � �� �� ��� �% ��� �9#����

���� ������� ��� �� ��(�� � �&�� �� ����� ������ �� �

����� ����� �� ���� �� � �� � ��� � �������� �� ���� �

�&���� � ���' ��� ���� ����� ��� �#�� �� ���� % �� ��

��� % ������ �� ��� +��� � ���# � �� ��:����� �����'

����� ����'�������� ����#����� �� ��� �� � ��� ���

�� ��#� �� � �� ������� ��� �� ���� � ����� �� ���

������ �� ��� �&���� � ���' ��� ���� ���� ��� ���

�&'���(�� ��(� ���� ���# �� �#���� �� ����� ��(�� �'

�� ���� ;#� �������� ����% ��� �� ������� �� ��

���� �� � ��� �� �� � ��� '���� �� ,���� <2)=> ���

������� ���� �� �&'���(�� ������� ��� ��� ��� ��� ��

������� � ���# � �� ��� % �� ������ �� �� 2)= ������

���# ��� �� ����% ��� �� ��

� ������������

���� � �� �� ���%�

��� ��� � �� �� �&'���(�� �������% �# � �#����� ��

������� � �� #��� ��� � �� �� ��� �� ���� �� ����������

� �� �� <7�! !��)�?> �� � �� �# �� ����� �� �� �@- ��

��� � ������� �� �A- ��� ��� � ��� ����� #�� �#����

�� � #� ���� ��� ��� �@@�� �� � �� �#�# � ��

���� ��� ��� �� �B��--- ��

���� ( #��� � %���) � *� �&

;��� � ����� �� �� � ����� �% �� �� # � �,�� ���

���� ��� �� � �� <!�)*> ����� �� ���� �� �� �����

��(�� ��� ���� *� ���� � � ����� �� %� ��C'�-D ����

#���� ��� �� ���� � ��� ����� �� ���(� �--��� ��� '

�� � ��� ��� ��� <�*2�> �� �#������ � % �� � �

@�-�� ��� A�� � <��� ��? �>� � ��#�� ���� ��� ��

������� ��� �� �� �� ��# �*2� � ��(�� ��� � ��

���� � �� �*2��

���� � �� �# &� � #� #�������

;��� � ����� �� ��� ��� ��� ���� �� �� ��� ��

������ ��� �� ������ ��#� �� ������� !������

) ��� � ��� ������ � ������� �� ����� �� ����� ���

��� � �� � �� � �� �� �� ��& � �� ����� �� � �� � ��

!����� ) �� � �� 2)= ����� �� #� �� � �� �� ��� ���

�� ���� ���� 7�#��� �� �����#�� E���� � ��� ����� @D <�--�> D-@�D��

-A-D'-�F�G-�GH ' ��� ���� �� �� � �--� . ��(��� !���� / �� ) ���� � �����(���

���0 !-A-D'-�F�<-�>---BA'I

����� ��(������G �� �G�+(

� ������������ �# ���� �� �0 �D�'A'A�A?'?A�?1 ��&0 �D�'A'A�A?'??F-�

$��% ���� ��+ ����#J������K������+ <�� ������>�

Page 2: Performance of Repair Welds on Aged 2.25Cr-1Mo Boiler Header Welds

���� �� � �� �� �� ��& � �� ����� �� � �� � ��

!����� � �� � �� 2)= � �� �� ��� !����� 8 ����'

��� � �� ���� �� � ��� !����� .� �� ��� � �� ���

+��� �� !������ 8 ��� . ��� ������ ��� ������ � ���� �

�������� �� � ���� �� !������ ) ��� �� ��� ���

�� ������� ��(� � ����� �� �� F �� � �� ��� �

�� ��� �� A- �� ��� � <���� ������� ��(� � ����� ��

�� �- �� � �� ��� � �� ��� �� ?- �� ��� �>� ���

������ ��#� �� ������� ��(� � ����� �� �� �- �� �

�� ��� � �� ��� �� ?- �� ��� ��

����% ��� �� ������� ��� ������� ���� �� ����

�� � �� �� ������ ��� ���� �� ��� � �� � �� � �� ��

�� �� �� � �� ���� � ��� ��� ��� �� ������� � ���# � ��

����� % �� �� �� 2)=� ��� ���# � �� ����� % �� ��

2)= ��� ����� �� ��� �� �� ����� ������� 2)= �� �� ��

:�� ������� 2)=� ��� ���# � �� ����� ������� 2)= ���

�� �� 9#����� ���� ���-��� �� �� �� ���� ��� � ���� ���

���# � �� :�� ������� 2)= ��� �� ����� ������� � ��

�� ����� ���� ��� ��� ��� ��9#����� ���� %� �� ��

9#������ ���� B�-� D�- ��� D�-�� �� �� �� ���� ��� � ����

� ������� �� ���������

���� ,�&������� �� ���� ���

;��� A ����� ��� ���# ��� �� ����#��� ����'�������� ��

!������ )� � ��� .� !����� . ��� ���� ����'

�������� (� #�� ��� �� ��� � �� � �� � ��� ��� �� ����

�� � �� �� ���#�� �� �� ���' ��� �&��#�� �� ��

�� ���� � � ���� ��� ���� ����� ;#� �������� �� �������

�� �� �������� �� �� ��� � �� � �� � �� �#� ����� ���

�� �� �� ���� �� � � ��#�� !����� . �&���� � � ���

#������ ��� ���# ��� �� ����'�������� �� �� ��� � ���'

���� 2���(��� !������ ) ��� � ��� ��#�� � �� ���

��� ���� �� � ��� ���� �� � ����� �� �� ��+��� � ���

� ���� ��� ��� ���� �� � ��� ������ �� �% �� ���' ���

�&��#��� ��� ���� �� � ��� ������ �� �% �� �����

�� ����� "�� �� �� ���� ���� �� �� �������� ������ ��

����� �� ��� �� ���� � �� �� �� ���' ��� �&��#�� �� ��

� �#� ����� ��������� �� �������� �� ���#�� �� ���� ��

����� �� ��� �� � ��� �� ���' ��� �&���� �� ����

������ � �� #�#� ������ ���� �� �� ��� �� ���� ��

���� �����% �� �#� ����#��� ���� �� �*2� ���

� ��� � �� ��� �� ���� ��

�� -����� � �%� . ��� ��������% "�����% �/ '� ���� 0 �� %� ��� '�#��) ! 1�22�3 2!4 ��D-D

;��� �� 3���� �� � ����� �%�

;��� �� ���� ��� ������ ��#� ������� # �# ���� �&'���(�� ��� ��

�������

;��� A� 2������� ��� ���# ��� �� ��� � �� � ��� ����� �� ��

��� � �

���� �� ���� ���� ��� ��� #�� �� ���� �� ������� <L*0 ��� � �� �1 C�0 ���� �� � 1 2)=�0 2)= �� ����� �� ��� +��� 1 2)=��0 2)= �� ��� � �� ���

+��� >

���� <��> ! ���� <���> !����� %� <�*2�> !����� ����� �� <��>

) <�� �> ) <�� ��# > � <�� �> � <�� ��# > .

F�- A? L* � C� � 2)=�� F

F�� ?- L* � 2)= � L* F

F�� ?- L* � C� � L* �-

F�- �� L* � C� � � F

F�� �� L* 2)=� C� C� 2)=�� F

F-- @� L* L* C� C� � F

�@� @� L* L* C� C� C� F

Page 3: Performance of Repair Welds on Aged 2.25Cr-1Mo Boiler Header Welds

���� �� # � ���

��� � � ����� �� ��� �� ���� ���� ��� �� ��� #��

�� ���� �� �� �� �������� ��� �� � ��� ���# �� �

����� #��� ���� �@� � F�-��� �� � � ��� � ������ ����

A? � @� ���� ��� ��� #�� �� ���� �� !����� ) ���

���� % �� �� ��� � �� � �� � � ��� �� ��� � �� �� �

�#���� ���� �� ����� �� ;��� ?� ��� ��� #�� �� ���� ��

!����� � ��� ���� % � �� ���� �� � ��� �� ��� � ��

�� � �#���� ����� ���� �� ���� ��� #�� �� ���� �� �

2)=�� ���#�� �% �� ����� �� �����

;��� � ����� �� �������� �� �� ��� �� ���# � �� �

(����� ���� �� � �� ���� �� �� � ��� � ���� ��� ��

/�������� �� ����� ��� !������ )� �� 8 ��� . ����

� ��� ���� �� ��� � ���� �� ��� �� ��� � ���� � ��

���� ��� �� �� �� (����� ���� �� � � �#���� ��� ��

#��� �� ���� � � �#���� ���� ������� ��� �% �� ���' ���

�&��#��� ;��� F ����� � �� �� �� �������� �� �� ���

�# #�� ��� �� �� ����(��#� �� ������� ��� ���

�# #�� ��� �� !����� ) �� � � � ���� �� ��� �� ��

�� � ��� �������� ���� ��������� �� �� � ���# �� �

�� ������� ��� �� �� ��� � �� � �� � � �� �� ���' ���

�&��#�� ���#�� �� ��� #�� ��� ��� �� !����� ) �� �

�� ��� � �� � �� � � ���� :����� �� ����� �% �� �����(��

��������� �� �� �������� �� �� ��� � �� � �� �

��������� % �������� � �� �������� �(� �� �� ����

�� � �� �� ���# �� �� ���' ��� �&��#�� �� ����� ��

;��� A�

��#�� �� ������� �� ��� � ���� � �� �#��� �% �����

�� ���� �������� �� �� �� ���� �&���� � �� ���' ���

���� ����� ���� �� � �� ��(�� �% �� ��� #�� �� ���� ���

��� �# #�� ���� �����(�� �� !������ ) ��� �� ��

��(� ���� � � ���

;��� @ ����� �� ���� � �� � ��� �*2� ��� !������

) ��� � �� �� �� ����� �� ����� !����� ) �� � �*2�

����� � � ��� % ����� ��� �# #�� ���� �������

!����� � �� ��# �*2� ����� � � ��� % ����� ���

�# #�� ���� 2���(��� �� ��������� �� �� ��� �# #��

��� �� ���� ������� �#��� �% �� � ��� �*2� ��

��� ��� �� �*2� �� �� #��� �� � �#�� ��% ��+��

���� �� �� ��� �# #�� ����

���� �� #4/���)� � ���

;� ��#� �� � �� � ���� � � ���� �� � ��� ���# �� ��

!������ ) ��� �� ��� �� ����� #�� �� ��-�� �� � �

� ���� ����� �� �� ��� ��- �� -�@M� ��� �- ��� � ���� �� �����

�� -����� � �%� . ��� ��������% "�����% �/ '� ���� 0 �� %� ��� '�#��) ! 1�22�3 2!4 �� D-B

;��� ?� ���� ��� #�� �� ��� �� ����� �� � !����� ) <F����� ?- ��>�

;��� �� /�������� �� �# #�� �� � � � ��� ���� �� � � ��� � �� � ���

����� �� ��� +��� �� � �*2��

;��� F� ��������� �� �# #�� ��� ����� ���� �� � � ��� � �� � ��� ����� �� ��� +��� �� � �*2��

Page 4: Performance of Repair Welds on Aged 2.25Cr-1Mo Boiler Header Welds

��#�� �� ���� � ���� �� �� ��#�� �� ��� �� �- �� ��

�� �� ��� ;��� D ����� �� �� � ������ �� ���� �� � ����

����� ��� �� % �� � ��� #��� ) ��#�� �� % �� �

��� #�� ��� !������ ) ��� � ��� � ��� ���� �� � �

� ���� ����� �� �M� �� % �� � ��� #�� ��� !����� ) ��

� ��� ��� �� � �� �� �� !����� � � � � ���� ����� ��

-�@M� ��� ��� #�� �� ���� ��� !����� � ��� � �� ����

�� � ��� ���� ��� !����� ) ��� � �� 2)= ��� �����

������ �� �� ��� � �� � �� � �� ����� �� ;��� B�

��� �#��� � ������ ��� �� ��� �� % �� � ��� #��

�&������� �� !����� ) �� � ���# �� � � �� �� ��

� �� ��� ������ �� � ���� ���� �� ��� ��� �#���� � ��

2)= ��� ����� ������� �#���� �� � ���� �� ��

��#�� �� ����� ��(�� ��� ��� ����� �� � ����'

�� �� �� ������ ��#� �� � ��% ����� % ���# ��

���#�� ������ ��#� ��� ���� ����� �� ���� �� � ��

���# �� �� �� ���� � �&���� � ���' ��� ���� ���

���� ���� <�� % ��� !����� )>�

��5� ����#� �#�&� � ���

����% ��� �� � ��� ���# �� �� �� ���# � ��

����� ������� 2)= ��� �� :�� ������� 2)= �� ���� �

�� �� ���' ��� �&���� ���� �� � �� �� ������ ��� ��

��� � �� � �� � �� ;��� �- ����� �� ����% ��� ��

���# � �� ������ ��� ����% ��� �������� �� �� ����

�� � �� �� ������ �� ����� ��� �������� #����� ���

�& ���� % ��� �#���� ��� �� ���' ��� �&��#�� � ��

���� �(� �� ���� �� % ���#��� �� �# � � % �� �� �� ���� �

2���(��� �� ����% ��� �������� �� �� ���# � �� 2)=

�� ���� � �� �� ���� �� � �� �� ������ ��� �� �� �� ��� �

�� � �� � � ��� 9#� � ����� �#���� ��� �� �� ��� ��#

�#���� �� ����� �� ���� �� ���� �(� �� ���(����� ��

�# � � % �� ���� �� ���� ��

� �����������

����'�������� ����#����� �� ��� �� �� ������ ��#�

�� � ��� ����% ��� �� � ��� ���# �� �� �� �����

�� ��� �� ���� � ��� �(� #� ��� �� �� ���� % �� �����

�� ���� � �� ������ �# �� �� �������� �� ���� � �&����

� ���' ��� ���� ����� ��� ���� ���# � �� ����� ���

� � �� �� ���

�� !�� ���� �� � ���# ��� ���� ���' ��� �&��#�� �

�� -����� � �%� . ��� ��������% "�����% �/ '� ���� 0 �� %� ��� '�#��) ! 1�22�3 2!4 ��D�-

;��� @� .��� �� �*2� �� �# #�� ��� �� ����� �� ��� +��� ��

;��� D� ������� ��#� ��� ��� ����� �� ��� +��� ��

;��� B� ������� ��#� ��� #�� �� ��� �� ����� �� � !����� ) <��-���

� ���� -�@M� �- ��� �� �>�

Page 5: Performance of Repair Welds on Aged 2.25Cr-1Mo Boiler Header Welds

���� ���� ��� ��#�� � �&�� ��& � ���� �� � ������ ��

���� ����� �� ����� ���� �� #� ��� ��� �� � �#� �����

�������� ��������� �� ���� ���� �� � ��� ���� ��

����� �� ��� +��� ��

�� 3���� �� ���� �� ��#�� � �#�� �� ������� �� ���

� ���� � �� �� ���� � �&���� � ���' ��� ���� �����

����� �� �� ��� #�� �� ���� ��� ��� �# #�� ���

��� !������ ) ��� �� ;#� �������� � �� �� #���

�� �� �*2� ���� �� �#�� ��% ���� � �� �� ���

�# #�� ��� �� �� �� ���� �� ��� ���(� ���# � ���

� ��� ���� �� �� � ��� ���# � 5�6� ����� �� #�����

��� ����� ���� �� � �� � ����� �(� % ���� �#�� ����

���� � ������ ��� ���� ����� #��� ���(� �� ���(��

����� ) ���(�� ���� ����� �� ��� #�� �� ���� ��

!������ ) ��� � ��% �� ������� �# �� ���(�

�� #����� ���� � ������ #��������

A� ��� ����� �� ���� �� �� !����� ) %� �� ��#�� �

�#�� ���# ��� �� ������ ��#� ��� #���� � ����

�� �� �� ����� ����� �� �� �� �� �� ������ ��#�

��� �� !����� ) �� ���#�� �� �� �� � ���� ������

���� ��������� �� �� ��(�� � �� �#��� �% ��� � ����

���� �� ��� �� 2)= ��� ����� ������� �#���� � ����

�� ��

?� ��� ����% ��� �������� �� �� ���# � �� 2)=

�� ���� � �� �� ������ ���� �� � ��� �� �� �� ��� �

�� ��� �� � � ��� �& ���� % ������ ��� ���� �� �� ����

�� � � �#���� ��� �� �� ��� ���# �� �#���� ��

����� �� ���� ���(��� �� �# � � % �� ���� �� ���� ��

����������

5�6 E������ ��� 3� L���% 8*� ���������� �� ����� �� �� �� ���� ���

�� ���� ��� � �� ��� ���������� �� �� �� ���� ���� ��������� ��

�� ���� % �� ���� ����� #�� �� ��� �.� / �� �� ������� 4N� A�?

��(����� �BBD� � ���?-�

�� -����� � �%� . ��� ��������% "�����% �/ '� ���� 0 �� %� ��� '�#��) ! 1�22�3 2!4 �� D��

;��� �-� ����% ��� �#������ ��� ���# � �� 2)= �#� � ����� �� ��