P92大徑厚壁管采用內保溫電阻加熱熱處理工藝分析

倪曉紅

（中國能建安徽電力第二工程公司汽機安裝公司，安徽 合肥 232007）

0 前言

銅陵電廠六期工程1000 MW超超臨界燃煤發電機組參數為28.25 MPa/610℃/608℃，再熱熱段及主蒸汽等高溫部件均采用了新型耐熱鋼SA335P92鋼。大口徑厚壁新型耐熱鋼的使用給施工單位帶來了技術難題。由于整個焊接接頭的薄弱環節在焊縫，焊縫韌度比母材低很多，且由于施工單位現場熱處理采用柔性陶瓷電阻加熱設備（配備微電腦控溫裝置），在焊后熱處理過程中隨著壁厚的增大會造成內、外壁溫差隨之增大的現象；且P92鋼焊后熱處理溫度范圍比較窄(760℃±10℃)，焊接接頭的內壁局部焊縫熱處理溫度低于熱處理溫度下限，從而使整個焊接接頭的性能都處于不均勻狀態；加上目前熱處理設備的測溫系統存在著不同程度的測量誤差，且熱電偶采用綁扎的固定位置形式，這些都影響熱處理過程的精確性，并直接影響焊接接頭的韌度。

由于現場施工條件遠比實驗室惡劣，散熱狀況較復雜，在理想工況下做出的焊接熱處理工藝評定與現場工況下的焊接熱處理有差別，為此在工藝評定的指導下，改進熱處理工藝以適應現場工況尤為重要。相關資料顯示，焊后熱處理溫度在760℃±10℃時P92鋼焊接接頭焊后熱處理才能獲得良好的綜合性能，要求管子內壁溫度控制在740℃，達到SA335P92鋼要求的高溫回火溫度的下限。為此，要求在大口徑厚壁管電阻加熱作用下，內、外壁的溫差嚴格控制在30℃以下以確保焊接接頭的質量。

受現場資源條件的限制，對大口徑厚壁管安裝焊縫取樣進行拉伸、彎曲、沖擊性能試驗并不現實，在焊接材料和焊接工藝確定后，沖擊功取決于焊后熱處理。中國能建安徽電力第二工程公司焊培中心編制的《焊接工藝評定》（評定報告編號：APCCPQR-140；鋼材牌號 SA335P92，規格 φ354 mm×53 mm，焊接位置6G）為其試驗性能提供了保證。

現場工況下采用內保溫電阻加熱法，經熱處理工藝實驗證明能夠有效降低內、外壁溫差，確保P92鋼焊后熱處理過程中整個焊接接頭性能的均勻性，保證焊縫根部的沖擊韌性。

1 P92鋼性能分析

SA335P92鋼是在P91鋼的基礎上添加w(W)，適當減少w(Mo)而開發出來的新型鋼種。P92鋼具有良好的物理性能，比P91鋼更高的高溫蠕變斷裂強度，優異的常溫沖擊韌度，優良的抗氧化性，其焊接裂紋敏感性比傳統的鐵素體耐熱鋼低等性能優點。但P92鋼時效傾向明顯，在3000 h時效后，其韌性下降明顯，其沖擊功從時效前的220 J降低到70 J。在3000 h以后，沖擊功繼續下降的傾向不明顯，沖擊功將穩定在時效3000 h的水平。時效傾向發生在550℃～650℃內，這個溫度范圍正是該鋼的工作溫度范圍，母材具有明顯的時效傾向，與母材成分相近的焊縫也有同樣的傾向。提高焊縫金屬時效前的原始韌度，為時效留出足夠的余量，是解決焊縫金屬時效后韌度不足的有效途徑。

實踐證明，焊接工藝中過高的預熱溫度、層間溫度和過大的焊接線能量都會導致P92鋼焊接接頭韌度下降，導致焊縫和熱影響區出現δ鐵素體而使蠕變斷裂強度惡化，必須嚴格控制。同時，改進熱處理工藝和精確控制熱處理溫度將直接影響P92鋼焊接接頭的韌度性能。

同時熱處理溫度對P92鋼焊接接頭的沖擊韌度影響很大。在臨界溫度AC1以下，提高焊后回火溫度或延長回火時間有利于馬氏體盡可能充分回火，提高焊縫韌度，受焊縫金屬AC1的限制，推薦焊后熱處理溫度為760℃±10℃，在這一溫度范圍內，P92鋼焊接接頭焊后熱處理才能獲得良好的綜合性能，特別是焊縫的沖擊韌度。根據相關研究發現，熱處理溫度為770℃時，焊縫的沖擊功能達到大于41 J的指標，740℃時必須延長恒溫時間，焊縫的沖擊功才能達到大于41 J的指標，焊縫的熱處理溫度處在730℃時，焊接接頭的韌度指標很低，其沖擊功達不到P92鋼焊接頭規定的41 J的指標。由此做為理論支持，采用內保溫電阻加熱法測得內外壁溫差小于30℃，此時的管內、外壁溫度在760℃±10℃范圍以內，熱處理時加上合理的恒溫時間，可確保整個焊接接頭的焊縫韌度達到規定指標。

2 內保溫電阻加熱法試驗過程工藝控制

2.1 試驗材料和設備

銅陵電廠六期工程1000 MW超超臨界機組工程，主蒸汽管道材質為SA335P92，規格φ544 mm×91 mm；熱處理設備：DWK-A型柔性陶瓷電阻加熱設備；K型Ⅱ級鎳鉻-鎳硅熱電偶；20號K型補償導線；柔性陶瓷電阻加熱器；硅酸鋁保溫棉等；為確保熱處理時溫度的精確性，施工前必須對熱電偶、補償導線及儀表進行校驗，以減小測溫誤差。內保溫電阻加熱法熱處理示意如圖1所示。

圖1 內保溫電阻加熱法熱處理示意

在焊縫兩側約800 mm的位置封堵，中間形成1600 mm長的隔離氣室，可減小管內空氣流動時的熱量損耗，減緩熱量沿管道軸向和徑向的散熱。隔離氣室的封堵物用黑鐵皮加保溫棉制成，用φ10mm鋼絲繩系牢，尺寸略大于管道外徑。熱處理結束后，從管道開口端取出。封堵物邊緣應柔軟，其外面用潔凈結實的耐火布包裹，成圓柱形，以免取出時劃傷管道。

2.2 加熱區和保溫寬度的確定

柔性陶瓷電阻加熱法是輻射加熱。其加熱原理是從加熱器發出的熱能以輻射的形式傳到工件的外表面，依靠金屬導熱，從外表面向內部傳導。這種加熱方法存在徑向溫度梯度，為了使均溫區域內的金屬在厚度方向達到所需的最低溫度，加熱區必須有一定的寬度，加熱寬度根據外徑D和壁厚δ的比值來選取(D/δ≤7.5)，加熱寬度從焊縫中心計算每側大于等于管子壁厚的4倍。從焊縫中心算起，每側保溫寬度應比加熱寬度增加至少2倍壁厚，且不少于150 mm，以減小溫度梯度。

規格φ544 mm×91 mm的P92管子采用電阻法加熱時，加熱寬度大于等于800 mm，保溫寬度大于等于1200 mm，保溫厚度100 mm。

2.3 熱電偶的布置和安裝

控溫熱電偶應沿焊縫中心線布置，在12點、3點、6點控溫區內、外壁各布置一個測溫點。在距焊縫50 mm、90 mm處各布置一個監測熱電偶 (見圖2)，以保證均溫區溫度均勻，且內壁溫度能夠滿足最低要求。

圖2 熱電偶布置示意

90 mm處的熱電偶為等效測溫點：根據Shifrinr的研究結果，只要加熱帶的寬度在5倍壁厚以上，外表面距焊縫中心線的軸向距離為t（t為壁厚）的位置大致與內表焊縫根部的溫度相等。

2.4 補償導線選擇

選用的補償導線必須與熱電偶絲相匹配，為帶屏蔽層的精密級補償導線。補償導線的布置應遠離供電線路，以避免產生干擾。同時應盡可能將其布置在溫度較低的環境。

補償導線與熱電偶線連接時必須保證極性正確。并且采用接線座連接，不得將兩根導線直接擰接在一起。

2.5 焊接和熱處理工藝

(1)焊接方法：GTAW/SMAW。焊接材料選用德國蒂森公司生產的Thermanit MTS焊材。

(2)焊材型號及規格：焊絲MTS616/φ2.4 mm、焊條MTS/φ2.5 mm、φ3.2 mm；為防止根部氧化，打底層和第二層采用GTAW焊接法，背面充氬保護。SMAW采用多層多道焊接，每道焊縫的增厚控制在小于等于2.5 mm。

(3)預熱溫度：GTAW 100℃～150℃；SMAW 200℃～250℃；每側加熱寬度至少大于等于焊件厚度4倍。

(4)層間溫度：200℃～250℃，盡量控制在下限；焊接后需冷至80℃～100℃，恒溫2h。

(5)升溫速度：300℃以上小于等于70℃/h；300℃以下小于等于100℃/h。

(6)降溫速度：300℃以上小于等于70℃/h；300℃以下自然緩冷。

(7)熱處理溫度760℃±10℃。

(8)恒溫時間9 h。考慮到采用柔性陶瓷電阻加熱產生內外壁溫差，熱處理實際恒溫時間定為10 h，以確保焊縫的韌度。

熱處理曲線如圖3所示。

圖3 熱處理曲線

2.6 熱處理恒溫期內、外壁溫差數據分析

由于對流的存在，必然導致管子12點位置的溫度比6點位置特別是內壁的溫度更高，且施工現場焊后熱處理工件的散熱狀況較復雜，在熱處理升溫過程中，內、外壁溫差逐漸加大，當外壁溫度達到750℃時，內、外壁溫差最高達到74℃，造成部分內壁位置回火不充分，通過以下措施減小了這種溫度的不均勻性。

(1)水平布置管道。

a.增加加熱帶控制區的周向分存數量。

b.在6點位置增加額外的保溫。

c.控制12點的溫度在許可溫度范圍的高側。

(2)垂直布置管道。

a.加熱帶的中心向下側偏移以平衡熱流，如加熱帶的60%布置在焊縫的下部。

b.保溫向焊縫下部偏移。

恒溫后期內、外壁溫差數據如表1所示。

由表1可知，采用內保溫電阻加熱法，焊縫同一截面周向外壁溫度基本相同，溫度呈均勻分布；徑向方向，內壁溫度呈不均勻狀態。在恒溫后期，焊縫內、外壁溫差小于30℃，內壁溫度基本控制在740℃，達到SA335P92鋼要求的高溫回火溫度的下限，能有效確保焊縫的韌度指標，為焊縫時效前的韌度留有一定余量。

表1 恒溫后期內、外壁溫差℃

3 熱處理后質量檢驗

3.1 硬度檢驗

依據《金屬布氏硬度試驗 第Ⅰ部分 試驗方法》（GB/T231.1-2002）進行硬度檢驗。硬度值是金屬材料強度、塑性、韌性等力學性能的綜合指標，是衡量焊后熱處理是否充分的重要監督指標。熱處理工藝導則要求的焊縫硬度值230～250 HB。

采用內保溫電阻加熱法經過770℃×10 h熱處理工藝后，SA335P92管材規格φ544 mm×91 mm焊接接頭的硬度檢驗值如表2所示。

由表2可知，焊縫硬度值符合要求，合格。

3.2 金相檢驗

依據《火電廠金相檢驗與評定技術導則》（DL/T884-2004）進行金相檢驗。

經宏觀檢驗，焊縫及熱影響區周圍不存在裂紋、未焊透、未熔合、氣孔和夾渣等缺陷，焊縫完好。近表面的焊縫、熱影響區、母材的微觀金相檢驗照片如圖4所示。

經對焊縫、熱影響區、母材的微觀分析得出，焊縫組織為回火馬氏體組織，板條特征明顯，馬氏體板條清晰完整，組織合格；熱影響區和母材均為馬氏體組織，組織合格。

4 結論

圖4 金相照片

(1)現場工況下嚴格執行焊接工藝評定，SA335P92大口徑厚壁管采用內保溫電阻加熱法有效保證內壁溫度達到740℃，滿足P92鋼熱處理的目的，保證焊縫的沖擊功大于41 J。

(2)對厚壁管熱處理過程中，由于內、外壁的溫差可能導致焊縫韌度下降采取的適當延長熱處理恒溫時間的措施是正確的。

(3)用內保溫電阻加熱法進行焊后熱處理在現場工況下，是可行的、經濟的。只要嚴格執行焊接熱處理工藝規范，就能獲得符合P92鋼要求的硬度值和金相組織。