津卡南進水蝶閥上游管現場焊后熱處理工藝

鄭達煒

（中國水利水電第十六工程局有限公司，福建 福州350000）

1 概況

津巴布韋卡里巴南岸水電站位于津巴布韋和贊比亞交界的贊比西河上的卡里巴峽谷段，位于贊比西河和喀輔埃河交匯處上游40 km。擴機電站為地下廠房。引水系統采用“單機單管”供水方式，尾水系統采用2 臺機共用1 個尾水調壓室、1 條尾水洞形式。裝機容量2×150 MW。額定水頭89 m，額定流量188 m3/s。每臺機組在蝸殼進口布置1 臺雙密封蝶閥，蝶閥內徑5 780 mm，有上游管、蝶閥本體、伸縮節、下游管、液壓操作系統、技術取水閥、旁通管路及旁通閥、旁通管伸縮器、排氣閥、檢修閥、操作平臺等附件。蝶閥開啟采用油壓操作，額定操作油壓14 MPa，重錘關閉。

蝶閥基本參數：

蝶閥型號：PDF113-WY-578

公稱通徑：5 780 mm

公稱壓力：1.6 MPa

額定流量：188 m3/s

密封結構：雙密封（一道檢修密封及一道工作密封）

最大靜水頭：113.2 mH2O

開閥時間：90～150 s（ 可調）

關閥時間：60～120 s（可調）

介質溫度：1～65 ℃

適用介質：水

2 熱處理方案選擇

蝶閥上游管在焊后必然存在焊接殘余應力。焊接殘余應力是由于焊接引起焊件不均勻的溫度分布，焊縫金屬的熱脹冷縮等原因造成的，所以伴隨焊接施工必然會產生殘余應力。消除殘余應力的最通用的方法是高溫回火，即將焊件放在熱處理爐內加熱到一定溫度和保溫一定時間，利用材料在高溫下屈服極限的降低，使內應力高的地方產生塑性流動，彈性變形逐漸減少，塑性變形逐漸增加而使應力降低。焊后熱處理對金屬抗拉強度、蠕變極限的影響與熱處理的溫度和保溫時間有關。焊后熱處理對焊縫金屬沖擊韌性的影響隨鋼種不同而不同。由于津巴布韋這個非洲國家沒有專門的熱處理爐，因此只能在現場自行進行蝶閥上游管焊后熱處理。

2.1 上游管數據

上游法蘭：Φ6 720 mm（外徑）、Φ5 780 mm（內徑）、高480 mm、法蘭厚度180 mm、材質Q345R；

上游管Ⅱ：Φ5 780 mm（內徑）、壁厚60 mm、高度1 120 mm、材質Q345R。

2.2 熱處理要求

津卡南項目合同條款業主要求是以ASME 為準，因此本工程蝶閥上游管熱處理工藝遵循ASME中的幾項要求[1]：

（1）ASME Ⅷ《美國鍋爐及壓力容器規范 第一冊壓力容器建造規則》其中UW-40 焊后熱處理描述如下：

（a）焊后熱處理（PWHT）的操作應遵照C 分卷內有關篇中給定的要求，且按下列工藝之一執行。在下列工藝中，加熱帶定義為達到或超過在表UCS-56 所列的最低的PWHT 所要求的金屬體積值。作為最低要求，加熱帶應包括焊縫、熱影響區和與被熱處理焊縫相鄰的部分母材。該體積的最小寬度為在最寬焊縫的每一側或焊縫的每一端加上t或2 in.（50 mm），取較小值，t 為下面（f）定義的公稱厚度。

（b）用可能需要焊后熱處理的材料建造的容器，其采用的焊后熱處理溫度和加熱及冷卻速率應符合UCS-56、UHT-56、UNF-56 及UHA-32 所 規 定的要求。

（c）表UCS-56、UHT-56 及UHA-32 和UNF-56 所規定的焊后熱處理的最低溫度應是任何容器殼體或封頭板材熱處理的最低溫度。

……

（f）表UCS-56、UCS-56.1、UHA-32 及UHT-56 中的公稱厚度是下面所定義的焊接接頭厚度。對一次裝爐進行焊后熱處理的受壓容器或受壓容器零件，其公稱厚度是先前未經焊后熱處理的任一容器或容器零件中的最大焊縫厚度。

①當用全焊透對接焊的焊接接頭連接等厚度零件時，其公稱厚度等于除去允許的焊縫余高后的焊縫總深度。

……

（2）ASME Ⅷ《美國鍋爐及壓力容器規范 第一冊壓力容器建造規則》其中UCS-56 焊后熱處理要求中（d）描述如下：

表1 UCS—56 碳鋼和低合金鋼的焊后熱處理要求

（d）焊后熱處理操作應按UW-40 規定的程序之一進行，并符合下述要求：

①容器和零件進爐時，爐溫不得超過800℉（425℃）。

②800℉（425℃）以上時，加熱速率不得大于：400℉/h（222℃/h）除以殼體或封頭的最大金屬板厚（單位：in.），但決不能超過400℉/h（222℃/h）。升溫時間，被加熱容器的各個部分不應有較大的溫度差，在15 ft（4.6 m）長的范圍內的溫度差不得大于250℉（120℃）。

……

⑤溫度高于800℉（425℃）時，降溫應在封閉的爐內或冷卻室內進行。其冷卻速率不得大于500℉/h（280℃/h）除以殼體或封頭的最大金屬厚度（in.），但決不能大于500℉/h（280℃/h）。到800℉（425℃）時容器可以在靜止的空氣中冷卻。

……

注釋3：加熱和冷卻速度不得小于100℉/h（56℃）。然而，對封閉室和復雜的結構可能要考慮加熱和冷卻速度，以避免因過大的溫度梯度而損壞結構。

2.3 熱處理數據確定

蝶閥上游法蘭及上游管Ⅱ材質均為Q345R，壁 厚 為60 mm，對 應 的ASME 為P-No.1 組2。1 in.≈25.4 mm，則根據表UCS-56 保溫最低溫度選擇595℃，最少保溫時間為2+9.2/25.4×15/60=2.091 h。上游管Ⅱ壁厚換算成英寸為2+（60-50.8）/25.4=2.36 in.，最大加熱速率為222/2.36=94℃/h，最大降溫速率為280/2.36=118℃/h。

經與業主監理工程師商量確定現場熱處理的實際數值：保溫溫度為600℃，保溫時間為2.5 h，加熱速率56℃/h≤且≤94℃/h，降溫速率56℃/h≤且≤118℃/h，如表2 所示。

表2 實際熱處理要求取值

圖1 蝶閥上游管焊后熱處理曲線

3 蝶閥熱處理

3.1 施工前準備

清除上游管內外油漆，防止熱處理過程油漆暗燃產生黑煙，設置熱處理隔離區域，在區域內均勻布置4 個鋼支墩，鋼支墩上墊好石棉墊及石棉被，將蝶閥上游管吊至鋼支墩上，檢查所用履帶式加熱器。

3.2 加熱器布置

焊縫上下設置∟型支架將履帶式加熱器貼緊焊縫，固定在上游管焊縫處，焊縫內外側都布置加熱器。單塊加熱器尺寸為520 mm×120 mm，布置一圈所需加熱塊數量為（5 780 mm×π）/520 mm=35 塊。將石棉被繞鋼管，由外而內，沿圓周方向，將整個鋼管包裹起來。在外圓周方向均勻設置8 個測量位置，每個位置上下2 個溫度測量點（在石棉被上開個小洞，測量時移開石棉堵塊），如圖2 所示。

圖2 蝶閥上游管熱處理布置示意圖

3.3 電氣接線

在上游管焊縫上下沿圓周方向并排布置兩圈加熱器，每8 塊加熱器串聯成1 組，剩余6 塊各串聯成1 組，電源為380 V，每組對接1 個控制開關，共8+1=9 個，接入1 個電源控制柜，內外側相同，通過開斷內外開關來控制溫度。接入電源后，檢查每組加熱裝置運行情況。

3.4 熱處理過程控制

合上電源，進行試加熱15 min，檢查各個加熱塊運行狀態，無異常后對焊縫進行正式加熱，加熱速率56℃/h≤且≤94℃/h。保溫方式：待溫度升至600℃，保溫2.5 h。緩慢降至常溫，降溫速率56℃/h≤且≤118℃/h。整個熱處理過程，由2 名電氣人員用測溫槍，隨時監測焊縫溫度，并每15 min記錄1 次。保溫期間，控制焊縫溫差≤85℃。7 號機熱處理溫度控制過程如表3 所示。

4 結語

表3 7 號機蝶閥上游管焊后熱處理記錄表日期：2017.4.28

津巴布韋卡里巴南岸擴機工程7 號、8 號機蝶閥上游管經現場焊后熱處理后，母材、焊縫及熱影響區符合鋼管安裝標準的要求，現2 臺蝶閥已投產1年多，無任何質量問題。

綜上所述可知，對鋼管焊后制定合理的熱處理工藝是非常重要的，工藝的合理性是保證鋼材焊接時不產生裂紋及延遲裂紋，安裝出優質工程的前提條件。