中頻感應(yīng)熱處理工藝參數(shù)對P91鋼厚壁管焊縫沖擊韌性的影響

王立玉，張 鵬

（中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力建設(shè)第一工程有限公司，江蘇 南京 210001）

P91鋼廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠的高溫高壓蒸汽管道，P91鋼厚壁管焊接完成后需要進(jìn)行高溫回火處理。中頻感應(yīng)加熱方法以其加熱均勻、內(nèi)外壁溫差小、加熱效率高的特點(diǎn)，在厚壁管焊后高溫回火上有取代陶瓷電阻加熱或遠(yuǎn)紅外輻射加熱之勢。恒溫溫度和恒溫時長是高溫回火熱處理的兩個最重要的工藝參數(shù)，從目前各施工單位在火力發(fā)電廠建設(shè)和檢修工作中的中頻感應(yīng)熱處理應(yīng)用情況看，恒溫溫度和恒溫時長的選擇上不盡相同，恒溫時長一般在2～4min/mm（按壁厚計(jì)），主要是依據(jù)各單位的焊接工藝評定和中頻感應(yīng)熱處理設(shè)備廠家的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

目前施工單位大多數(shù)只是根據(jù)單一熱處理工藝參數(shù)的焊接工藝評定來制定不同規(guī)格的焊件熱處理工藝，雖然所依據(jù)的工藝評定各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)都是合格的，但是在實(shí)際施工中，熱處理后只進(jìn)行無損探傷、硬度試驗(yàn)和金相檢驗(yàn)，力學(xué)性能無法進(jìn)行試驗(yàn)，而P91這種細(xì)晶強(qiáng)韌型馬氏體耐熱鋼的焊縫沖擊韌性遠(yuǎn)低于母材值[1]，且受熱處理工藝影響較大，是焊接工藝評定各項(xiàng)指標(biāo)中最容易產(chǎn)生不合格的項(xiàng)目。因此，有必要研究改變中頻感應(yīng)熱處理工藝參數(shù)對P91厚壁管焊縫沖擊韌性的影響，以尋求找到更為合適的熱處理工藝參數(shù)指導(dǎo)施工實(shí)踐。

1 試件制作

1.1 試件鋼材及焊材

因?yàn)槲覀冎饕芯康氖菬崽幚砉に噮?shù)對P91焊縫沖擊韌性的影響，考慮到必要性和經(jīng)濟(jì)性，在做對比試驗(yàn)時，選用大口徑厚壁碳鋼管（Ф610×50、20G）作為試件母材，加工坡口后選用與P91匹配的焊接材料（焊絲CrMo91、焊條CROMOCORD 9M）進(jìn)行焊接，制作四個試件（試件編號分別為A、B、C、D）。

1.2 試件焊接工藝

采用氬弧焊（GTAW）打底，焊條電弧焊（SMAW）填充和蓋面方法。水平固定（2G）,目的是盡可能使每一道焊縫的焊接線能量在整圈上均勻一致，給后續(xù)對比試驗(yàn)提供相同前提條件。

四個試件焊接采用相同的工藝參數(shù)，焊接電流、電弧電壓、焊接速度等范圍見表1。焊槍氬氣(99.99%)流量8～12L/min，背面保護(hù)氬氣流量15～20L/min。單面焊雙面成形，層間機(jī)械打磨清理，連弧、擺動焊，每根焊條所焊接的焊道長度與該焊條的熔化長度之比大于50%，焊層厚度不大于焊條直徑，焊道寬度不大于4倍焊條直徑[2]。

焊前預(yù)熱溫度150℃，層間溫度150～250℃，采用履帶式陶瓷電阻加熱。每個試件焊接完成后，立即進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，即試件溫度降至100℃時保溫1.5小時。隨后進(jìn)行350℃恒溫2小時的后熱處理。采用履帶式陶瓷電阻加熱。

2 熱處理工藝試驗(yàn)

2.1 熱處理試件位置

考慮到管子水平固定時不同位置會有一定溫差，可能會得到更多溫度與時間的組合樣本，所以焊后高溫回火熱處理時把四組管子試件全部水平固定，標(biāo)記好鐘點(diǎn)位置。

2.2 熱處理恒溫溫度及恒溫時間

四組試件設(shè)定四種不同的恒溫溫度與恒溫時間的組合，具體參數(shù)見表2。

表2 熱處理恒溫溫度及恒溫時間

2.3 熱處理其它工藝參數(shù)

升溫速度與降溫速度≤120℃/h，加熱寬度350mm，保溫寬度600mm，保溫棉厚度50mm，感應(yīng)線圈匝間距10mm。

2.4 熱電偶布置

每組試件布置3支熱電偶，1支布置在管子外側(cè)12點(diǎn)焊縫中心位置，作為控溫?zé)犭娕迹涣硗?支為監(jiān)測熱電偶，分別布置在管子外側(cè)3點(diǎn)和6點(diǎn)焊縫中心位置。熱電偶布置示意如圖1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖1 熱處理綁扎及熱電偶布置示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 熱處理溫度記錄

四組試件恒溫狀態(tài)時不同位置的熱電偶測的溫度見表3。從表中可以看出，四組試件的6點(diǎn)鐘位置與12點(diǎn)鐘位置溫度相差幾乎一致，約8～10℃，因此可以取試件B的6點(diǎn)鐘位置（740℃、恒溫3min/mm）參與對比試驗(yàn)。

表3 熱處理溫度記錄

3.2 外觀檢查與UT檢驗(yàn)

對四組試件焊縫做外觀檢查與UT檢驗(yàn)，外觀未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、夾渣、弧坑、氣孔、深超過0.5mm的咬邊等缺陷，UT檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有超標(biāo)缺陷。

3.3 硬度檢驗(yàn)

采用便攜式里氏硬度計(jì)對四組試件焊縫的12點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)位置分別進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，硬度檢驗(yàn)記錄見表4。從檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，四組試件焊縫沿圓周方向硬度不均勻，12點(diǎn)位置硬度最低，6點(diǎn)位置硬度最高，但所有硬度值都在DL/T438《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》規(guī)定的合格范圍內(nèi)（HBW185-HBW270）[3]。

表4 焊縫硬度檢驗(yàn)記錄

3.4 微觀金相檢驗(yàn)

在四組試件中取5個試樣做微觀金相檢驗(yàn)，取樣部位為四組試件的12點(diǎn)位置和試件B的6點(diǎn)位置，從焊縫上層中心位置取樣。5個試樣顯微組織均為回火馬氏體，鐵素體含量極低，未發(fā)現(xiàn)異常組織和其它缺陷。

3.5 常溫沖擊試驗(yàn)

在四組試件中取5組試樣做夏比V型常溫沖擊試驗(yàn)，取樣部位為四組試件的12點(diǎn)區(qū)域和試件B的6點(diǎn)區(qū)域，從焊縫上層中心位置取樣。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

從試驗(yàn)結(jié)果看，試件A12點(diǎn)區(qū)域（750℃恒溫2.5min/mm）和試件B 6點(diǎn)區(qū)域（740℃恒溫3min/mm）的焊縫試樣沖擊功均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（＞41J）。試件B 12點(diǎn)區(qū)域（750℃恒溫3min/mm）的焊縫試樣沖擊功勉強(qiáng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。試件C 12點(diǎn)區(qū)域（750℃恒溫3.5min/mm）和試件D 12點(diǎn)區(qū)域（760℃恒溫3min/mm）的焊縫試樣沖擊功均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但試件D的沖擊值要比試件C的沖擊值高出約50%。

4 結(jié)論

采用中頻加熱740℃恒溫3min/mm、750℃恒溫2.5min/mm、750℃恒溫3min/mm、750℃恒溫3.5min/mm和760℃恒溫3min/mm四種工藝參數(shù)對P91焊縫進(jìn)行高溫回火處理，焊縫硬度和金相組織均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但740℃恒溫3min/mm和750℃恒溫2.5min/mm兩種工藝的焊縫沖擊性能不合格，750℃恒溫3min/mm工藝的焊縫沖擊性能基本合格，750℃恒溫3.5min/mm和760℃恒溫3min/mm兩種工藝的焊縫沖擊性能合格且后者更好。