P92大径厚壁管采用内保温电阻加热热处理工艺分析

倪晓红

（中国能建安徽电力第二工程公司汽机安装公司，安徽 合肥 232007）

0 前言

铜陵电厂六期工程1000 MW超超临界燃煤发电机组参数为28.25 MPa/610℃/608℃，再热热段及主蒸汽等高温部件均采用了新型耐热钢SA335P92钢。大口径厚壁新型耐热钢的使用给施工单位带来了技术难题。由于整个焊接接头的薄弱环节在焊缝，焊缝韧度比母材低很多，且由于施工单位现场热处理采用柔性陶瓷电阻加热设备（配备微电脑控温装置），在焊后热处理过程中随着壁厚的增大会造成内、外壁温差随之增大的现象；且P92钢焊后热处理温度范围比较窄(760℃±10℃)，焊接接头的内壁局部焊缝热处理温度低于热处理温度下限，从而使整个焊接接头的性能都处于不均匀状态；加上目前热处理设备的测温系统存在着不同程度的测量误差，且热电偶采用绑扎的固定位置形式，这些都影响热处理过程的精确性，并直接影响焊接接头的韧度。

由于现场施工条件远比实验室恶劣，散热状况较复杂，在理想工况下做出的焊接热处理工艺评定与现场工况下的焊接热处理有差别，为此在工艺评定的指导下，改进热处理工艺以适应现场工况尤为重要。相关资料显示，焊后热处理温度在760℃±10℃时P92钢焊接接头焊后热处理才能获得良好的综合性能，要求管子内壁温度控制在740℃，达到SA335P92钢要求的高温回火温度的下限。为此，要求在大口径厚壁管电阻加热作用下，内、外壁的温差严格控制在30℃以下以确保焊接接头的质量。

受现场资源条件的限制，对大口径厚壁管安装焊缝取样进行拉伸、弯曲、冲击性能试验并不现实，在焊接材料和焊接工艺确定后，冲击功取决于焊后热处理。中国能建安徽电力第二工程公司焊培中心编制的《焊接工艺评定》（评定报告编号：APCCPQR-140；钢材牌号 SA335P92，规格 φ354 mm×53 mm，焊接位置6G）为其试验性能提供了保证。

现场工况下采用内保温电阻加热法，经热处理工艺实验证明能够有效降低内、外壁温差，确保P92钢焊后热处理过程中整个焊接接头性能的均匀性，保证焊缝根部的冲击韧性。

1 P92钢性能分析

SA335P92钢是在P91钢的基础上添加w(W)，适当减少w(Mo)而开发出来的新型钢种。P92钢具有良好的物理性能，比P91钢更高的高温蠕变断裂强度，优异的常温冲击韧度，优良的抗氧化性，其焊接裂纹敏感性比传统的铁素体耐热钢低等性能优点。但P92钢时效倾向明显，在3000 h时效后，其韧性下降明显，其冲击功从时效前的220 J降低到70 J。在3000 h以后，冲击功继续下降的倾向不明显，冲击功将稳定在时效3000 h的水平。时效倾向发生在550℃～650℃内，这个温度范围正是该钢的工作温度范围，母材具有明显的时效倾向，与母材成分相近的焊缝也有同样的倾向。提高焊缝金属时效前的原始韧度，为时效留出足够的余量，是解决焊缝金属时效后韧度不足的有效途径。

实践证明，焊接工艺中过高的预热温度、层间温度和过大的焊接线能量都会导致P92钢焊接接头韧度下降，导致焊缝和热影响区出现δ铁素体而使蠕变断裂强度恶化，必须严格控制。同时，改进热处理工艺和精确控制热处理温度将直接影响P92钢焊接接头的韧度性能。

同时热处理温度对P92钢焊接接头的冲击韧度影响很大。在临界温度AC1以下，提高焊后回火温度或延长回火时间有利于马氏体尽可能充分回火，提高焊缝韧度，受焊缝金属AC1的限制，推荐焊后热处理温度为760℃±10℃，在这一温度范围内，P92钢焊接接头焊后热处理才能获得良好的综合性能，特别是焊缝的冲击韧度。根据相关研究发现，热处理温度为770℃时，焊缝的冲击功能达到大于41 J的指标，740℃时必须延长恒温时间，焊缝的冲击功才能达到大于41 J的指标，焊缝的热处理温度处在730℃时，焊接接头的韧度指标很低，其冲击功达不到P92钢焊接头规定的41 J的指标。由此做为理论支持，采用内保温电阻加热法测得内外壁温差小于30℃，此时的管内、外壁温度在760℃±10℃范围以内，热处理时加上合理的恒温时间，可确保整个焊接接头的焊缝韧度达到规定指标。

2 内保温电阻加热法试验过程工艺控制

2.1 试验材料和设备

铜陵电厂六期工程1000 MW超超临界机组工程，主蒸汽管道材质为SA335P92，规格φ544 mm×91 mm；热处理设备：DWK-A型柔性陶瓷电阻加热设备；K型Ⅱ级镍铬-镍硅热电偶；20号K型补偿导线；柔性陶瓷电阻加热器；硅酸铝保温棉等；为确保热处理时温度的精确性，施工前必须对热电偶、补偿导线及仪表进行校验，以减小测温误差。内保温电阻加热法热处理示意如图1所示。

图1 内保温电阻加热法热处理示意

在焊缝两侧约800 mm的位置封堵，中间形成1600 mm长的隔离气室，可减小管内空气流动时的热量损耗，减缓热量沿管道轴向和径向的散热。隔离气室的封堵物用黑铁皮加保温棉制成，用φ10mm钢丝绳系牢，尺寸略大于管道外径。热处理结束后，从管道开口端取出。封堵物边缘应柔软，其外面用洁净结实的耐火布包裹，成圆柱形，以免取出时划伤管道。

2.2 加热区和保温宽度的确定

柔性陶瓷电阻加热法是辐射加热。其加热原理是从加热器发出的热能以辐射的形式传到工件的外表面，依靠金属导热，从外表面向内部传导。这种加热方法存在径向温度梯度，为了使均温区域内的金属在厚度方向达到所需的最低温度，加热区必须有一定的宽度，加热宽度根据外径D和壁厚δ的比值来选取(D/δ≤7.5)，加热宽度从焊缝中心计算每侧大于等于管子壁厚的4倍。从焊缝中心算起，每侧保温宽度应比加热宽度增加至少2倍壁厚，且不少于150 mm，以减小温度梯度。

规格φ544 mm×91 mm的P92管子采用电阻法加热时，加热宽度大于等于800 mm，保温宽度大于等于1200 mm，保温厚度100 mm。

2.3 热电偶的布置和安装

控温热电偶应沿焊缝中心线布置，在12点、3点、6点控温区内、外壁各布置一个测温点。在距焊缝50 mm、90 mm处各布置一个监测热电偶 (见图2)，以保证均温区温度均匀，且内壁温度能够满足最低要求。

图2 热电偶布置示意

90 mm处的热电偶为等效测温点：根据Shifrinr的研究结果，只要加热带的宽度在5倍壁厚以上，外表面距焊缝中心线的轴向距离为t（t为壁厚）的位置大致与内表焊缝根部的温度相等。

2.4 补偿导线选择

选用的补偿导线必须与热电偶丝相匹配，为带屏蔽层的精密级补偿导线。补偿导线的布置应远离供电线路，以避免产生干扰。同时应尽可能将其布置在温度较低的环境。

补偿导线与热电偶线连接时必须保证极性正确。并且采用接线座连接，不得将两根导线直接拧接在一起。

2.5 焊接和热处理工艺

(1)焊接方法：GTAW/SMAW。焊接材料选用德国蒂森公司生产的Thermanit MTS焊材。

(2)焊材型号及规格：焊丝MTS616/φ2.4 mm、焊条MTS/φ2.5 mm、φ3.2 mm；为防止根部氧化，打底层和第二层采用GTAW焊接法，背面充氩保护。SMAW采用多层多道焊接，每道焊缝的增厚控制在小于等于2.5 mm。

(3)预热温度：GTAW 100℃～150℃；SMAW 200℃～250℃；每侧加热宽度至少大于等于焊件厚度4倍。

(4)层间温度：200℃～250℃，尽量控制在下限；焊接后需冷至80℃～100℃，恒温2h。

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

(6)降温速度：300℃以上小于等于70℃/h；300℃以下自然缓冷。

(7)热处理温度760℃±10℃。

(8)恒温时间9 h。考虑到采用柔性陶瓷电阻加热产生内外壁温差，热处理实际恒温时间定为10 h，以确保焊缝的韧度。

热处理曲线如图3所示。

图3 热处理曲线

2.6 热处理恒温期内、外壁温差数据分析

由于对流的存在，必然导致管子12点位置的温度比6点位置特别是内壁的温度更高，且施工现场焊后热处理工件的散热状况较复杂，在热处理升温过程中，内、外壁温差逐渐加大，当外壁温度达到750℃时，内、外壁温差最高达到74℃，造成部分内壁位置回火不充分，通过以下措施减小了这种温度的不均匀性。

(1)水平布置管道。

a.增加加热带控制区的周向分存数量。

b.在6点位置增加额外的保温。

c.控制12点的温度在许可温度范围的高侧。

(2)垂直布置管道。

a.加热带的中心向下侧偏移以平衡热流，如加热带的60%布置在焊缝的下部。

b.保温向焊缝下部偏移。

恒温后期内、外壁温差数据如表1所示。

由表1可知，采用内保温电阻加热法，焊缝同一截面周向外壁温度基本相同，温度呈均匀分布；径向方向，内壁温度呈不均匀状态。在恒温后期，焊缝内、外壁温差小于30℃，内壁温度基本控制在740℃，达到SA335P92钢要求的高温回火温度的下限，能有效确保焊缝的韧度指标，为焊缝时效前的韧度留有一定余量。

表1 恒温后期内、外壁温差℃

3 热处理后质量检验

3.1 硬度检验

依据《金属布氏硬度试验 第Ⅰ部分 试验方法》（GB/T231.1-2002）进行硬度检验。硬度值是金属材料强度、塑性、韧性等力学性能的综合指标，是衡量焊后热处理是否充分的重要监督指标。热处理工艺导则要求的焊缝硬度值230～250 HB。

采用内保温电阻加热法经过770℃×10 h热处理工艺后，SA335P92管材规格φ544 mm×91 mm焊接接头的硬度检验值如表2所示。

由表2可知，焊缝硬度值符合要求，合格。

3.2 金相检验

依据《火电厂金相检验与评定技术导则》（DL/T884-2004）进行金相检验。

经宏观检验，焊缝及热影响区周围不存在裂纹、未焊透、未熔合、气孔和夹渣等缺陷，焊缝完好。近表面的焊缝、热影响区、母材的微观金相检验照片如图4所示。

经对焊缝、热影响区、母材的微观分析得出，焊缝组织为回火马氏体组织，板条特征明显，马氏体板条清晰完整，组织合格；热影响区和母材均为马氏体组织，组织合格。

4 结论

图4 金相照片

(1)现场工况下严格执行焊接工艺评定，SA335P92大口径厚壁管采用内保温电阻加热法有效保证内壁温度达到740℃，满足P92钢热处理的目的，保证焊缝的冲击功大于41 J。

(2)对厚壁管热处理过程中，由于内、外壁的温差可能导致焊缝韧度下降采取的适当延长热处理恒温时间的措施是正确的。

(3)用内保温电阻加热法进行焊后热处理在现场工况下，是可行的、经济的。只要严格执行焊接热处理工艺规范，就能获得符合P92钢要求的硬度值和金相组织。