倪曉紅

（中國能建安徽電力第二工程公司汽機(jī)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(fā)電機(jī)組參數(shù)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(shù)難題。由于整個焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)在焊縫，焊縫韌度比母材低很多，且由于施工單位現(xiàn)場熱處理采用柔性陶瓷電阻加熱設(shè)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(nèi)、外壁溫差隨之增大的現(xiàn)象；且P92鋼焊后熱處理溫度范圍比較窄(760℃±10℃)，焊接接頭的內(nèi)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(tài)；加上目前熱處理設(shè)備的測溫系統(tǒng)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(xiàn)場施工條件遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)室惡劣，散熱狀況較復(fù)雜，在理想工況下做出的焊接熱處理工藝評定與現(xiàn)場工況下的焊接熱處理有差別，為此在工藝評定的指導(dǎo)下，改進(jìn)熱處理工藝以適應(yīng)現(xiàn)場工況尤為重要。相關(guān)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(nèi)壁溫度控制在740℃，達(dá)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(nèi)、外壁的溫差嚴(yán)格控制在30℃以下以確保焊接接頭的質(zhì)量。

受現(xiàn)場資源條件的限制，對大口徑厚壁管安裝焊縫取樣進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊性能試驗(yàn)并不現(xiàn)實(shí)，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(bào)告編號：APCCPQR-140；鋼材牌號 SA335P92，規(guī)格 φ354 mm×53 mm，焊接位置6G）為其試驗(yàn)性能提供了保證。

現(xiàn)場工況下采用內(nèi)保溫電阻加熱法，經(jīng)熱處理工藝實(shí)驗(yàn)證明能夠有效降低內(nèi)、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(chǔ)上添加w(W)，適當(dāng)減少w(Mo)而開發(fā)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(qiáng)度，優(yōu)異的常溫沖擊韌度，優(yōu)良的抗氧化性，其焊接裂紋敏感性比傳統(tǒng)的鐵素體耐熱鋼低等性能優(yōu)點(diǎn)。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(xù)下降的傾向不明顯，沖擊功將穩(wěn)定在時效3000 h的水平。時效傾向發(fā)生在550℃～650℃內(nèi)，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(shí)踐證明，焊接工藝中過高的預(yù)熱溫度、層間溫度和過大的焊接線能量都會導(dǎo)致P92鋼焊接接頭韌度下降，導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)出現(xiàn)δ鐵素體而使蠕變斷裂強(qiáng)度惡化，必須嚴(yán)格控制。同時，改進(jìn)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(nèi)，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(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，熱處理溫度為770℃時，焊縫的沖擊功能達(dá)到大于41 J的指標(biāo)，740℃時必須延長恒溫時間，焊縫的沖擊功才能達(dá)到大于41 J的指標(biāo)，焊縫的熱處理溫度處在730℃時，焊接接頭的韌度指標(biāo)很低，其沖擊功達(dá)不到P92鋼焊接頭規(guī)定的41 J的指標(biāo)。由此做為理論支持，采用內(nèi)保溫電阻加熱法測得內(nèi)外壁溫差小于30℃，此時的管內(nèi)、外壁溫度在760℃±10℃范圍以內(nèi)，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(dá)到規(guī)定指標(biāo)。

2 內(nèi)保溫電阻加熱法試驗(yàn)過程工藝控制

2.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

銅陵電廠六期工程1000 MW超超臨界機(jī)組工程，主蒸汽管道材質(zhì)為SA335P92，規(guī)格φ544 mm×91 mm；熱處理設(shè)備：DWK-A型柔性陶瓷電阻加熱設(shè)備；K型Ⅱ級鎳鉻-鎳硅熱電偶；20號K型補(bǔ)償導(dǎo)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(bǔ)償導(dǎo)線及儀表進(jìn)行校驗(yàn)，以減小測溫誤差。內(nèi)保溫電阻加熱法熱處理示意如圖1所示。

圖1 內(nèi)保溫電阻加熱法熱處理示意

在焊縫兩側(cè)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(nèi)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(jié)束后，從管道開口端取出。封堵物邊緣應(yīng)柔軟，其外面用潔凈結(jié)實(shí)的耐火布包裹，成圓柱形，以免取出時劃傷管道。

2.2 加熱區(qū)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(fā)出的熱能以輻射的形式傳到工件的外表面，依靠金屬導(dǎo)熱，從外表面向內(nèi)部傳導(dǎo)。這種加熱方法存在徑向溫度梯度，為了使均溫區(qū)域內(nèi)的金屬在厚度方向達(dá)到所需的最低溫度，加熱區(qū)必須有一定的寬度，加熱寬度根據(jù)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(jì)算每側(cè)大于等于管子壁厚的4倍。從焊縫中心算起，每側(cè)保溫寬度應(yīng)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(guī)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?zé)犭娕紤?yīng)沿焊縫中心線布置，在12點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)控溫區(qū)內(nèi)、外壁各布置一個測溫點(diǎn)。在距焊縫50 mm、90 mm處各布置一個監(jiān)測熱電偶 (見圖2)，以保證均溫區(qū)溫度均勻，且內(nèi)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(diǎn)：根據(jù)Shifrinr的研究結(jié)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(nèi)表焊縫根部的溫度相等。

2.4 補(bǔ)償導(dǎo)線選擇

選用的補(bǔ)償導(dǎo)線必須與熱電偶絲相匹配，為帶屏蔽層的精密級補(bǔ)償導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線的布置應(yīng)遠(yuǎn)離供電線路，以避免產(chǎn)生干擾。同時應(yīng)盡可能將其布置在溫度較低的環(huán)境。

補(bǔ)償導(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)的Thermanit MTS焊材。

(2)焊材型號及規(guī)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(hù)。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(yù)熱溫度：GTAW 100℃～150℃；SMAW 200℃～250℃；每側(cè)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?？紤]到采用柔性陶瓷電阻加熱產(chǎn)生內(nèi)外壁溫差，熱處理實(shí)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(nèi)、外壁溫差數(shù)據(jù)分析

由于對流的存在，必然導(dǎo)致管子12點(diǎn)位置的溫度比6點(diǎn)位置特別是內(nèi)壁的溫度更高，且施工現(xiàn)場焊后熱處理工件的散熱狀況較復(fù)雜，在熱處理升溫過程中，內(nèi)、外壁溫差逐漸加大，當(dāng)外壁溫度達(dá)到750℃時，內(nèi)、外壁溫差最高達(dá)到74℃，造成部分內(nèi)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(qū)的周向分存數(shù)量。

b.在6點(diǎn)位置增加額外的保溫。

c.控制12點(diǎn)的溫度在許可溫度范圍的高側(cè)。

(2)垂直布置管道。

a.加熱帶的中心向下側(cè)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(nèi)、外壁溫差數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，采用內(nèi)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(nèi)壁溫度呈不均勻狀態(tài)。在恒溫后期，焊縫內(nèi)、外壁溫差小于30℃，內(nèi)壁溫度基本控制在740℃，達(dá)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(biāo)，為焊縫時效前的韌度留有一定余量。

表1 恒溫后期內(nèi)、外壁溫差℃

3 熱處理后質(zhì)量檢驗(yàn)

3.1 硬度檢驗(yàn)

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

采用內(nèi)保溫電阻加熱法經(jīng)過770℃×10 h熱處理工藝后，SA335P92管材規(guī)格φ544 mm×91 mm焊接接頭的硬度檢驗(yàn)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(yàn)

依據(jù)《火電廠金相檢驗(yàn)與評定技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T884-2004）進(jìn)行金相檢驗(yàn)。

經(jīng)宏觀檢驗(yàn)，焊縫及熱影響區(qū)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(qū)、母材的微觀金相檢驗(yàn)照片如圖4所示。

經(jīng)對焊縫、熱影響區(qū)、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(qū)和母材均為馬氏體組織，組織合格。

4 結(jié)論

圖4 金相照片

(1)現(xiàn)場工況下嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝評定，SA335P92大口徑厚壁管采用內(nèi)保溫電阻加熱法有效保證內(nèi)壁溫度達(dá)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(nèi)、外壁的溫差可能導(dǎo)致焊縫韌度下降采取的適當(dāng)延長熱處理恒溫時間的措施是正確的。

(3)用內(nèi)保溫電阻加熱法進(jìn)行焊后熱處理在現(xiàn)場工況下，是可行的、經(jīng)濟(jì)的。只要嚴(yán)格執(zhí)行焊接熱處理工藝規(guī)范，就能獲得符合P92鋼要求的硬度值和金相組織。