費(fèi) 愚 倪繼志

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

在焊接過(guò)程中，由于加熱和冷卻的不均勻性，以及構(gòu)件本身產(chǎn)生拘束或外加拘束，在焊接工作結(jié)束后，在構(gòu)件中總會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力在構(gòu)件中的存在，會(huì)降低焊接接頭區(qū)的實(shí)際承載能力，產(chǎn)生塑性變形，嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的破壞。焊后熱處理（PWHT）是指焊后為改善焊接接頭的組織和性能或消除焊接結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力而進(jìn)行的熱處理。本文涉及到的生產(chǎn)項(xiàng)目就是局部高溫回火方式的消除焊接應(yīng)力熱處理。

1 焊后熱處理作用與機(jī)制

1.1 焊后熱處理的目的

焊后熱處理的目的有三個(gè)：消氫、消除焊接應(yīng)力、改善焊縫組織和綜合性能。焊后消氫熱處理，是指在焊接完成以后，焊縫尚未冷卻至100℃以下時(shí)進(jìn)行的低溫?zé)崽幚?。一般?guī)范為加熱至200～350℃，保溫2-6 小時(shí)。焊后消氫處理的主要作用是加快焊縫及熱影響區(qū)中氫的逸出，對(duì)于防止低合金鋼焊接時(shí)產(chǎn)生焊接裂紋的效果極為顯著。

消除焊接應(yīng)力熱處理是使焊好的工件在高溫狀態(tài)下，其屈服強(qiáng)度下降，來(lái)達(dá)到松弛焊接應(yīng)力的目的。常用的方法有兩種：一是整體高溫回火，即把焊件整體放入加熱爐內(nèi)，緩慢加熱到一定溫度，然后保溫一段時(shí)間，最后在空氣中或爐內(nèi)冷卻。用這種方法可以消除80%-90%的焊接應(yīng)力。另一種方法是局部高溫回火，即只對(duì)焊縫及其附近區(qū)域進(jìn)行加熱，然后緩慢冷卻，降低焊接應(yīng)力的峰值，使應(yīng)力分布比較平緩，起到部分消除焊接應(yīng)力的目的。

有些合金鋼材料在焊接以后，其焊接接頭會(huì)出現(xiàn)淬硬組織，使材料的機(jī)械性能變壞。此外，這種淬硬組織在焊接應(yīng)力及氫的作用下，可能導(dǎo)致接頭的破壞。如果經(jīng)過(guò)熱處理以后，焊縫的金相組織得到改善，提高了焊縫的塑性、韌性，從而改善了焊接接頭的綜合機(jī)械性能。

1.2 熱處理設(shè)備

熱處理可以采用電阻加熱或感應(yīng)加熱局部熱處理方法。熱電偶必須是K 型（鉻鎳- 鋁鎳）或J 型（鐵- 康），所有的熱電偶必須擁有滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的證書(shū)。在熱處理之前，熱處理設(shè)備必須完好的保養(yǎng)和校準(zhǔn)。熱電偶必須校準(zhǔn)確保在有效期內(nèi)。所有焊后熱處理設(shè)施的有效校準(zhǔn)證書(shū)必須經(jīng)過(guò)業(yè)主和第三方的檢查批準(zhǔn)。

1.3 焊件的熱處理

根據(jù)業(yè)主的項(xiàng)目規(guī)格書(shū)中規(guī)定，所有壁厚超過(guò)19.05mm 的碳鋼壓力管線或碳鋼復(fù)合管的對(duì)接焊縫，均必須進(jìn)行焊后熱處理。對(duì)于碳鋼壓力管線的支管連接，在任意垂直于支接焊縫的平面內(nèi)，如果貫穿焊縫的厚度大于38.1mm，則必須進(jìn)行焊后熱處理。焊后熱處理必須在焊接完成之后盡快進(jìn)行。在進(jìn)行熱處理之前需要檢查被熱處理的部件，保證部件膨脹或擠壓時(shí)可自由移動(dòng)。同時(shí)應(yīng)充分支撐保護(hù)部件，防止部件由于重力而凹陷、變形。最終熱處理之后應(yīng)避免進(jìn)行焊接。如果熱處理后還需要進(jìn)行焊接，必須經(jīng)由業(yè)主及第三方的批準(zhǔn)后方可實(shí)施。

1.4 熱處理時(shí)的支撐布置

對(duì)于需要熱處理的管子，必須在熱處理開(kāi)始之前在管子下方放置支撐以防止撓曲變形。支撐的形式任意，但材質(zhì)必須是鋼，木頭等其他可燃固體不允許用作支撐。焊縫每側(cè)至少放置一個(gè)支撐，支撐應(yīng)緊靠隔熱毯邊緣，放置在沒(méi)有包裹隔熱毯的區(qū)域。如擔(dān)心管子變形，可在兩側(cè)支撐之間增加支撐的數(shù)量。

2 熱處理實(shí)際操作

2.1 熱處理要求

如熱處理前法蘭有法蘭蓋保護(hù)，熱處理之后法蘭的保護(hù)措施應(yīng)當(dāng)恢復(fù)。螺栓連接材料及電鍍的或鍍鋅的部件不允許進(jìn)行焊后熱處理。當(dāng)采用局部熱處理時(shí)，最小加熱區(qū)域?yàn)楹缚p兩側(cè)起25mm 或3 倍焊縫厚度，取最大值。加熱片的最大環(huán)向間隙不能超過(guò)30mm，最大縱向間隙不能超過(guò)50mm。加熱片不能重疊。熱處理工件應(yīng)包裹隔熱毯，以確保在加熱帶之外的溫度場(chǎng)處于逐漸遞減狀態(tài)。石棉不能用作隔熱材料。加熱器件兩端起至少300mm 范圍內(nèi)，應(yīng)包裹至少2 層隔熱毯。工件溫度低于150℃之前，不允許去除保溫材料。如需要，管線兩頭應(yīng)使用防火棉封蓋以避免熱處理過(guò)程中管內(nèi)空氣流通循環(huán)。

2.2 熱處理操作

工件/部件的溫度在315℃以下時(shí)，可以自由加熱。大于315℃時(shí)，加熱速率不能超過(guò)℃/小時(shí)，且最大不超過(guò)200℃/小時(shí)。冷卻速率不能超過(guò)℃/小時(shí)，且最大不超過(guò)260℃/小時(shí)。（δ為最大母材控制壁厚，mm）。常規(guī)厚度的部件應(yīng)當(dāng)根據(jù)厚度按2.4min/mm 在600-610℃下進(jìn)行保溫，小壁厚的管子保溫時(shí)間也不得少于1 小時(shí)。

對(duì)于感應(yīng)加熱，熱電偶應(yīng)通過(guò)電容器放電連接，并且熱電偶導(dǎo)線間距不能超過(guò)6mm。對(duì)于電阻加熱，應(yīng)使用鎧裝熱電偶，保證鎧裝熱電偶外殼與加熱表面接觸，同時(shí)應(yīng)采取方法將熱電偶固定（可采用鐵絲綁定）。熱處理完成之后所有熱電偶必須清除。僅對(duì)于電容放電連接的區(qū)域，應(yīng)打磨平滑至完好金屬，并對(duì)打磨區(qū)域進(jìn)行MPI 或DPI 檢測(cè)以確認(rèn)是否存在裂紋。

熱電偶應(yīng)放于距焊縫邊緣25mm 處。對(duì)于不等厚接頭，熱電偶應(yīng)布置在壁厚較大的一側(cè)，例如較大壁厚的法蘭、管件上等。對(duì)于局部熱處理的管線，熱電偶的數(shù)量和位置要求如下：

a.管徑D ≤168.3mm 時(shí)，在6 點(diǎn)和12 點(diǎn)位置各放置一個(gè)熱電偶；

b.管徑D＞168.3mm 時(shí)，在4 點(diǎn)、8 點(diǎn)及12 點(diǎn)位置各放置一個(gè)熱電偶。

熱處理作業(yè)完成后，應(yīng)打印出完整的熱處理時(shí)間- 溫度曲線圖。同時(shí)相關(guān)信息應(yīng)在曲線圖中標(biāo)明，這些信息至少應(yīng)包括熱處理曲線編號(hào)、管線三維圖編號(hào)及版次、焊口號(hào)、熱處理開(kāi)始時(shí)間、熱處理結(jié)束時(shí)間。在熱處理作業(yè)開(kāi)始前，熱敏紙下方需由第三方及業(yè)主簽字確認(rèn)后才可開(kāi)始作業(yè)，熱處理結(jié)束后需對(duì)溫度曲線進(jìn)標(biāo)記，確定其對(duì)應(yīng)熱電偶的測(cè)溫位置，圖1 是樣例熱處理曲線圖。

如果在熱處理操作過(guò)程中，發(fā)生斷電的緊急情況，升溫及降溫階段斷電不超過(guò)五分鐘可繼續(xù)作業(yè)，結(jié)束后需對(duì)該短時(shí)間進(jìn)行標(biāo)注并由業(yè)主簽字確認(rèn)，如多斷電發(fā)生在保溫階段，此次熱處理作業(yè)作廢，需提交二次熱處理程序方案給業(yè)主審批，審批通過(guò)后方可再次進(jìn)行熱處理作業(yè)，如果二次熱處理作業(yè)再次發(fā)生斷電情況，此處接頭作廢，需被切割掉并更換新管段。

圖1 焊后熱處理曲線

3 熱處理后的檢驗(yàn)

檢驗(yàn)工程師應(yīng)查看所有與與熱處理相關(guān)的記錄及核實(shí)熱處理是否按照WPS 和熱處理程序的規(guī)定執(zhí)行。對(duì)于酸性服役、濕硫化氫氛圍、異常酸性服役管線、深冷管線等必須進(jìn)行硬度測(cè)試。硬度測(cè)試要求參照管線建造焊接檢驗(yàn)測(cè)試以及安裝規(guī)格書(shū)。硬度測(cè)試之前，應(yīng)采用鋼絲刷或砂輪片去除測(cè)試表面的鐵銹、油污等可能影響測(cè)試結(jié)果的異物。

最終的NDT 檢驗(yàn)和壓力試驗(yàn)應(yīng)在焊后熱處理后進(jìn)行。可在最終熱處理之前進(jìn)行一次NDT 檢查，以確保在熱處理之前不存在缺陷。最終熱處理完成后不允許進(jìn)行焊接。

4 結(jié)論

為使管件的焊接接頭具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理使用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝是必不可少的。合理的選用加熱設(shè)備和方法，并且控制好溫度的變化及保溫時(shí)間是熱處理質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素，我們一定要在實(shí)際工作當(dāng)中掌握好每一道工序才能保證工件的質(zhì)量。