1000MW鍋爐高過(guò)集箱P92大徑管焊接與“雙加”熱處理

呂恒 徐桂沖 鄧同喜

1. 概述

華電國(guó)際萊州發(fā)電有限公司一期工程2×1 000MW機(jī)組鍋爐，采用東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司設(shè)計(jì)、制造的超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。高過(guò)集箱材料為SA335—P92、規(guī)格為φ711.2mm×143mm，屬于超大徑、超厚壁的合金鋼大徑管道。

2. P92鋼的焊接性

SA335—P92鋼是在P91鋼的基礎(chǔ)上，通過(guò)超純度冶煉、控軋技術(shù)和微合金化工藝改進(jìn)的一種細(xì)晶強(qiáng)韌化熱強(qiáng)鋼。由于P92鋼（新型馬氏體耐熱鋼）強(qiáng)度高，高溫抗氧化性和抗腐蝕性能力強(qiáng)，塑韌性好，裂紋敏感性低，所以在電站設(shè)備制造業(yè)中得以推廣應(yīng)用。

此鋼C、S和P元素的含量低、純凈度高，具有晶粒細(xì)、韌性高的優(yōu)點(diǎn)，焊接冷裂紋傾向大大降低。但P92鋼作為馬氏體耐熱鋼，且通常作為主蒸汽管道和高過(guò)聯(lián)箱，其管壁超厚，焊接殘余應(yīng)力很大；若焊接熱循環(huán)條件下冷卻速度控制不當(dāng)，將導(dǎo)致形成淬硬的馬氏體組織；焊接接頭剛度過(guò)大或氫含量控制欠佳，有可能產(chǎn)生冷裂紋；總之P92鋼仍具有一定焊接接頭脆化和冷裂紋傾向；而熱裂紋與再熱裂紋傾向很低。P92耐熱鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 P92耐熱鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3. P92鋼焊接與熱處理工藝特點(diǎn)

P92鋼屬于低碳馬氏體耐熱鋼，其焊接工藝特點(diǎn)：

（1）對(duì)層間溫度的控制要求比較高 為了獲得滿(mǎn)意的沖擊韌性，推薦層間溫度＜250℃。由于P92鋼的導(dǎo)熱系數(shù)比較小，大口徑管道的焊接熱量比較集中，層間溫度比較高。如果不采取措施，層間溫度可以達(dá)到300～350℃或以上，沖擊韌性將會(huì)大大降低。

（2）對(duì)焊接熱輸入的控制要求比較高 焊接熱輸入對(duì)焊接接頭的沖擊韌性有較大的影響，焊接熱輸入越大，焊接接頭的沖擊韌性越低。必須采用較小的熱輸入，如采用小直徑焊條，較小的焊接電流，較快的焊接速度和較低的層間溫度。

（3）焊后必須冷卻到馬氏體終止轉(zhuǎn)變溫度以下 對(duì)于P92鋼管道的焊接，當(dāng)δ＜80mm時(shí)，焊后空冷就可以得到純馬氏體；若δ≥80mm，因冷速比較慢，會(huì)降低沖擊韌性，所以必須加速冷卻，以得到純馬氏體。在熱處理之前將焊口冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以下是非常重要的，通過(guò)隨后的熱處理使全部馬氏體得到回火。由于P92熔敷金屬馬氏體終止轉(zhuǎn)變溫度為120℃，所以要求焊后至少冷卻到100℃，保溫≥1h，然后才能進(jìn)行焊后熱處理。

（4）焊后脫氫處理 為了避免氫致冷裂紋，建議焊接結(jié)束后在冷卻到室溫之前進(jìn)行脫氫處理，即焊后直接加熱到300℃~350℃，保溫2~3h，覆蓋保溫材料緩冷（隨爐冷卻）。

（5）焊后熱處理 隨著焊后熱處理溫度和保溫時(shí)間增加，沖擊韌性得到改善；從經(jīng)濟(jì)方面分析，要求縮短焊后熱處理保溫時(shí)間，可以節(jié)約能源。推薦焊后熱處理溫度為（760±10）℃，保溫時(shí)間≥6h。對(duì)于厚壁焊件，特別是單面加熱熱處理的管道焊縫，為了獲得比較高的蠕變斷裂強(qiáng)度和沖擊韌性，熱處理的升溫速度和冷卻速度一般控制在80~120℃/h之間。

4. P92鋼的焊接工藝要點(diǎn)

（1） 焊接工藝 GTAW（第一、二層）+SMAW（其余各層）；兩人對(duì)稱(chēng)焊接。

（2）焊材選擇 采用德國(guó)蒂森Thermanit MTS616—ER90S—G、φ2.4mm氬弧焊絲；選擇瑞士奧林康CROMOCORD 92，φ2.5mm、φ3.2mm焊條。鎢棒選用鈰鎢極，φ2.5mm。焊條應(yīng)按照說(shuō)明書(shū)規(guī)定進(jìn)行烘焙，使用80~120℃的便攜式保溫筒領(lǐng)出通電恒溫隨用隨取。氬氣純度≥99.95%。

（3）焊接參數(shù) 具體焊接參數(shù)如表2所示。

以上焊接參數(shù)垂直固定焊時(shí)偏上限選取，水平固定焊偏下限選取。環(huán)境溫度確保在5℃以上，否則須采取措施。采用電腦溫控跟蹤預(yù)熱。φ4.0mm焊條原則上不使用。

（4）組對(duì) 將坡口母材及內(nèi)外壁附近10~15mm內(nèi)的油污、鐵銹、水分等雜物清理干凈，露出金屬光澤。對(duì)口時(shí)要求內(nèi)壁齊平，對(duì)口間隙3~6mm，局部錯(cuò)邊值≤1mm。使用專(zhuān)用對(duì)口夾具，嚴(yán)禁在焊件上隨意引弧和焊接臨時(shí)支撐物等，禁止強(qiáng)力對(duì)口和熱膨脹法對(duì)口。

（5）預(yù)熱與層間溫度 P92鋼是低碳馬氏體鋼，允許在馬氏體組織區(qū)焊接，這意味著焊接預(yù)熱溫度和層間溫度可以大大降低。推薦氬弧焊打底預(yù)熱100~200℃，層間溫度150~200℃；焊條電弧焊預(yù)熱≥200℃，層間溫度≤250℃。預(yù)熱寬度從對(duì)口中心開(kāi)始，每側(cè)≥3δ。嚴(yán)格監(jiān)控預(yù)熱及層間溫度。

（6）氬弧焊打底工藝 氬弧焊打底（2層、φ2.4 mm焊絲）時(shí)采用直流正接、兩人對(duì)稱(chēng)焊接；用內(nèi)填絲法；采用高頻引弧、衰減收弧；因鋼中ωCr高達(dá)10%左右，背面必須充氬保護(hù)，以防焊縫背面氧化；氬氣流量：正面為8~12L/min，背面第一遍流量為10~25L/min，第二遍為3~8L/min。在管道內(nèi)坡口邊緣使用水溶紙（配合耐高溫膠帶或漿糊）填塞滿(mǎn)管道形成氬氣室，兩側(cè)離坡口間隔≥300mm。為確保萬(wàn)無(wú)一失，配合太陽(yáng)神免充氬保護(hù)劑做雙重保險(xiǎn)。P91鋼氬弧焊打底的焊層厚度≤3mm。

（7）確保根部焊縫質(zhì)量 在第一遍打底后應(yīng)細(xì)致檢查，在確認(rèn)無(wú)質(zhì)量問(wèn)題焊第二遍打底。打底焊完成后及時(shí)調(diào)整極性、準(zhǔn)備焊條電弧焊焊接。焊條電弧焊時(shí)采用多層多道焊；前兩層采用φ2.5 mm焊條，其余各層采用φ3.2mm焊條；單層厚度≤焊條直徑；單層焊道寬度≤4倍焊條直徑。接頭應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi)，收弧時(shí)將熔池填滿(mǎn)；焊完后逐層認(rèn)真檢查，以便發(fā)現(xiàn)缺陷并及時(shí)處理?？刂坪附与娏髟诒ＷC熔池鐵液流動(dòng)性適中、熔池清晰和熔合良好的前提下，提高焊接速度，降低焊接熱輸入。施焊中注意焊道間的交錯(cuò)和結(jié)合，避免出現(xiàn)“死角”，并保持焊道平整。

（8）保障焊接質(zhì)量 由于客觀環(huán)境的影響被迫中斷時(shí)，采取防止裂紋等缺陷產(chǎn)生的措施（如后熱、緩冷、保溫等），再次焊接時(shí)仔細(xì)檢查確認(rèn)無(wú)缺陷后，方可按原焊接工藝?yán)^續(xù)施焊。焊后及時(shí)清理坡口，經(jīng)自檢合格后，做出可追溯性標(biāo)識(shí)。

表2 焊接參數(shù)

5. 焊后采用“雙加”熱處理

（1）采用電腦控制、遠(yuǎn)紅外履帶式加熱爐進(jìn)行高溫回火熱處理工藝，但高過(guò)集箱材質(zhì)為P92、規(guī)格為φ711.2mm×143mm，較特殊，主要是管壁太厚；雖然只有兩道焊口，但不容忽視。如單純采用外加熱進(jìn)行熱處理，一是升溫比較困難，且內(nèi)外壁溫差很大，管壁熱應(yīng)力就很大；二是熱處理效果較差，硬度值超標(biāo)。如果靠提高功率，增大加熱寬度，增加保溫厚度，會(huì)造成勻溫區(qū)過(guò)寬，對(duì)加熱區(qū)的母材產(chǎn)生不利影響。

所謂“雙加”熱處理，就是在大徑管內(nèi)外雙向、用雙組遠(yuǎn)紅外履帶式加熱爐、按預(yù)定程序和預(yù)定溫度，分別加熱而實(shí)施的焊后高溫回火熱處理工藝。采用“雙加”熱處理工藝，相當(dāng)于把大厚管壁分成內(nèi)外兩部分，加熱厚度無(wú)疑減少一半。同時(shí)由于根部加熱與保溫，熱量散失極小，焊縫熱處理區(qū)域熱循環(huán)降低，熱處理溫度比較均勻，熱應(yīng)力大大降低。管道內(nèi)部加熱裝置為扁鐵焊制，兩端用鐵絲拴牢，然后從兩端或適當(dāng)口拉出。

（2） P92鋼焊后熱處理原則上按《T/P92鋼焊接指導(dǎo)性工藝》（國(guó)電焊接信息網(wǎng)）推薦工藝：最高溫度為（760±10）℃；恒溫時(shí)間以?xún)?nèi)外壁溫差≤20℃為準(zhǔn)，建議為（2~3）×1h/25mm；升溫速度為80~150℃/h；降溫速度≤150℃/h，冷卻至300℃以下可不控制，如附圖所示。

（3）P92鋼焊后不能立即進(jìn)行高溫回火處理。為提高焊縫沖擊韌性，焊后必須冷卻80～100℃，保溫2h（使焊縫全部轉(zhuǎn)變成為馬氏體組織，保證焊縫金屬不存在過(guò)飽和殘余奧氏體組織，避免在焊后熱處理時(shí)變?yōu)橛捕嗟奈椿鼗瘃R氏體），再進(jìn)行焊后熱處理，否則焊縫沖擊韌性非常低。當(dāng)不能及時(shí)焊后熱處理時(shí)，應(yīng)立即均勻加熱300~350℃，并保溫緩冷脫氫處理。正常情況下后熱處理可不進(jìn)行。

（4）焊后熱處理測(cè)溫點(diǎn)的部位和數(shù)量執(zhí)行《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》DL/T869—2004和《火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程》DL/T819—2002的規(guī)定要求；測(cè)溫儀表須經(jīng)計(jì)量檢定合格。

（5）當(dāng)采用遠(yuǎn)紅外輻射加熱爐時(shí)，管道外部按D/S≤7.5，加熱寬度從焊縫中心開(kāi)始，每側(cè)加熱寬度≥4δ；故加熱寬度選1 200mm左右。管道內(nèi)部采用2組400mm寬加熱片，內(nèi)部加熱寬度為800mm，主要考慮勻溫寬度2×1.5t＝429mm。外壁采用4點(diǎn)控溫，另外增加2點(diǎn)監(jiān)控（1.5t和2.5 rt ）；內(nèi)壁采用2點(diǎn)控溫（400mm）。

（6）焊后熱處理的保溫寬度從焊縫坡口邊緣算起，每側(cè)不得少于管子壁厚的6倍（≥1 710mm），故選取2 000mm左右。

（7）按照國(guó)電焊接信息網(wǎng)P92鋼焊接指導(dǎo)性工藝：“升溫速度為80~150℃/h，降溫速度≤150℃/h，冷卻至300℃以下可不控制”?？紤]鍋爐高過(guò)出口集箱屬于超厚壁管，故選取最小升溫速度為80℃/h。當(dāng)管壁處于低溫區(qū)，功率足夠保證溫度提升，低溫區(qū)升溫速度小對(duì)整體熱處理影響不大。而且我們現(xiàn)在采取的加熱方式為內(nèi)外壁“雙加”同步升溫，降溫速度也選取80℃/h；冷卻至300℃以下可不控制。綜合分析，采用80℃/h的升降溫速度比較穩(wěn)妥。

（8）恒溫時(shí)間的選擇。由于采用內(nèi)外“雙加”熱處理，管道恒溫速度和效果將明顯優(yōu)于常規(guī)的單純靠管外壁加熱方式，且熱處理恒溫時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)；管道內(nèi)部加熱爐升至熱處理溫度后即停止，但已大大提高恒溫效果。故恒溫時(shí)間可適當(dāng)減少，11～12h足以滿(mǎn)足P92鋼的熱處理要求。

（9）熱處理后進(jìn)行硬度試驗(yàn)，要求硬度值≤250HBW；金相微觀組織為回火馬氏體/回火索氏體。若經(jīng)檢查達(dá)不到上述標(biāo)準(zhǔn)，必須查明原因，制定針對(duì)性工藝措施，重新或進(jìn)行相應(yīng)的熱處理。

焊后熱處理工藝

6. 結(jié)語(yǔ)

焊口經(jīng)上述工藝焊接和內(nèi)外“雙加”熱處理后效果良好值得推廣應(yīng)用。