電磁感應熱處理方法在SA335—P91鋼中的應用

李孟良　王海強　李?！≮w華　郭洪寧　鄭志東

摘 要：隨著客戶對產(chǎn)品質(zhì)量的重視程度越來越高，更為先進的電磁感應加熱技術被引入到P91鋼等高合金厚壁管道的焊接熱處理中，并得到客戶的認可；該文正是對目前普遍使用的電阻加熱方法和近些年客戶逐漸要求的電磁感應加熱方法進行對比分析，以現(xiàn)場P91鋼管道和P22鋼管道的工藝評定試驗為基礎，用試驗數(shù)據(jù)說明電磁感應加熱方法在減小內(nèi)外壁溫差、改善焊縫力學性能、提高焊接熱處理質(zhì)量上的優(yōu)勢；可為今后其他項目采用同種加熱方法進行焊接熱處理提供借鑒。

關鍵詞：P91鋼 熱處理 電阻加熱 電磁感應加熱

中圖分類號：TG44 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（b）-0030-03

當今火力發(fā)電鍋爐機組以大容量、高參數(shù)、超臨界為發(fā)展趨勢；為確保機組設備安全、可靠運行，滿足高溫、高壓管道的需要，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益；熱強性高、工藝性好、價格低廉材料的開發(fā)是最關鍵的問題。而P91鋼具有高溫持久強度和抗蠕變斷裂性能，與P22（10CrMo910）鋼相比在相同使用溫度和壓力的條件下，管壁厚減薄50%；與奧氏體鋼相比，膨脹系數(shù)較小、熱傳導性好、熱裂紋傾向小、價格也相對便宜，使得P91鋼成為高溫過熱器聯(lián)箱、主蒸汽管道等高溫、高壓管道的首選及替代鋼種。無論是使用性能，還是經(jīng)濟性，P91鋼都表現(xiàn)出了它的優(yōu)越性，其使用量也在不斷增加。但由于采用的熱處理方法不夠科學，至使焊后熱處理的過程中內(nèi)外壁溫差嚴重，使其個別性能指標不理想，尤其是不能保證焊縫根部的沖擊韌性。因此，選用合適的焊后熱處理方法，對就熱處理溫度特別敏感的P91鋼來說具有重要的現(xiàn)實意義。

近些年隨著市場競爭的日趨激烈，加之感應熱處理的諸多優(yōu)點，越來越多的客戶都明確要求承包商使用電磁感應加熱設備對P91等大徑厚壁管焊縫進行熱處理。印度塔爾萬迪3×660 MW燃煤電站項目的業(yè)主就明確要求對P91鋼焊縫采用電磁感應加熱方法進行焊接熱處理。

1 電阻加熱與電磁感應加熱方法對比

1.1 電阻加熱的原理

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，依靠金屬導熱，從外表面向內(nèi)部傳導。

1.2 電磁感應加熱設備及其工作原理

1.2.1電磁感應加熱設備

目前使用較多的電磁感應加熱設備是由美國米勒公司生產(chǎn)的Proheat35型加熱設備，其功率為35 kW，頻率5～30 kHz，屬高頻感應加熱；其主要設備構成包括：感應加熱電源、兩個輸出連接器、輸出加長電纜、水冷加熱電纜、預熱護套、數(shù)字記錄儀、熱電偶加長電纜、K型焊接式熱電偶（金屬絲）、強力冷卻水箱、用戶絕緣毯等。加熱時，輸出電流、電壓、頻率和功率通過微電腦自動匹配，數(shù)據(jù)為電腦儲存；加熱導線為柔性線，內(nèi)通水冷卻，便于現(xiàn)場安裝和拆卸；保溫棉為耐高溫、可重復使用的環(huán)保型產(chǎn)品。

1.2.2工作原理

設備通電后線圈內(nèi)的交變電流產(chǎn)生交變磁場，使工件中產(chǎn)生感應電流，靠感應電流加熱工件；工件整個截面有感應加熱電流，內(nèi)部溫度梯度小，最熱區(qū)域在工件表面下方，熱量在金屬內(nèi)部快速傳導（如圖1所示）。

1.3 P91鋼的熱處理特性

P91鋼的最佳熱處理溫度為（760±10）℃，也就是說，熱處理溫度的上限為770 ℃，下限為750 ℃。熱處理溫度范圍相對比較窄，在這一溫度范圍內(nèi)，P91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性。

1.4 電磁感應加熱方法的優(yōu)勢

目前，焊后熱處理廣泛采用的是電阻加熱設備，從原理上分析，這種從外表面向內(nèi)部傳導熱能的方法，對大口徑厚壁管很可能會造成內(nèi)、外壁溫差過大的現(xiàn)象，而這種過大的溫差對溫度特別敏感的P91鋼而言，是對沖擊韌性不利的。而電磁感應加熱法，從原理上講，它的熱源來自由金屬內(nèi)部產(chǎn)生的感應電流使材料發(fā)熱，這種熱處理法對大口徑厚壁管造成的內(nèi)、外壁溫差應該小，對溫度敏感的P91鋼焊接接頭熱處理應該更為有利。

2 試驗材料、設備及方法

2.1 試驗材料

選用P22和P91兩種材料進行工藝評定期間的對比試驗：材質(zhì)為SA335-P91的材料規(guī)格為φ697 mm×65 mm，材質(zhì)為SA335-P22的材料規(guī)格為φ559 mm×60 mm，兩種材料的長度均為1 200 mm。

2.2 熱處理設備

2.2.1采用電阻加熱的P22材質(zhì)

設備：電阻加熱設備；加熱裝置：柔性陶瓷加熱器；保溫材料：硅酸鋁保溫氈；測溫熱電偶：K型焊接熱電偶絲。

2.2.2采用電磁感應加熱的P91材質(zhì)

設備：Proheat 35型電磁感應加熱設備進行熱處理；加熱裝置：內(nèi)部通水冷卻的柔性加熱電磁感應線圈；保溫材料：可多次重復利用的環(huán)保型石棉布；測溫熱電偶：K型焊接熱電偶絲。

2.3 試驗方法

2.3.1試驗環(huán)境條件

塔爾萬迪項目施工現(xiàn)場（如圖2所示）。

2.3.2熱電偶布置與安裝

采用K型熱電偶絲作為溫度檢測元件，熱電偶采用儲能焊接的方法將熱電偶絲直接壓焊在管道表面，控溫熱電偶應沿焊縫中心線布置，共8個測溫點（如圖3所示）。

2.3.3補償導線的選擇

采用與熱點偶絲相匹配的帶屏蔽層的精密級補償導線，與熱電偶連接必須保證極性正確，補償導線布置應遠離供電線路以避免產(chǎn)生干擾，同時應盡可能將補償導線布置在溫度較低的環(huán)境。

2.3.4熱處理工藝確定

（1）規(guī)格/材質(zhì)為φ559 mm×60 mm/SA335-P22材料。

焊前預熱溫度：200 ℃；

層間溫度：應控制在200～350 ℃；

后熱處理：當被迫后熱時，后熱溫度為300～350 ℃，保溫2 h。

焊后熱處理：恒溫溫度為730～750 ℃，恒溫3 h；升降速度為75 ℃/h。

（2）規(guī)格/材質(zhì)為φ697×65mm/SA335-P91材料。

焊前預熱溫度：200 ℃；

層間溫度：應控制在200～350 ℃；

后熱處理：焊后不宜采用后熱；當被迫后熱時，應在焊件溫度降至80～100 ℃，時間保持為 1～2 h后立即進行。后熱溫度為300～350 ℃，保溫2 h。

焊后熱處理：焊后熱處理應在焊接完成后，焊件溫度降至80～100 ℃，時間保持為 1～2 h后立即進行；恒溫溫度為750～770 ℃，恒溫4 h；升降速度為75 ℃/h。

3 試驗結果

3.1 熱處理內(nèi)外壁溫差對比

為了便于對比，在P22材料750 ℃恒溫3 h和P91材料770 ℃恒溫3 h的時候?qū)?個測溫點的溫度進行了記錄，如表1所示。

由表1可以看出兩種加熱法在水平固定位置上測得的同一截面周向外壁溫度相同（#1、#3、#5、#7點的溫度），而徑向方向上的內(nèi)壁溫度處于不均勻狀態(tài)，其內(nèi)、外壁溫差因加熱方法不同相差懸殊。在試驗條件相同的情況下，電磁感應加熱法測得的內(nèi)外壁溫差明顯小于柔性陶瓷電阻加熱法。電磁感應加熱法測得的內(nèi)外壁溫差﹤20 ℃，柔性陶瓷電阻加熱法測的內(nèi)外壁溫差最小為30 ℃，最大為45 ℃。

3.2 P91熱處理后的質(zhì)量檢驗

熱處理結束后，將試樣委托印度德里的第三方檢測機構（IRC工程檢測試驗室）進行相關試驗。

3.2.1硬度

（1）近表面硬度值為：母材222VHN、熱影響區(qū)261、265VHN，焊縫233VHN。

（2）層間硬度值為：母材223VHN、熱影響區(qū)264VHN，焊縫224VHN。

（3）根部硬度值為：熱影響區(qū)260、267VHN，焊縫242VHN。

硬度測試依據(jù)標準ASTM E92進行，具體硬度檢查結果見表2所示。

3.2.2力學性能

根據(jù)ASME第Ⅸ卷中的QW462.1b進行了拉伸性能測試（見表3），根據(jù)ASME第Ⅸ卷中的QW462.2和QW466.1進行了彎曲性能測試（見表4）。

3.2.3試驗結果分析

（1）兩個試樣的抗拉強度為633 MPa和637 MPa，均大于下限585 MPa，且均斷在母材；結果合格。

（2）四個全焊縫彎曲試樣，試驗后均未在外表面發(fā)現(xiàn)裂紋，結果合格。

（3）硬度值沿厚度方向從表面到根部硬度平均值分別為：母材硬度為222VHN、223VHN；焊縫一側的熱影響區(qū)硬度為261VHN、264VHN、260VHN；焊縫另一側的熱影響區(qū)硬度為265VHN、264VHN、267VHN；焊縫硬度為233VHN、224VHN、242VHN；所有硬度值均在合格范圍之內(nèi)。

4 結語

（1）P91鋼焊縫通過電磁感應加熱方法熱處理后，焊縫熔敷金屬的硬度值和力學性能數(shù)據(jù)完全滿足SA335-P91鋼的性能要求。

（2）Proheat35型電磁感應加熱設備與柔性陶瓷電阻加熱設備，在分別對P91管子和P22管子做工藝評定時，其內(nèi)外壁溫差因加熱方法不同相差懸殊，電磁感應加熱，管內(nèi)外壁溫差遠比柔性陶瓷電阻加熱小。

（3）Proheat35型電磁感應加熱設備在Φ697 mm×65 mm的P91管子上試驗所測得的內(nèi)外壁溫差﹤20℃，這對焊后熱處理溫度要求特別敏感的P91鋼十分重要。而柔性陶瓷電阻加熱設備在Φ559 mm×60 mm的P22管子上測得的內(nèi)外壁溫差最小為30 ℃，最大為45 ℃。

（4）試驗表明對大徑厚壁的P91管子采用Proheat35型電磁感應加熱設備進行焊后熱處理，能有效地保證P91焊縫的熱處理溫度控制在（760±10）℃范圍之內(nèi)，從而確保P91鋼整個焊接接頭內(nèi)外部力學性能的均勻性，更好地保證焊縫根部的沖擊韌性。

（5）試驗測得的數(shù)據(jù)證明，電磁感應加熱法無論從理論還是實踐上，該方法對大口徑厚壁管的熱處理效果要優(yōu)于目前廣泛使用的柔性陶瓷電阻加熱法。

參考文獻

[1] ASME鍋爐及壓力容器委員會焊接分委員會.ASME Ⅸ-2010，焊接和釬焊評定標準[S].北京：中國石化出版社，2011.

[2] ASME鍋爐及壓力容器委員會材料分委員會.ASME IIC-2010，焊條、焊絲及填充金屬[S].北京：中國石化出版社，2011.

[3] 羅啟云，李洪鵬.淺談新型耐熱鋼SA335-P91鋼管道安裝焊接熱處理工藝方法[C]//第十五次全國焊接學術會議論文集.2010.

[4] 房娟，周愛軍.關于P91材料的焊接[J].江蘇鍋爐，2009（2）：23-25.

[5] 任玉艷，李松，楊會靜.SA335-P91鋼焊接接頭熱處理工藝性分析[J].機械工人，2006（3）：47-48.

[6] 鄭中甫，陳泉.工藝參數(shù)及焊接材料對T91/P91鋼焊縫性能的影響[J].熱加工工藝，2006，35（15）：41-43.