9%Cr鋼大口徑厚壁管焊后熱處理降溫改進(jìn)措施研究

劉寶雙，陳春輝

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江火電建設(shè)有限公司，杭州 310016)

9%Cr鋼大口徑厚壁管焊后熱處理降溫改進(jìn)措施研究

劉寶雙，陳春輝

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江火電建設(shè)有限公司，杭州 310016)

介紹了9%Cr鋼大口徑厚壁管焊后熱處理降溫過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題，分析了問(wèn)題產(chǎn)生的原因，提出了改進(jìn)措施并進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)改變保溫棉包覆方式，有效地解決了9%Cr鋼大口徑厚壁管焊后熱處理降溫后期降溫速率變低的問(wèn)題，提高了焊后熱處理的質(zhì)量和效率。

火力發(fā)電；9%Cr鋼；焊后熱處理；高溫回火脆性

0 引言

9%Cr鋼多為馬氏體高合金鋼，具有良好的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能[1]，被廣泛應(yīng)用于電廠高溫高壓管排、管道及相關(guān)部件，此類鋼種的焊縫穩(wěn)定性，直接影響機(jī)組能否穩(wěn)定運(yùn)行。焊后熱處理作為消除焊縫殘余應(yīng)力、細(xì)化晶粒、提高焊縫成形穩(wěn)定性的重要一環(huán)，其工藝效果直接關(guān)系到9%Cr鋼焊縫的質(zhì)量。而9%Cr鋼大口徑厚壁管，在焊后熱處理過(guò)程中熱量不易散發(fā)，實(shí)際操作過(guò)程中，降溫過(guò)程往往無(wú)法與熱處理理想工藝曲線相匹配，從而降低了焊后熱處理的效果。

1 焊后熱處理存在的問(wèn)題

1.1 焊后熱處理理想過(guò)程

9%Cr鋼焊后熱處理為高溫回火過(guò)程，在焊縫焊接完成后，固定加熱裝置、覆蓋保溫材料，使焊縫在一個(gè)溫度區(qū)間恒溫一段時(shí)間，進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變完成后，立即以一定的速率升溫達(dá)到高溫回火溫度區(qū)間并恒溫一段時(shí)間，最后以一定的速率降溫至受控溫度以下，再取消控溫，在保溫材料覆蓋下緩冷至室溫[2]。理想狀態(tài)下焊后熱處理過(guò)程曲線如圖1所示。

圖1 9%Cr鋼焊后熱處理理想曲線

1.2 降溫曲線

在9%Cr鋼焊后熱處理實(shí)際降溫過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，降溫速率逐漸減小，同時(shí)焊縫各處測(cè)溫點(diǎn)間的溫差也逐漸拉大，熱電偶間溫差已達(dá)到約15 ℃，且存在逐漸拉大趨勢(shì)，與理想狀態(tài)下的直線不符。

1.3 降溫速率不受控

合金鋼焊縫在600 ℃以上高溫回火后，以緩慢的冷卻速度通過(guò)500～550 ℃區(qū)間易發(fā)生脆化現(xiàn)象，即高溫回火脆性[3]。因此，實(shí)際操作過(guò)程中，常以快速冷卻通過(guò)該溫度區(qū)域，利用鉬與磷的交互作用，阻礙磷在晶界的偏聚，抑止磷的偏析，來(lái)避免發(fā)生高溫回火脆性。而電力施工現(xiàn)場(chǎng)9%Cr鋼焊后熱處理執(zhí)行過(guò)程中，降溫速率常在500～550 ℃間開(kāi)始下降，降溫速率易失去控制。

2 原因分析

2.1 設(shè)定最高降溫速率

降溫速率為在焊后熱處理施工過(guò)程中，單位時(shí)間內(nèi)的溫度差值。在時(shí)間一定的情況下，降溫速率和溫度差值成正比，即增加溫度差，可加大降溫速率。實(shí)際降溫過(guò)程中，當(dāng)焊縫實(shí)際降溫速率低于熱處理機(jī)設(shè)定的最高降溫速率時(shí)，熱處理機(jī)停止工作，熱處理降溫由管道自身的熱傳導(dǎo)起主導(dǎo)作用。管道熱量在金屬原子間傳導(dǎo)，在立體空間內(nèi)受到相互輻射影響，大口徑厚壁管相對(duì)薄壁管而言，熱量更不易發(fā)散，致使降溫速率降低，延長(zhǎng)施工周期，增加施工成本。通過(guò)加大溫度差值，提高降溫速率可以有效防止降溫速率不受控，提高施工效率。

2.2 管道焊縫各部位散熱不均

對(duì)于大口徑厚壁管，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，如水平安裝的管道，焊縫上下、內(nèi)外壁溫差大，局部空間內(nèi)空氣上熱下冷，焊縫各部位散熱不均。因熱量發(fā)散受周圍環(huán)境及管道內(nèi)在因素的影響，在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，為克服管道焊縫各部位散熱不均，通過(guò)做好現(xiàn)場(chǎng)防風(fēng)措施、增加覆蓋保溫材料，以抵消熱量在立體空間分布的不均衡。

表1 焊口A，B降溫速率變化

在降溫過(guò)程中，保溫材料的多少直接關(guān)系到熱量散發(fā)的程度，因此，通過(guò)增減保溫材料，可以有效地控制熱處理降溫速率以及減小焊縫各部位間的溫差，使施工結(jié)果更貼近工藝要求，從而保證施工質(zhì)量[4]。

3 焊后熱處理保溫改進(jìn)措施

試驗(yàn)選擇了2段材質(zhì)為A335P92、規(guī)格為?440mm×80mm的管道水平固定焊(5G)焊縫，采用同種焊后熱處理工藝，A335P92熱處理曲線如圖2所示，僅通過(guò)調(diào)整保溫材料的設(shè)置進(jìn)行對(duì)比研究。

圖2 A335P92熱處理曲線

3.1 焊口A保溫包覆工藝

在原有保溫施工方法包覆前提下，即加熱區(qū)域保溫材料包覆6層(保溫材料單層厚度約25mm)，向兩側(cè)延伸的保溫區(qū)域各包覆2層，管道下方加厚保溫材料。在溫度降至300 ℃停止控溫，降至接近50 ℃時(shí)，拆除所有保溫材料、加熱器等。

3.2 焊口B保溫包覆工藝

首先，在加熱區(qū)域整體包覆2層保溫材料，保溫材料多出部分疊加在焊縫下半部；然后在焊縫兩側(cè)分別包覆2層略寬的保溫材料；最后在最外側(cè)包覆1層保溫材料。在降溫階段，500 ℃開(kāi)始拆除最外側(cè)1層保溫材料，溫度降至450 ℃開(kāi)始拆除第2層保溫材料，僅保留最內(nèi)側(cè)2層保溫材料直至300 ℃停止控溫，此種包覆工藝便于熱處理降溫過(guò)程中保溫材料的拆除。

3.3 降溫第1階段對(duì)比

在熱處理設(shè)備顯示實(shí)測(cè)溫度約為500 ℃時(shí)，拆除最外層保溫材料。在實(shí)測(cè)溫度約為500 ℃時(shí)，熱處理加熱裝置功率已經(jīng)降至0%，此時(shí)降溫已不受設(shè)備控制。

3.4 降溫第2階段

在熱處理設(shè)備顯示實(shí)測(cè)溫度約460 ℃時(shí)，拆除第3層保溫材料。

3.5 最終曲線對(duì)比

焊后熱處理結(jié)束后，焊口A熱處理記錄降溫曲線如圖3所示。焊口B熱處理記錄降溫曲線如圖4所示。

圖3 焊口A熱處理記錄降溫曲線

圖4 焊口B熱處理記錄降溫曲線

由圖3、圖4可以看出：焊口A，B在熱處理降溫期間，熱電偶間的溫差均得到了有效的縮小，最大僅為5 ℃；自550 ℃直至300 ℃停止控溫這段降溫過(guò)程中，焊口A降溫曲線斜率較小，耗時(shí)5.50h，平均速率45.5 ℃/h；焊口B降溫曲線斜率較大，耗時(shí)4.85h，平均速率51.6 ℃/h。焊口A，B降溫速率變化見(jiàn)表1。

4 檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)A，B試件分別進(jìn)行焊后熱處理的硬度檢測(cè)，結(jié)果顯示：焊口A，B母材硬度平均值約為194 HBW，熱影響區(qū)硬度平均值約為195 HBW，焊縫硬度平均值約為240 HBW。按DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》附錄F要求，焊縫硬度合格指標(biāo)180～270 HBW[5]，試驗(yàn)硬度結(jié)果合格。

5 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)保溫包覆措施可以使焊后熱處理的降溫曲線與理想曲線更趨向于統(tǒng)一，有效地解決了降溫后期曲線分叉，溫差拉大及降溫速率變慢的缺點(diǎn)；降溫曲線改進(jìn)后，對(duì)焊縫硬度影響甚微，理論上使焊縫更快速地通過(guò)高溫回火脆性區(qū)間，降低了高溫回火脆性發(fā)生的可能性；改進(jìn)保溫包覆措施，有效地提高了熱處理的效率，提高了施工效率，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益；降溫改進(jìn)措施同樣適用于橫焊(2G)，管道斜45°固定焊(6G)位置焊縫，如2G位置時(shí)，焊縫下方保溫區(qū)域加寬；6G位置時(shí)，焊縫下方保溫區(qū)域加寬、管道下方保溫材料加厚。

[1]李應(yīng)欽, 徐森, 劉文峰.T/P91鋼及其焊接、焊接熱處理、無(wú)損檢測(cè)工藝要點(diǎn)[J].化工裝備,2015(3):13-23.

[2]火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程:DL/T 819—2010[S].

[3]朱興元,劉憶.金屬學(xué)與熱處理[M].北京:北京大學(xué)出版社,2006.

[4]嚴(yán)正,馮建輝,肖德銘.超超臨界機(jī)組SA335-P92鋼焊接工藝方案和焊接工藝評(píng)定實(shí)踐[J].焊接技術(shù),2008,37(1):21-26.

[5]火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程:DL/T 869—2012[S].

(本文責(zé)編：劉炳鋒)

2016-12-07；

2017-02-04

TG 162

B

1674-1951(2017)02-0060-02

劉寶雙(1981—)，男，河北唐山人，工程師，從事電力工程焊接技術(shù)工作(E-mail:285817342@qq.com)。

陳春輝(1985—)，男，江蘇淮安人，工程師，工學(xué)碩士，從事電力工程焊接技術(shù)工作(E-mail:158115455@qq.com)。