高合金鋼大徑厚壁管焊后熱處理熱平衡技術(shù)研究

■ 王登第，王于亭，李漢華，高若瀚，李 保

1.概述

隨著大容量高參數(shù)機(jī)組的逐漸發(fā)展，高合金鋼廣泛應(yīng)用于主蒸汽管道和高溫蒸汽管道等超高溫高壓管道上。由于其合金元素含量較高、焊接淬硬傾向大，所以焊后必須進(jìn)行熱處理以消除內(nèi)應(yīng)力，得到較為理想的金相組織，方可滿足使用要求。

近幾年來(lái)，我公司承擔(dān)周邊區(qū)域多臺(tái)機(jī)組的檢修業(yè)務(wù)，檢修過程中發(fā)現(xiàn)個(gè)別壁厚≥80mm的高合金鋼大徑厚壁管內(nèi)壁焊縫和熱影響區(qū)存在延遲微裂紋，經(jīng)進(jìn)一步檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫和熱影響區(qū)、內(nèi)外壁硬度差異較大。與此同時(shí)，公司承建的多臺(tái)660MW容量以上機(jī)組，都存在著大量的管徑≥500mm、壁厚≥80mm的高合金鋼大徑厚壁管。為此，分析尋找裂紋和硬度差異產(chǎn)生的原因并提升在建機(jī)組高合金大徑厚壁管質(zhì)量在當(dāng)時(shí)成為重要課題。

經(jīng)專家初步分析，延遲微裂紋是由于焊口在熱處理過程中熱平衡效果不佳，直接體現(xiàn)為焊縫與熱影響區(qū)、焊接接頭外壁與內(nèi)壁存在較大的硬度差，在長(zhǎng)期高溫高壓工況下，引起應(yīng)力突變?cè)斐傻?。根?jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際條件，可能存在以下原因。

（1）焊后熱處理恒溫溫度通常按照規(guī)程要求，在750～770℃之間選擇一固定數(shù)值處理，然而不同焊接接頭的母材硬度不盡相同，個(gè)別母材偏低的焊接接頭經(jīng)過焊后熱處理，其熱影響區(qū)性能下降明顯，造成接頭整體力學(xué)性能下降。

（2）因片面追求施工速度導(dǎo)致焊接過程中層間溫度超標(biāo)，直接導(dǎo)致焊縫硬度偏高，焊縫和熱影響區(qū)在熱處理后仍然存在著較大的硬度差。

（3）焊后熱處理過程中，采用常規(guī)的加熱方式客觀存在著外壁與內(nèi)壁的巨大溫度差。

（4）焊后熱處理時(shí)，加熱器寬度和功率選擇不合理，導(dǎo)致均溫寬度不夠或者熱量不足。

表1 不同硬度范圍母材在不同恒溫溫度下的硬度

2.研究?jī)?nèi)容

（1）恒溫溫度的選擇對(duì)母材硬度的影響 目前電力建設(shè)中常用的高合金鋼主要為9%～12%WCr馬氏體耐熱鋼，以常見的P91/P92鋼為例，其焊接接頭焊后熱處理恒溫溫度為750～770℃，焊后熱處理正常組織是完全的回火馬氏體，除熱影響區(qū)外，母材和焊縫金屬的馬氏體板條特征非常明顯，在升降速率一定的情況下，如果恒溫溫度選擇不當(dāng)，容易出現(xiàn)δ-鐵素體（硬度偏低）、未回火馬氏體（硬度偏高）、過度回火的回火索氏體（硬度偏低）等異常組織。同時(shí)規(guī)范規(guī)定：母材硬度合格值為185～250HBW；焊后熱處理硬度檢測(cè)合格值為180～270HBW。

對(duì)不同硬度范圍的母材同一處位置在不同恒溫溫度范圍進(jìn)行正交試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，焊后熱處理恒溫溫度越高，母材熱處理硬度值降幅越大。

（2）焊縫硬度對(duì)最終焊接接頭熱處理效果的影響 由于焊縫熱處理后的硬度檢測(cè)是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的重要指標(biāo)，因而現(xiàn)場(chǎng)存在重視焊縫硬度合格而忽視母材熱處理硬度的情況。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)高合金管道原始母材硬度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，原始母材硬度大部分處于180～220HBW。通過焊縫與熱影響區(qū)熱處理硬度檢測(cè)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)看出，母材熱處理前后硬度值存在5～30HBW的降幅，那么，焊縫熱處理前硬度不宜高于275HBW，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

通過以上內(nèi)容可以得出，壁厚的硬度直接影響因素為焊接電流和層間溫度，其中焊接電流能夠用鉗形電流表進(jìn)行檢測(cè)監(jiān)控，但焊縫層間溫度的實(shí)時(shí)測(cè)控存在較大困難。

（3）焊縫焊后熱處理內(nèi)外壁熱平衡狀態(tài) 基于ANSYS12.0軟件對(duì)大徑厚壁管內(nèi)外壁溫度梯度變化進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁溫度均溫區(qū)普遍偏小，具體如附圖所示。在現(xiàn)場(chǎng)采用規(guī)格為?518mm×90mm的高合金大徑厚壁管進(jìn)行常規(guī)加熱方法下的內(nèi)外壁熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)如表3所示。

表2 基于母材硬度情況下焊縫硬度的熱處理效果統(tǒng)計(jì)

高合金大徑厚壁管道焊后熱處理壁厚方向溫度場(chǎng)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)得出：當(dāng)外壁溫度達(dá)到恒溫溫度時(shí)，內(nèi)部溫度存在約40℃的溫差。這雖然滿足了規(guī)程中溫差不超過50℃的要求，但經(jīng)過對(duì)根部焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行測(cè)試，明顯根部焊縫溫度偏低，不利于金相組織轉(zhuǎn)變?cè)傩纬伞?/p>

（4）加熱寬度與均溫區(qū)的保證 根據(jù)《火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程》DL/T869，加熱器寬度采用管徑與壁厚（D/δ）確定，按照現(xiàn)場(chǎng)高合金鋼大徑厚壁管道實(shí)際規(guī)格，基本符合以下兩條件。

具體如下：

首先，當(dāng)D/δ≤7.5時(shí)，加熱寬度從焊縫中心起，每側(cè)不小于管子壁厚的4倍。

其次，當(dāng)7.5＜D/δ≤10時(shí)，加熱寬度從焊縫中心起，每側(cè)不小于管子壁厚的5倍。

以規(guī)格為? 517mm×100mm的主蒸汽管道和?711mm×90mm的高溫一次再熱蒸汽管道為例進(jìn)行試驗(yàn)，按照規(guī)程計(jì)算其加熱寬度如表4所示。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行加熱處理并在內(nèi)外壁軸向上每隔5mm設(shè)置多處測(cè)溫?zé)犭娕迹瑴y(cè)出均溫區(qū)寬度統(tǒng)計(jì)如表5所示。

根據(jù)表5統(tǒng)計(jì)可以看出，對(duì)于壁厚δ≥80mm的大徑厚壁管道，其電力規(guī)程規(guī)定的最小加熱寬度不能夠滿足要求。

基于以上研究?jī)?nèi)容，對(duì)最小加熱寬度每側(cè)做一個(gè)壁厚δ"的增量處理，由于電力建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)常見的大徑厚壁管壁厚δ集中于80～130mm區(qū)間，為方便起見可以選擇δ"=100mm，經(jīng)驗(yàn)證可行。

表3 高合金大徑厚壁管常規(guī)加熱方法下的內(nèi)外壁熱平衡統(tǒng)計(jì)

表4 主蒸汽及高溫一次再熱蒸汽管道加熱寬度

表5 不同加熱寬度的均溫區(qū)寬度

3.結(jié)語(yǔ)

（1）只有按照母材硬度范圍將焊后熱處理恒溫溫度進(jìn)行優(yōu)化細(xì)分，才能夠較好的兼顧母材熱影響區(qū)力學(xué)性能。如母材硬度在180～200HBW內(nèi)，焊后熱處理恒溫溫度不宜超過755℃；母材硬度在230～250HBW內(nèi)，焊后熱處理恒溫溫度不宜低于765℃。

（2）高合金鋼焊條電弧焊的實(shí)時(shí)層間溫度必須嚴(yán)格控制在規(guī)程要求范圍內(nèi)，以保證焊縫硬度不高于275HBW。

（3）在壁厚δ≥80mm的管道焊后熱處理時(shí)，在內(nèi)壁進(jìn)行輔助加熱，可以有效提升內(nèi)外壁熱平衡狀態(tài)，并將溫差減小至20℃以下。

（4）對(duì)于壁厚δ≥80mm的大徑厚壁管道，其電力規(guī)程規(guī)定的最小加熱寬度不能夠滿足要求，用加熱器總寬度HB=2×（4δ+100）mm的方式計(jì)算，能夠有效保證管道內(nèi)外壁均溫區(qū)。