9%Cr鋼大口徑厚壁管焊后熱處理降溫改進措施研究

劉寶雙，陳春輝

(中國能源建設集團浙江火電建設有限公司，杭州 310016)

9%Cr鋼大口徑厚壁管焊后熱處理降溫改進措施研究

劉寶雙，陳春輝

(中國能源建設集團浙江火電建設有限公司，杭州 310016)

介紹了9%Cr鋼大口徑厚壁管焊后熱處理降溫過程中常見的問題，分析了問題產生的原因，提出了改進措施并進行了對比試驗，通過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題，提高了焊后熱處理的質量和效率。

火力發電；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，具有良好的高溫強度和抗蠕變性能[1]，被廣泛應用于電廠高溫高壓管排、管道及相關部件，此類鋼種的焊縫穩定性，直接影響機組能否穩定運行。焊后熱處理作為消除焊縫殘余應力、細化晶粒、提高焊縫成形穩定性的重要一環，其工藝效果直接關系到9%Cr鋼焊縫的質量。而9%Cr鋼大口徑厚壁管，在焊后熱處理過程中熱量不易散發，實際操作過程中，降溫過程往往無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題

1.1 焊后熱處理理想過程

9%Cr鋼焊后熱處理為高溫回火過程，在焊縫焊接完成后，固定加熱裝置、覆蓋保溫材料，使焊縫在一個溫度區間恒溫一段時間，進行馬氏體轉變，轉變完成后，立即以一定的速率升溫達到高溫回火溫度區間并恒溫一段時間，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]。理想狀態下焊后熱處理過程曲線如圖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鋼焊后熱處理實際降溫過程中，隨著時間的推移，降溫速率逐漸減小，同時焊縫各處測溫點間的溫差也逐漸拉大，熱電偶間溫差已達到約15 ℃，且存在逐漸拉大趨勢，與理想狀態下的直線不符。

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500～550 ℃區間易發生脆化現象，即高溫回火脆性[3]。因此，實際操作過程中，常以快速冷卻通過該溫度區域，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，來避免發生高溫回火脆性。而電力施工現場9%Cr鋼焊后熱處理執行過程中，降溫速率常在500～550 ℃間開始下降，降溫速率易失去控制。

2 原因分析

2.1 設定最高降溫速率

降溫速率為在焊后熱處理施工過程中，單位時間內的溫度差值。在時間一定的情況下，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。實際降溫過程中，當焊縫實際降溫速率低于熱處理機設定的最高降溫速率時，熱處理機停止工作，熱處理降溫由管道自身的熱傳導起主導作用。管道熱量在金屬原子間傳導，在立體空間內受到相互輻射影響，大口徑厚壁管相對薄壁管而言，熱量更不易發散，致使降溫速率降低，延長施工周期，增加施工成本。通過加大溫度差值，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

對于大口徑厚壁管，由于現場環境復雜，如水平安裝的管道，焊縫上下、內外壁溫差大，局部空間內空氣上熱下冷，焊縫各部位散熱不均。因熱量發散受周圍環境及管道內在因素的影響，在現場施工過程中，為克服管道焊縫各部位散熱不均，通過做好現場防風措施、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

在降溫過程中，保溫材料的多少直接關系到熱量散發的程度，因此，通過增減保溫材料，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，使施工結果更貼近工藝要求，從而保證施工質量[4]。

3 焊后熱處理保溫改進措施

試驗選擇了2段材質為A335P92、規格為?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，僅通過調整保溫材料的設置進行對比研究。

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，即加熱區域保溫材料包覆6層(保溫材料單層厚度約25mm)，向兩側延伸的保溫區域各包覆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，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；然后在焊縫兩側分別包覆2層略寬的保溫材料；最后在最外側包覆1層保溫材料。在降溫階段，500 ℃開始拆除最外側1層保溫材料，溫度降至450 ℃開始拆除第2層保溫材料，僅保留最內側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程中保溫材料的拆除。

3.3 降溫第1階段對比

在熱處理設備顯示實測溫度約為500 ℃時，拆除最外層保溫材料。在實測溫度約為500 ℃時，熱處理加熱裝置功率已經降至0%，此時降溫已不受設備控制。

3.4 降溫第2階段

在熱處理設備顯示實測溫度約460 ℃時，拆除第3層保溫材料。

3.5 最終曲線對比

焊后熱處理結束后，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程中，焊口A降溫曲線斜率較小，耗時5.50h，平均速率45.5 ℃/h；焊口B降溫曲線斜率較大，耗時4.85h，平均速率51.6 ℃/h。焊口A，B降溫速率變化見表1。

4 檢驗結果

對A，B試件分別進行焊后熱處理的硬度檢測，結果顯示：焊口A，B母材硬度平均值約為194 HBW，熱影響區硬度平均值約為195 HBW，焊縫硬度平均值約為240 HBW。按DL/T 869—2012《火力發電廠焊接技術規程》附錄F要求，焊縫硬度合格指標180～270 HBW[5]，試驗硬度結果合格。

5 結束語

改進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；降溫曲線改進后，對焊縫硬度影響甚微，理論上使焊縫更快速地通過高溫回火脆性區間，降低了高溫回火脆性發生的可能性；改進保溫包覆措施，有效地提高了熱處理的效率，提高了施工效率，具有一定的經濟效益；降溫改進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，焊縫下方保溫區域加寬；6G位置時，焊縫下方保溫區域加寬、管道下方保溫材料加厚。

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

[2]火力發電廠焊接熱處理技術規程:DL/T 819—2010[S].

[3]朱興元,劉憶.金屬學與熱處理[M].北京:北京大學出版社,2006.

[4]嚴正,馮建輝,肖德銘.超超臨界機組SA335-P92鋼焊接工藝方案和焊接工藝評定實踐[J].焊接技術,2008,37(1):21-26.

[5]火力發電廠焊接技術規程:DL/T 869—2012[S].

(本文責編：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工作(E-mail:285817342@qq.com)。

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