中頻感應熱處理改善P92鋼焊接接頭性能的研究

劉天佐，張傳清，尹少華，徐忠峰，魏玉忠

1華電國際電力股份有限公司；2蘇州熱工研究院有限公司；3華電國際鄒縣發電廠

中頻感應熱處理改善P92鋼焊接接頭性能的研究

劉天佐1，張傳清1，尹少華2，徐忠峰2，魏玉忠3

1華電國際電力股份有限公司；2蘇州熱工研究院有限公司；3華電國際鄒縣發電廠

本文研究中頻感應熱處理對P92鋼焊接接頭組織及性能的影響，并通過分析針對P92鋼焊接接頭的拉伸試驗、沖擊試驗、彎曲試驗、金相組織等數據得出：中頻感應熱處理方法相對于柔性陶瓷電阻加熱方式，焊縫性能的均勻一致性有明顯改善，并且對焊接接頭的韌性的改善有重要影響。

中頻感應設備；熱處理；P92鋼；焊接接頭；組織；性能

概述

焊后熱處理對P92鋼組織和性能有重要影響，工程現場對大厚壁管道的焊后熱處理多采用包裹柔性陶瓷電阻加熱。柔性陶瓷電阻加熱器加熱，因其依靠加熱器發出的熱能以輻射形式從外向內傳導熱量，對厚壁管易造成內外壁溫差過大，且電阻加熱器在高溫狀態下反復使用，電阻絲膨脹伸長易裸露及斷絲，容易出現漏電現象，造成施工電源保護跳閘，影響熱處理質量和工程施工。與電阻加熱的方式不同，中頻感應加熱是通過感應線圈的電磁感應使管件自身發熱，加熱效率更高，加熱時管件各部的溫度均勻，同時沿管子徑向方向的溫差也小。因此本文研究采用中頻感應加熱的熱處理方案對P92鋼焊后組織和性能的影響，為現場施工過程中熱處理參數的制定提供一定的指導價值。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為規格Φ355mm×90mm×600mm的P92鋼，焊材選用蒂森P92焊接材料：GTAW焊絲牌號：Thermanit MTS 616，規格：Φ 2.4mm；SMAW焊條牌號：Thermanit MTS 616，規格：Φ2.5mm、Φ3.2 mm。

1.2 焊接及熱處理工藝

焊接方法采用氬弧焊打底，手工電弧焊填充蓋面。焊前嚴格清理坡口周圍表面油污、氧化皮。焊接時采用水平固定的5G焊接位置施焊。焊接時，采用堵板或耐高溫膠帶封閉兩端制成氣室，采用管內充氬保護。采用多層多道焊接。

焊接工藝參數：氬弧焊打底預熱溫度150℃，升溫速率150℃/ h，溫度到后保持60min以上，層間溫度150～250℃；手工電弧焊預熱溫度200℃，層間溫度200～300℃。

中頻熱處理設備1臺，型號：RLPC，功率：中頻80KW+電加熱6×20KW，兩者獨立控制，可組合也可分開使用，頻率1000～2000HZ；

1.3 熱電偶布置

在還原環境中，當有機質存在時，脫硫酸細菌能使SO42-還原為H2S，結果使得地下水中SO42-減少，pH值變大。

在管子內外壁6點、9點和12點位置布置6個測溫熱電偶，另外，在12點焊縫側距加熱中心85mm、170mm處各布置一個；12點位分別在壁厚深度10mm、45mm及80mm位置各布置一個，熱電偶編號及分布位置示意見圖1。感應線圈匝數及長度等參數設置見表1。

表1 感應圈匝數長度參考值Table1 Induction circle turns length reference value

1.4 焊后熱處理工藝

控溫熱電偶設置為11#熱電偶。如圖3所示，焊后先進行100℃×2h保溫。為了加工放置熱電偶的盲孔，將焊縫升溫至350℃±10℃進行2 h后熱處理。

重新布置好測溫熱電偶、保溫棉及中頻感應加熱裝置，將溫度升溫至760℃±5℃進行9 h高溫回火處理。300℃以下不控溫，300℃以上升降溫速度≤70℃/h。

圖1 熱電偶編號及分布位置示意圖

2 實驗結果及分析

2.1 室溫拉伸試驗

室溫拉伸試驗結果表明，采用中頻感應進行熱處理的焊縫試樣抗拉強度平均值為655MPa，滿足標準規定的P92鋼母材性能要求，且斷裂位置均在母材，外層試樣與內層試樣抗拉強度接近，說明外層、內層的焊縫室溫抗拉強度比較均勻，熱處理效果一致。

2.2 沖擊試驗

焊縫及熱影響區沖擊試驗結果表明：

（1）采用中頻感應進行熱處理并以焊縫為缺口中心的3組沖擊試樣中，除內層取樣位置的一個試樣的沖擊功為28.2J，低于標準要求。其余沖擊吸收功均高于標準要求，表明該主汽管P92焊縫韌性較高，具有較強的對抗外來沖擊負荷的抵抗能力；

（2）以熱影響區為缺口中心的3組沖擊試樣，所有試樣的沖擊吸收功均遠高于標準要求，并高出一個級別。說明中頻感應熱處理后試樣熱影響區具有良好的韌性儲備。

2.3 彎曲性能試驗

對焊縫進行彎曲試驗。側彎采用焊縫橫向樣，彎曲壓頭直徑為4倍試樣厚度。試驗結果表明，采用中頻感應加熱進行熱處理的試樣，彎曲180°后，D3試樣出現長2.8mm裂紋，D4試樣無肉眼可見裂紋。表明試樣焊縫具有一定的抗彎曲性能，滿足相關標準要求。

2.4 金相組織

在中頻感應加熱管道的外壁，中部、內壁取金相試樣觀察，從金相結果可以看出，中頻感應加熱的管道，在組織成分均為回火馬氏體加少量鐵素體。焊縫區組織較母材和熱影響區略粗，外層、中層、內層試樣的組織較均勻，組織成分無明顯變化，說明中頻感應熱處理后的焊接接頭組織更加均勻。

3 結論

（1）采用中頻感應加熱熱處理工藝條件下焊接接頭彎曲性能滿足標準要求，對其焊縫沖擊吸收功對比分析可知，焊縫沖擊值沿焊縫厚度方向分布較為均勻，且均高于P92母材標準要求值。表明采用目前的中頻感應熱處理工藝參數能夠達到改善焊縫韌性的效果。

（2）中頻感應加熱熱處理后焊接接頭的室溫抗拉強度沿壁厚方向分布均勻，說明熱處理效果均勻一致。

（3）金相組織觀察發現，采用中頻感應熱處理后，外層、中層、內層焊接接頭的組織較均勻，組織成分無明顯變化，表明中頻感應熱處理后的焊接接頭組織更加均勻。

（4）通過本次試驗分析，表明了中頻感應熱處理方法對于焊縫性能特別是其韌性的重要影響。經過標準要求的熱處理時間，中頻感應加熱熱處理方法能夠有效改善P92鋼焊縫韌性。

[1]祝國勝，魏國琴，王駿.新型熱處理電源的研發與應用[J].焊接設備與材料，2015