高合金鋼大徑厚壁管焊后熱處理熱平衡技術研究

■ 王登第，王于亭，李漢華，高若瀚，李 保

1.概述

隨著大容量高參數機組的逐漸發展，高合金鋼廣泛應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，所以焊后必須進行熱處理以消除內應力，得到較為理想的金相組織，方可滿足使用要求。

近幾年來，我公司承擔周邊區域多臺機組的檢修業務，檢修過程中發現個別壁厚≥80mm的高合金鋼大徑厚壁管內壁焊縫和熱影響區存在延遲微裂紋，經進一步檢測發現焊縫和熱影響區、內外壁硬度差異較大。與此同時，公司承建的多臺660MW容量以上機組，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生的原因并提升在建機組高合金大徑厚壁管質量在當時成為重要課題。

經專家初步分析，延遲微裂紋是由于焊口在熱處理過程中熱平衡效果不佳，直接體現為焊縫與熱影響區、焊接接頭外壁與內壁存在較大的硬度差，在長期高溫高壓工況下，引起應力突變造成的。根據現場施工實際條件，可能存在以下原因。

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

（2）因片面追求施工速度導致焊接過程中層間溫度超標，直接導致焊縫硬度偏高，焊縫和熱影響區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，采用常規的加熱方式客觀存在著外壁與內壁的巨大溫度差。

（4）焊后熱處理時，加熱器寬度和功率選擇不合理，導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.研究內容

（1）恒溫溫度的選擇對母材硬度的影響 目前電力建設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，容易出現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。同時規范規定：母材硬度合格值為185～250HBW；焊后熱處理硬度檢測合格值為180～270HBW。

對不同硬度范圍的母材同一處位置在不同恒溫溫度范圍進行正交試驗，統計結果如表1所示。

根據試驗統計發現，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是現場檢測的重要指標，因而現場存在重視焊縫硬度合格而忽視母材熱處理硬度的情況。通過對現場高合金管道原始母材硬度進行統計分析，原始母材硬度大部分處于180～220HBW。通過焊縫與熱影響區熱處理硬度檢測試驗統計看出，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，試驗統計結果如表2所示。

通過以上內容可以得出，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行檢測監控，但焊縫層間溫度的實時測控存在較大困難。

（3）焊縫焊后熱處理內外壁熱平衡狀態 基于ANSYS12.0軟件對大徑厚壁管內外壁溫度梯度變化進行模擬研究，發現內壁溫度均溫區普遍偏小，具體如附圖所示。在現場采用規格為?518mm×90mm的高合金大徑厚壁管進行常規加熱方法下的內外壁熱平衡試驗驗證，測溫數據如表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計

高合金大徑厚壁管道焊后熱處理壁厚方向溫度場

根據統計得出：當外壁溫度達到恒溫溫度時，內部溫度存在約40℃的溫差。這雖然滿足了規程中溫差不超過50℃的要求，但經過對根部焊縫及熱影響區進行測試，明顯根部焊縫溫度偏低，不利于金相組織轉變再形成。

（4）加熱寬度與均溫區的保證 根據《火力發電廠焊接熱處理技術規程》DL/T869，加熱器寬度采用管徑與壁厚（D/δ）確定，按照現場高合金鋼大徑厚壁管道實際規格，基本符合以下兩條件。

具體如下：

首先，當D/δ≤7.5時，加熱寬度從焊縫中心起，每側不小于管子壁厚的4倍。

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

以規格為? 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行試驗，按照規程計算其加熱寬度如表4所示。

根據以上數據進行加熱處理并在內外壁軸向上每隔5mm設置多處測溫熱電偶，測出均溫區寬度統計如表5所示。

根據表5統計可以看出，對于壁厚δ≥80mm的大徑厚壁管道，其電力規程規定的最小加熱寬度不能夠滿足要求。

基于以上研究內容，對最小加熱寬度每側做一個壁厚δ"的增量處理，由于電力建設現場常見的大徑厚壁管壁厚δ集中于80～130mm區間，為方便起見可以選擇δ"=100mm，經驗證可行。

表3 高合金大徑厚壁管常規加熱方法下的內外壁熱平衡統計

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寬度

3.結語

（1）只有按照母材硬度范圍將焊后熱處理恒溫溫度進行優化細分，才能夠較好的兼顧母材熱影響區力學性能。如母材硬度在180～200HBW內，焊后熱處理恒溫溫度不宜超過755℃；母材硬度在230～250HBW內，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時層間溫度必須嚴格控制在規程要求范圍內，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，在內壁進行輔助加熱，可以有效提升內外壁熱平衡狀態，并將溫差減小至20℃以下。

（4）對于壁厚δ≥80mm的大徑厚壁管道，其電力規程規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的方式計算，能夠有效保證管道內外壁均溫區。