中頻感應熱處理工藝參數對P91鋼厚壁管焊縫沖擊韌性的影響

王立玉，張 鵬

（中國能源建設集團江蘇省電力建設第一工程有限公司，江蘇 南京 210001）

P91鋼廣泛應用于火力發電廠的高溫高壓蒸汽管道，P91鋼厚壁管焊接完成后需要進行高溫回火處理。中頻感應加熱方法以其加熱均勻、內外壁溫差小、加熱效率高的特點，在厚壁管焊后高溫回火上有取代陶瓷電阻加熱或遠紅外輻射加熱之勢。恒溫溫度和恒溫時長是高溫回火熱處理的兩個最重要的工藝參數，從目前各施工單位在火力發電廠建設和檢修工作中的中頻感應熱處理應用情況看，恒溫溫度和恒溫時長的選擇上不盡相同，恒溫時長一般在2～4min/mm（按壁厚計），主要是依據各單位的焊接工藝評定和中頻感應熱處理設備廠家的實踐經驗。

目前施工單位大多數只是根據單一熱處理工藝參數的焊接工藝評定來制定不同規格的焊件熱處理工藝，雖然所依據的工藝評定各項試驗數據都是合格的，但是在實際施工中，熱處理后只進行無損探傷、硬度試驗和金相檢驗，力學性能無法進行試驗，而P91這種細晶強韌型馬氏體耐熱鋼的焊縫沖擊韌性遠低于母材值[1]，且受熱處理工藝影響較大，是焊接工藝評定各項指標中最容易產生不合格的項目。因此，有必要研究改變中頻感應熱處理工藝參數對P91厚壁管焊縫沖擊韌性的影響，以尋求找到更為合適的熱處理工藝參數指導施工實踐。

1 試件制作

1.1 試件鋼材及焊材

因為我們主要研究的是熱處理工藝參數對P91焊縫沖擊韌性的影響，考慮到必要性和經濟性，在做對比試驗時，選用大口徑厚壁碳鋼管（Ф610×50、20G）作為試件母材，加工坡口后選用與P91匹配的焊接材料（焊絲CrMo91、焊條CROMOCORD 9M）進行焊接，制作四個試件（試件編號分別為A、B、C、D）。

1.2 試件焊接工藝

采用氬弧焊（GTAW）打底，焊條電弧焊（SMAW）填充和蓋面方法。水平固定（2G）,目的是盡可能使每一道焊縫的焊接線能量在整圈上均勻一致，給后續對比試驗提供相同前提條件。

四個試件焊接采用相同的工藝參數，焊接電流、電弧電壓、焊接速度等范圍見表1。焊槍氬氣(99.99%)流量8～12L/min，背面保護氬氣流量15～20L/min。單面焊雙面成形，層間機械打磨清理，連弧、擺動焊，每根焊條所焊接的焊道長度與該焊條的熔化長度之比大于50%，焊層厚度不大于焊條直徑，焊道寬度不大于4倍焊條直徑[2]。

焊前預熱溫度150℃，層間溫度150～250℃，采用履帶式陶瓷電阻加熱。每個試件焊接完成后，立即進行馬氏體轉變，即試件溫度降至100℃時保溫1.5小時。隨后進行350℃恒溫2小時的后熱處理。采用履帶式陶瓷電阻加熱。

2 熱處理工藝試驗

2.1 熱處理試件位置

考慮到管子水平固定時不同位置會有一定溫差，可能會得到更多溫度與時間的組合樣本，所以焊后高溫回火熱處理時把四組管子試件全部水平固定，標記好鐘點位置。

2.2 熱處理恒溫溫度及恒溫時間

四組試件設定四種不同的恒溫溫度與恒溫時間的組合，具體參數見表2。

表2 熱處理恒溫溫度及恒溫時間

2.3 熱處理其它工藝參數

升溫速度與降溫速度≤120℃/h，加熱寬度350mm，保溫寬度600mm，保溫棉厚度50mm，感應線圈匝間距10mm。

2.4 熱電偶布置

每組試件布置3支熱電偶，1支布置在管子外側12點焊縫中心位置，作為控溫熱電偶；另外2支為監測熱電偶，分別布置在管子外側3點和6點焊縫中心位置。熱電偶布置示意如圖1所示。

表1 焊接工藝參數

圖1 熱處理綁扎及熱電偶布置示意圖

3 試驗結果與數據分析

3.1 熱處理溫度記錄

四組試件恒溫狀態時不同位置的熱電偶測的溫度見表3。從表中可以看出，四組試件的6點鐘位置與12點鐘位置溫度相差幾乎一致，約8～10℃，因此可以取試件B的6點鐘位置（740℃、恒溫3min/mm）參與對比試驗。

表3 熱處理溫度記錄

3.2 外觀檢查與UT檢驗

對四組試件焊縫做外觀檢查與UT檢驗，外觀未發現裂紋、未熔合、夾渣、弧坑、氣孔、深超過0.5mm的咬邊等缺陷，UT檢驗未發現內部有超標缺陷。

3.3 硬度檢驗

采用便攜式里氏硬度計對四組試件焊縫的12點、3點、6點位置分別進行硬度檢驗，硬度檢驗記錄見表4。從檢驗結果可以看出，四組試件焊縫沿圓周方向硬度不均勻，12點位置硬度最低，6點位置硬度最高，但所有硬度值都在DL/T438《火力發電廠金屬技術監督規程》規定的合格范圍內（HBW185-HBW270）[3]。

表4 焊縫硬度檢驗記錄

3.4 微觀金相檢驗

在四組試件中取5個試樣做微觀金相檢驗，取樣部位為四組試件的12點位置和試件B的6點位置，從焊縫上層中心位置取樣。5個試樣顯微組織均為回火馬氏體，鐵素體含量極低，未發現異常組織和其它缺陷。

3.5 常溫沖擊試驗

在四組試件中取5組試樣做夏比V型常溫沖擊試驗，取樣部位為四組試件的12點區域和試件B的6點區域，從焊縫上層中心位置取樣。試驗結果見表5。

從試驗結果看，試件A12點區域（750℃恒溫2.5min/mm）和試件B 6點區域（740℃恒溫3min/mm）的焊縫試樣沖擊功均不滿足標準要求（＞41J）。試件B 12點區域（750℃恒溫3min/mm）的焊縫試樣沖擊功勉強達到標準要求。試件C 12點區域（750℃恒溫3.5min/mm）和試件D 12點區域（760℃恒溫3min/mm）的焊縫試樣沖擊功均滿足標準要求，但試件D的沖擊值要比試件C的沖擊值高出約50%。

4 結論

采用中頻加熱740℃恒溫3min/mm、750℃恒溫2.5min/mm、750℃恒溫3min/mm、750℃恒溫3.5min/mm和760℃恒溫3min/mm四種工藝參數對P91焊縫進行高溫回火處理，焊縫硬度和金相組織均符合標準要求，但740℃恒溫3min/mm和750℃恒溫2.5min/mm兩種工藝的焊縫沖擊性能不合格，750℃恒溫3min/mm工藝的焊縫沖擊性能基本合格，750℃恒溫3.5min/mm和760℃恒溫3min/mm兩種工藝的焊縫沖擊性能合格且后者更好。