5、大口径厚壁P92管道不同形式现场热处理的比较及讨论

SPESC上海电力安装第二工程公司大口径厚壁P92管道不同形式现场热处理的比较及讨论编写：周烨斌王洪晖SPESC钢以其出色的性能现已被广泛应用于国内众多百万机组之中，而P92钢焊缝热处理过程中内外壁温差问题一直以来是影响P92钢焊缝内壁冲击韧性的主要原因。而目前施工现场热处理的方式主要依赖柔性陶瓷加热或者较先进的电磁感应加热两种，但任何一种单一热处理方式都不能完全满足现场的施工需要。本文试探寻不同方式的热处理或是其组合形式就P92钢现场热处理施工的技术特点，以及这些方式各自的适用范围。关键词：大口径厚壁P92感应加热内外壁加热SPESC×1000MW工程#3机组的安装工作。本工程中，P92钢主要被应用于屏式过热器出口联箱及管道、高温过热器出口联箱及管道、高温再热器出口联箱及管道、主蒸汽管道、导汽管道及热段管道等。同时，由于P92联箱多为分段到货，现场焊接形式，并且增加了分配集箱与汇集联箱的焊接，因此P92焊口的数量也比以往多出许多，而且P92管道的外径与厚度都普遍比以往有所增加，最厚者达到155mm。部件名称部件规格数量高压旁路管道Φ392×667屏过出口管道Φ609.6×1062高压旁路管道Φ406×755高过出口管道Φ560×10710屏过出口汇集集箱Φ660.4×1141主蒸汽主管道Φ550×9137屏过出口分配集箱Φ325×7519主蒸汽主管道Φ392×669高过出口汇集集箱Φ711.2×1432高再出口管道Φ812.8×4014高过出口分配集箱Φ355.6×9318热段蒸汽管道Φ825×3842高再出口汇集集箱Φ965.2×622热段蒸汽管道Φ583×284高再出口分配集箱Φ298.5×3037SPESC（J）Akv（J）P92450620202741P92钢是在P91钢的基础上添加了W元素，适当降低了Mo元素的含量，开发出来的新型马氏体耐热钢。P92钢具有良好的物理性能、较高的高温蠕变断裂强度、优异的常温冲击韧性、优良的抗氧化性能，适用蒸汽温度范围在580～620℃，故目前被广泛应用于百万机组中，做为高温高压蒸汽联箱及管道等部件的材料。P92钢化学成份P92钢机械性能SPESC[MPa]050100150200250CVN[J]100150200250300350HB750650700800850温度[℃]P92Ac1=800-830℃Ac1Ac1回火温度与P92焊缝硬度、屈服强度抗拉强度、冲击韧性的关系P92钢焊口的热处理对于焊缝的蠕变断裂强度、冲击韧性等有着重要的影响。P92钢属于马氏体耐热钢，焊后焊缝组织全部转变为脆硬的马氏体组织，组织硬度相当高，焊缝是由温度非常高的熔融状态冷却下来的，组织和晶粒不能获得细化，马氏体板条粗大，在板条马氏体亚结构内部存在高密度的位错缠结阻碍了位错运动，从而提高了马氏体基体的硬度和强度，又由于焊缝迅速冷却过程中，熔敷金属中的V、Nb元素无法均匀弥散地析出，降低了焊缝的韧性。SPESC保温时间[h]1234567010203040506070PWHT:760℃PWHT:750℃PWHT:740℃冲击CVN[J]焊后热处理对P92焊缝金属冲击韧性的影响通过高温回火热处理，马氏体板条并不发生再结晶，而是以多边化回复的马氏体板条碎化，和亚稳态位错网络的形成来释放马氏体相变时的形态储存能，此时，熔敷金属中的Nb、V元素在回火过程中形成了微细的C、N化合物析出，提高了焊缝的韧性及高温蠕变强度。(x103)05101520253035保温时间[h]01020304050607080冲击CVN[J]+20℃SMAW:ThermanitMTS6161PWHT:750℃/2hPWHT:750℃/4h38600℃时效对P92焊缝金属冲击韧性的影响由左右两张图可知，热处理工艺参数对焊缝的性能提升起着决定性的作用，尤其是对冲击韧性。而管道内表面正是由于不能达到与管外壁相同的热处理工艺，因此产生了差异，而随着壁厚的增大，这种差异也随之增大，随之很可能导致焊缝或热影响区的早期失效。因此，解决内外壁温差问题是目前热处理的当务之急。SPESC热处理实验，以及行业内相关P92的实验资料显示，当回火温度在740℃以下时，焊缝基体组织仍保持着相位较明显的板条马氏体组织特征，这也说明马氏体板条多变化回复不充分，没有形成完整的位错网络，形变储存能没有充分地释放，这使得此时的焊缝硬度值偏高，同时焊缝的冲击韧性以及其他性能指标也不能100%达到要求。因此，必须确保每一道P92焊缝的热处理温度达到工艺要求，同时把管道内外壁温差控制在最小范围。SPESC钢的供货状态是正火加高温回火，该钢的AC1温度为800～845℃，AC3为900～920℃，MS温度为370～400℃，Mf的温度大约为100℃以上，并且它们随奥氏体原始晶粒度的大小而变化。现场热处理温度通常根据规范要求取760±10℃。保温时间根据管道壁厚、加热温度、加热方式、保温散热条件等来确定，同时由于W的加入，P92钢的抗回火能力有所增强，焊缝冲击功更难以提高，保温时间需要相对长一些。通过Larson-Miller公式P=T(20-lgt)×10-3可以看出，由于内壁至外壁在厚度方向上温度的不均匀，使得在同样的恒温时间下，焊缝接头不同部位存在回火程度的差异。而通过延长恒温时间，在理论上似乎是可行的，根据上式，回火参数P（760℃，4h）相当于（740℃，12h）相当于（720℃，38h）。但回火参数对于焊缝冲击功的影响是相当复杂的，有资料显示，在760±10℃范围内，P92焊缝的冲击功达到41J以上，而在740℃左右，要达到这一指标必须延长恒温时间，而在730℃以下时，无论恒温时间再怎样延长，冲击功也很难达到41J这一韧度指标的要求。由此可见热处理的温度对于P92焊缝的韧度影响特别敏感，同时一味延长恒温时间也无法抵消内外壁温差导致的内壁性能下降。1.1回火参数SPESC钢管道焊接热处理都有自己相应的评定及试验依据，但往往实验室所得的数据与施工现场得出的有较大的出入。首先，管道规格与现场有极大地差别，实验用管道出于经济考虑同时实验室场地有限，一般为中等口径中等壁厚，长度较短，而现场管道的规格尺寸一般远大于试验用管道，无论是长度还是厚度，厚度的增加使得热量很难渗透，同时由于管道表面积的加大，现场热处理的热量散失很严重，在一定条件下，可能出现由表面向内部传递的热量与内外表面散失的热量达到一个平衡，也就是热量未深入内部就已先在表面散失。其次，实验场所环境条件、气候条件与现场环境工况条件有极大差别，现场的环境条件恶劣，风速增大、气温降低、雨雪天气都不同程度地影响了热处理的效果。本工程所处辽宁地区冬季平均风速4级、最低气温可达-20℃左右。因此，对于P92钢焊后热处理的相关依据、参考就现场施工而言，指导性有一定局限性，因此需要尽可能地在施工现场积累相关数据，通过对工艺试验依据的进一步修正，进而指导现场P92钢的热处理工作。1.2热处理评定及参考依据与现场施工的误差SPESC上海电力安装第二工程公司加热方式加热原理优势劣势柔性陶瓷电阻加热属于辐射加热，其加热原理是从加热器发出的热能以辐射的形式传到工件的外表面，依靠金属导热，再由外表面传导至管道内表面①设备价格较低，使用维护成本低廉②对操作人员要求不高，方法简单，效率较高③工艺较为成熟①受到其加热原理的局限，随着管道壁厚增大，内外壁温差明显对于厚壁P92管道，热能很难渗透、均匀，较难保证焊缝内壁的冲击韧性感应加热钢材在交变磁场中产生感应电势，感应电势在金属内部产生涡流和磁滞，在涡流和磁滞的作用下，使钢材自身发热①热源在外表面以下的某一位置，更接近内壁②由于是钢材自身发热，热量传递更加均匀①设备及其配件较昂贵，使用维护成本较高②感应线圈的设置、辅助加热板的设置等对操作人员有较高的要求③对于P92在730℃左右出现磁饱和，减缓了升温速度由于目前，感应加热设备最大功率为35KW，使得对于超厚壁P92管道，内外壁温差的控制有一定难度1.3热处理方式及各自的局限性SPESC℃，加热控制范围相对较窄2传统电阻加热方式在热能渗透方面存在局限性3感应加热方式面对超大壁厚管道也无法保证内壁温度4现场P92管道规格尺寸繁多，结构复杂5现场施工环境、气候相对恶劣为了有效地控制内外壁温差，提高焊接接头的冲击韧性：必须针对不同规格尺寸的P92管道，采用不同的热处理设备，这样可以把每一种设备的性能、状态发挥到最大限度，提高了效率、节省资源。同时对特殊规格的P92管道，可以采用组合形式进行热处理，以保证焊缝内表面的热处理效果。SPESC管道现场热处理工艺方案由于各种热处理加热方式都有自身的优缺点，任何单一的热处理方式是无法完全满足现场的质量要求、进度要求以及经济指标。有必要通过现场实际的操作、测试来积累一些不同热处理方式其各自的特点以及适用范围，同时进一步探讨，在对于超大壁厚以及某些特殊规格P92管道的热处理中，采用组合形式热处理加热方式的可行性。通过加深对不同方式热处理的了解，掌握各自的特性，可以更加合理地制定P92管道热处理方案，在提高热处理质量的同时，提高效率，更合理并充分利用、分配资源。2.1目的在本工程中，大部分高温高压蒸汽联箱为分段到货形式，现场完成焊接组合，其中不乏P92材质的联箱，口径及厚度的范围跨度较大，因此，对于不同规格的联箱采用不同形式的热处理，就其内外壁温差的控制具有可比性。我方在工艺评定的基础上，根据不同的规格，调整了热处理工艺，拟定了三个方案。2.2试验方案SPESC柔性陶瓷电阻加热（方案A）高温再热器出口联箱，材质SA-335P92，规格为Φ965.2×62mm，联箱分为3段，现场焊接2道焊口，联箱总长度为36304mm，焊接面厚度为54.5mm，现场拟采用柔性陶瓷电阻加热法进行焊后热处理。高温再热器集箱SPESC上海电力安装第二工程公司屏式过热器出口集箱连接管，材质材质SA-335P92，规格为Φ609.6×106mm，联箱总长度为34998mm，出口连接管长度1700mm，现场焊接1道焊口，焊接面厚度为100mm，现场拟采用电感应加热同时配合柔性陶瓷辅助加热来进行焊后热处理。2.2.2电感应加热（方案B）屏式过热器出口集箱SPESC柔性陶瓷管内外同时加热（方案C）高温过热器出口集箱高温过热器出口联箱，材质SA-335P92，规格为Φ711.2×155mm，联箱分为3段，现场焊