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【摘要】本文针对材质为SA335-P92的高合金钢大径厚壁管道现场安装焊接时所面临的一系列难题，进行系统的工艺试验研究分析，对现有技术进行改进，研制了大径厚壁管对口专用装置及层间温度自动控制装置，同时创新了大径厚壁管焊后热处理工艺方法，提升整个焊接接头性能，最终形成一套有效的高合金耐热钢大径厚壁管道焊接及热处理施工工艺，推广应用于电厂建设中，取得较好效果。
【关键词】高合金耐热钢；大径厚壁管；焊接及热处理
【中图分类号】TG15
0 引言
当前，随着电力工业技术发展和安全环保要求的提高，高参数、大容量发电机组得到快速发展，高合金耐热钢广泛应用于电站高温、高压蒸汽管道，随机组蒸汽参数的不断提高，其蒸汽管道的设计管径越来越大、管壁越来越厚，而在现场安装中的焊接接头性能决定了机组能否在复杂工况下长期安全、稳定运行。由于高合金耐热钢合金元素含量较高，焊接淬硬倾向大，焊接性较差，并且随管径增大、管壁增厚，其焊口拘束度增大，焊接及热处理质量控制难度也相应增加，现场设备母材在正常供货情况，通常都经过层层检验，母材都处于合格状态，那么，如果现场安装焊接及热处理质量控制不当，将严重影响整个焊接接头性能。为提高高合金耐热钢焊接接头的性能，降低后续运行中的安全风险，特开展高合金耐热钢大径厚壁管道焊接及热处理技术研究。
1 现状调查及问题难点
1.1 现状调查
通过调查了解，在电厂建设现场如果焊接及热处理施工中原始焊缝质量差，内壁焊缝冲击韧性低，管道接头各区域（母材、热影响区、焊缝）、管道内外壁、管道周向硬度不均匀都严重影响焊接接头综合性能，不能满足机组在高温、高压、频繁调峰等复杂工况下长期安全、稳定运行。如：某电厂规格为Φ508×85mm，材质为 SA-335P92的高温蒸汽连接管在检修是发现焊缝和热影响区存在微裂纹，后续研究分析，部分区域热影响区母材硬度低于180HBW、根部焊缝内壁焊缝硬度值高于270HBW、内壁焊缝冲击值小于规程要求的41J，最终进行割口换管处理
1.2 问题难点
经大量的数据查询发现，对于高合金耐热钢大径厚壁管道焊接及热处理工艺试验，国外最多焊接壁厚40mm的短管道，国内在国外焊接工艺的基础上发展到壁厚为55mm左右、长度不超过1000mm，传统试验工艺进一步应用到壁厚超过70mm、长度超过1000mm的长管道则出现以下问题：
（1）大尺寸的管道焊口对中困难；（2）厚壁管件散热太快，预热困难，易于产生冷裂纹；（3）焊后热处理后的硬度不均匀、冲击韧性不足。
2 主要研究内容及取得成果
通过上述的调查分析研究，其中焊接过程中组对质量、焊前预热、焊接热输入的控制都影响其接头最终性能；管段长短、焊后热处理加热宽度对内外壁温差的影响；另外，采用柔性陶瓷电阻加热和中频感应加热方式热处理其效果都有所不同。
2.1 焊口组对及焊前预热控制工艺研究
2.1.1 焊接组对。主要指组对间隙预留的合适性，错、折口把控的符合性。预留间隙不符合要求、错口和折口超标都会增加根部焊缝产生未焊透、焊瘤、咬边、过渡不圆滑等缺陷的几率。在复杂工况下，应力分布不均匀容易在焊接缺陷位置集中释放，从而导致焊接接头失效。对此，为提高焊口组对精确度，自主研究了大径厚壁合金钢管道专用对口器及其制作方法，申请发明专利并获得授权（专利号：CN201710958971.0），有效解决了大径厚壁合金钢管道焊口在组对过程中夹具固定和预热工序冲突的难题，同时装置内部的硅酸铝保温棉也提升了焊口预热效率，提高了大径厚壁合金钢管道组对效率、质量和焊口预热效率。
2.1.2 焊前预热。是降低焊接接头内应力和裂纹发生率的有效措施之一。焊前预热温度在标准规程规定数值范围内，温度越高裂纹缺陷产生的几率越低。通常情况下，为减小对焊接操作的影响，以及受焊口组对装置的限制，预热装置距坡口位置较远，经热电偶反馈的预热温度不能真实反映接头待焊坡口的实际温度。高合金耐热钢预热即要考虑防裂纹产生，同时要确保根部充氩保护装置不被损坏，因此在大径厚壁合金钢管道专用对口器的基础上，进行优化，使得该对口器同时具有预热的功能。
2.2 焊接热输入对焊接接头性能影响的研究
2.2.1 焊接热输入是指熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热能。热输入等于焊接电流、电弧电压、热效率的乘积和焊接速度的比值：E=IUη/v
其中：I-焊接电流，A；U-电弧电压，V；v-焊接速度，mm/ min；η-热效率系数， 热效率系数按焊接方法分类，氩弧焊 0.5，手工电弧焊 0.7-0.8；电压以 V 计；电流以 A 计；焊接速度按 mm/min 计。
热输入过高时，焊材中合金元素烧损严重，同时焊缝结晶晶粒粗大，造成最终焊缝金属强度和韧性降低，同时也加大了焊接残余应力。
由上式可知，焊接热输入主要与焊接电流、焊接电压、焊接速度有关，其中电流、电压能够在焊接设备上显示，能够精准控制，而焊接速度不宜客观测控，而焊接速度的控制间接反映其层间温度控制情况。
2.2.2 按照标准规程，通常情况下焊道厚度的控制一般要求采用规格为Φ3.2mm的焊条，且每层焊道厚度严格控制在3.0mm以下，而对于层间温度的控制主要通过热电偶来实现。但由于热电偶布置位置相对坡口位置较远导致测控反馈滞后不能够及时、真实有效的反馈施焊位置的层间温度，从而易发生焊接过程层间温度超温，进而使得焊接热输入超标，最终降低了整个焊接接头的强度和韧性。为精确的监控层间温度防止焊接热输入过高，研发了大径厚壁合金钢管道层间温度自动控制装置，通过360°可旋转红外线测温仪，多角度对焊缝层间温度进行监测，并实时将测量的温度通过信号线传递给设定温度的继电器。通过继电器控制焊接设备的电源，有效的控制焊接层间温度，避免因层间温度过高而引起焊接接头晶粒粗化严重，塑性、韧性指标降低，保证层间温度测控的及时、有效，降低了焊接热输入。
2.3 焊后热处理恒温温度控制技术研究
焊后热处理是保证焊接接头性能的重要措施，热处理温度是影响焊接接头力学性能的主要因素。焊后热处理的恒温温度不同，接头组织转变后的产物就存在较大的差异性，接头组织的差异越大，其综合性能就越差。通常在焊后热处理完成后对接头进行硬度检验，通过硬度值来间接反映焊接接头热处理组织转变情况，其硬度差越大，组织差异就越大，综合性能就越差。焊接接头包括焊缝金属、近缝区母材和母材，焊缝金属与近缝区母材的硬度均匀性能够一定程度上客观反映焊接接头综合性能的均衡性。
根据高温回火原理，焊后热处理恒温温度越高，焊缝金属及近缝区母材热处理前后硬度值降幅越大。因此焊后热处理如果恒温温度选择不当，极易造成焊缝出现未回火马氏体（硬度偏高）、近缝区母材出现过度回火的回火索氏体（硬度偏低）等异常组织。
通过研究掌握了恒温温度对焊接接头各区域硬度的影响，归纳总结出一种大径厚壁管的焊后热处理方法，基于原始母材硬度对恒温参数进行优化选择，提高整个焊接接头硬度的均匀性。
2.4 管段长短对焊后热处理内外壁温差的影响研究
按照电力建设焊接有关规定，此类高合金大径厚壁管在焊接前必须有符合DL/T868《焊接工艺评定规程》、NB/T47014《承压设备用焊接工艺评定》要求的焊接工艺评定。现分别采用规格为Φ525×110mm的SA335-P92长（L1=1500mm，L2=7500mm）、短（L1=600mm，L2=600mm）管道进行工艺评定验证试验。热处理前均对原始母材进行硬度检测试验并做好记录，按照热处理工艺要求进行热处理试验，0点、3点、6点位置外壁各设置1处测控热电偶，内壁设置1处测温热电偶。
通过实验统计数据得出：同样加热宽度处理同样规格但不同长度的管道，内外壁温差确实不同，为进一步探索长短管段的焊接接头热处理后性能差异，按照DL/T868、NB/T47014规程要求，对短管道、长管道分别取拉伸试样、弯曲试样、冲击试样进行力学性能试验。其中拉伸试验、弯曲试验均合格且抗拉强度基本一致，但冲击韧性确实存在差异。
综上所述，同样规格加热器处理同样材质、规格的短管段和长管段时，短管段热处理过程中更容易形成一个整体加热“炉”，内外壁温差小；而长管段由于散热损失较快，内外壁温差大，因此只有采用长管道进行试验才能高度模拟现场管道热处理真实效果。
2.5 焊后热处理加热宽度对内外壁温差的影响研究
采用 ANSYS Workbench 软件对规格为Φ525×110mm的大径厚壁管内外壁温度梯度进行模拟，理想状态下，温度在厚度方向上递减的温度场。根据温度场模拟图可以得出，要确保根部温度超过 735℃及内外壁温差不能超过最大温差（具体根据选择的恒温温度确定，最大温差=恒温温度-临界温度，以常规选择恒温温度760℃为例，考虑到测量误差，其内外温差最好控制在 25℃以内），外侧就必须保证足够的加热宽度。
根据力学性能试验，采用柔性陶瓷电阻电加热方式热处理时，焊接接头焊缝金属及热影响区冲击韧性客观存在沿厚度方向递减，通过测温显示，其内外温差满足了规程≯50℃的要求，但内侧焊缝冲击韧性不满足要求。根据初步研究分析，焊接接头在热处理过程中，可能存在某一个“临界温度”点，只有超过这一温度点才能保证焊缝在热处理过程中，转变的组织冲击韧性良好。
为了进一步探索验证这一“临界温度”点的存在，在管道“0点位置”沿厚度方向上分层取样进行冲击试验，根据厚度方向冲击值递减曲线可以推算出满足冲击值≥41J的深度为75mm；而根据厚度方向上温度递减曲线可以算出75mm深度的恒温温度为735℃。
综上所述，管道接头任何一处的热处理恒温温度只有≥735℃的“临界温度”，方能保证整个焊接接头的冲击韧性合格。
2.6 中频感应加热技术在焊后热处理中的应用研究
电站建设焊口热处理方式除常规的柔性陶瓷电阻电加热外，还有中频感应加热。因远红外柔性陶瓷电阻加热方式的设备投入较低，且在高合金大径管预热、低温保护、后热时操作更快速便捷，但是对于厚壁管的热处理内外差控制方面存在较大的缺陷；而中频感应加热虽然设备投入较大、机械使用效率较低，但在控制内外壁温差方面却具有较大的优势。对此，结合现场实际，基于两种热处理优点创新组合热处理法，创新发明一种高合金大径厚壁管中频及柔性陶瓷电阻加热组合热处理方法。本方案有效解决了柔性陶瓷电阻加热对母材损伤大和中频感应加热设备投入大，预热、低温保护操作不便的缺点，也保证了高合金钢大径厚壁管焊接接头热处理效果，同时提高两种热处理设备的使用效率，极大的优化了资源配置，降低了施工成本。
3 操作要点
3.1 焊前准备
高合金钢大径厚壁管道焊接组对前，对坡口两侧的母材进行硬度测试，并做表面探伤处理，确保无表面裂纹等缺陷后，利用大径厚壁合金钢管道专用对口器进行组对，使用9%~12%Cr钢大径厚壁管道充氩及内置加热保温工装提前做好充氩保护气室。
3.2 焊前预热
按照规程要求，采用柔性陶瓷电阻加热方式进行焊前预热，确保坡口根部温度到位后方可根部焊接。
3.3 现场焊接
确定两侧部件满足组对要求后，在管道外壁固定大径厚壁合金钢管道层间温度自动控制装置，并接通线路，严格按照工艺要求进行焊接，焊道厚度不超过3mm、焊道宽度不超过焊条直径的4倍、焊接速度80mm/min-120mm/min、焊接层间温度不超过250℃。
组合焊接时，管道内可放置9%~12%Cr 钢大径厚壁管道充氩及内置加热保温工装。接通内外加热器对管道进行预热，并从内置工装的充氩部件开始充氩，预热温度达到要求并保温至少 0.5h 后方可开始打底焊接，边移除高温胶带边焊接，确保充氩保护效果。焊接过程中，利用大径厚壁合金钢管道层间温度自动控制装置将层间温度严格控制在 200℃-250℃。
3.4 焊后热处理
焊接完毕后将焊接接头保温，缓慢冷却到 80℃-100℃，恒温 2h 后立即拆除预热加热器，做焊后热处理工作。采用柔性陶瓷电阻加热的方式进行热处理。按照《火力发电厂焊接热处理技术规程》DL/T869 规程，柔性陶瓷电加热加热器宽度采用管径与壁厚（D/δ）确定，确保最终确定的加热宽度比规程计算的最小加热宽度多 0.8 倍。确定好加热器数量后，按照加热器布置方式进行“分区测控温”。热电偶点焊固定后仔细检查热电偶的点焊强度，两焊脚间距不得超过 6mm，同时使用铁丝再进行固定，固定选择准备好的加热器，每组加热器应与其分区控温热电偶相对应，加热器布置完成后使用 8#铁丝对加热器进行固定，使其与管壁紧贴，固定过程中轻拿轻放，防止碰坏热电偶测点。依据母材硬度按照 选择恒温度，并按照“分区控温”特点优化设置各区的恒温温度，其他升降温速率、恒温时间等参数按规程实施进行焊后热处理，热处理过程中注意观察控温热电偶与测温热电偶的温度变化，特别是恒温后，注意任何一点不得有超温现象，并做好热处理过程记录，待温度降至 300℃后，立即拆除保温棉和加热器，在空气中自然冷却。
4 成果应用情况
该项技术研究成果已经成功推广应用在承建的多个1000MW机组项目，保证了高合金钢大径厚壁管的焊接热处理一次合格率达到100%，应用效果显著。以某1000MW机组项目为例，高合金大径厚壁管约350只，应用该技术后焊口热处理一次合格率100%，减少14只焊口的返修，每只焊口返修的综合费用约5万元，那么可节省直接费用70万元；缩短工期72天，节省人工成本费用92.2万；减少电能消耗 75%，节省电能消耗费用47.8万。由此可见节省总成本费用为210万元。
5 结论
通过对高合金钢大径厚壁管焊接接头性能提升技术的研究与应用，提升了电站机组焊接接头的性能，延长了高合金钢大径厚壁管道焊缝使用寿命长期，确保了机组安装进度和质量安全，为日后机组的安全稳定运行奠定了良好基础，在国内外及行业内起到了技术引领作用，具有较好的推广前景，经济和社会效益显著。
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论文作者:李海1,,杨俊茵2,, 王伟3,,张彬1
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第09期
论文发表时间:2019/9/10
标签：温度论文; 管道论文; 耐热钢论文; 合金论文; 硬度论文; 合金钢论文; 恒温论文; 《当代电力文化》2019年第09期论文;