1000MW空冷機(jī)組主蒸汽管道焊后熱處理工藝

韓道永

(寧夏電力建設(shè)工程公司，銀川市 750001)

0 引言

寧夏靈武電廠二期工程2×1000MW超超臨界空冷機(jī)組主蒸汽管道采用P92鋼，規(guī)格為φ563.2 mm×96.8 mm。在P91鋼成分的基礎(chǔ)上，用1.5% ～2%W代替了部分的Mo、添加適量的B，得到一種改進(jìn)型的P92鋼，P92鋼已被列入ASME規(guī)范及GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》［1］標(biāo)準(zhǔn)。P92鋼供貨狀態(tài)為正火溫度1040～1080℃，回火溫度750～780℃，微觀金相組織為回火馬氏體。由于P92鋼中W、Mo固溶強(qiáng)化和V、Nb、B碳氮化物沉淀強(qiáng)化的作用，該鋼較包括P91、F12在內(nèi)的9% ～12%Cr鋼，表現(xiàn)出更高的抗蠕變斷裂強(qiáng)度性能，其在600℃時(shí)的蠕變強(qiáng)度提高了近30%。

P92鋼焊接及熱處理工藝復(fù)雜，尤其焊后熱處理溫度范圍窄，內(nèi)壁溫度不易達(dá)到規(guī)范要求。國(guó)內(nèi)多家電力科研、建設(shè)單位的工藝評(píng)定試驗(yàn)表明，當(dāng)P92管道恒溫過程中內(nèi)壁溫度小于740℃時(shí)，焊縫根部沖擊功已低于41 J，且焊縫組織也不是清晰的板條馬氏體組織，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但焊接工藝評(píng)定采用的管道直徑、厚度與現(xiàn)場(chǎng)主蒸汽管道的規(guī)格差距很大，厚度差達(dá)50～60 mm。隨著管道壁厚的增加，管道對(duì)缺陷的敏感系數(shù)增大，缺陷允許尺寸的控制更加嚴(yán)格，焊接工藝控制亦更加嚴(yán)格，P92鋼隨著厚度的增加焊后熱處理難度不斷增大［2］。

國(guó)內(nèi)某單位采用與主蒸汽管道同規(guī)格的P92鋼進(jìn)行熱處理工藝研究［3］，但現(xiàn)場(chǎng)主蒸汽管道焊縫熱處理工藝研究未見報(bào)道。2010年10月，筆者采用與主蒸汽管道同規(guī)格、長(zhǎng)度為7.100 m的P92鋼管，模擬施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行熱處理工藝試驗(yàn)研究［4］。試驗(yàn)采用柔性陶瓷履帶式加熱器進(jìn)行P92鋼厚壁管道熱處理，使管道內(nèi)壁溫度達(dá)到740℃，取得了較好的試驗(yàn)效果?，F(xiàn)以寧夏靈武電廠二期工程4號(hào)機(jī)組8.5 m標(biāo)高夾層一焊口焊后熱處理為例，闡述P92鋼主蒸汽管道的焊后熱處理工藝。

1 焊接工藝

現(xiàn)場(chǎng)基本條件為:主廠房封閉，環(huán)境溫度為7～10℃。施工時(shí)間為2010年12月1—3日。主蒸汽管道焊口一側(cè)從煤倉(cāng)間水平段至8.5 m夾層已全部連通，焊口另一側(cè)管道長(zhǎng)度為8 m，管道的加熱、傳熱環(huán)境非常復(fù)雜。

焊接采用手工鎢極氬弧焊(gas tungsten arc welding，GTAW)和手工電弧焊(manual electric arc welding，SMAW)方法，焊接材料選用 MTS616焊條，直徑為2.5、3.2 mm。采用U型坡口，手工鎢極氬弧焊共2層、手工電弧焊36層，其中采用φ2.5 mm焊條2層、5道，采用 φ3.2 mm焊條34層、162道。氬弧焊的焊層厚度控制在2.4～2.8 mm，手工電弧焊的焊層厚度控制在2.8～3.0 mm。具體的焊接參數(shù)如表1所示。

表1 焊接參數(shù)表Tab.1 Welding parameters

焊前預(yù)熱采用電加熱，熱電偶控溫，輔以紅外測(cè)溫儀測(cè)溫，以坡口底部溫度為準(zhǔn)。氬弧焊預(yù)熱溫度為100～200℃，電弧焊層間溫度為200～250℃［5］。預(yù)熱加熱寬度以焊縫中心線為加熱中心，每側(cè)為300 mm。

2 熱處理工藝的確定

依據(jù)主蒸汽管道的規(guī)格，采用柔性陶瓷電阻加熱方式進(jìn)行焊縫焊后熱處理，加熱器布置在外管壁，分為主加熱器和輔助加熱器。主加熱器與輔助加熱器同時(shí)加熱、同時(shí)控溫，儲(chǔ)能式熱電偶測(cè)溫。其中主加熱器規(guī)格為440 mm ×520 mm，數(shù)量為4片，每片功率10 kW;輔助加熱器規(guī)格為800 mm×260 mm，數(shù)量為4片，每片功率10 kW，加熱功率總計(jì)80 kW。輔助加熱器2片1組，共2組，分別對(duì)稱布設(shè)在主加熱器兩側(cè)。以焊縫的幾何中心位置確定為焊后熱處理加熱中心，在以焊縫幾何中心向管道兩端各1 m部位采用硅酸鋁棉密實(shí)封堵［6-7］。

2.1 熱電偶的選擇和布置

采用K型點(diǎn)焊式熱電偶［8-9］。管道外壁設(shè)置4只熱電偶控溫，內(nèi)壁設(shè)置4只熱電偶測(cè)溫，輔助加熱器設(shè)置2只控溫?zé)犭娕伎販?，共設(shè)置10只熱電偶。管道外壁:主加熱器每片下焊縫邊緣布設(shè)1個(gè)熱電偶控溫并起測(cè)溫作用，在焊縫周向外壁12、9、3、6點(diǎn)位置分別布置1只熱電偶，熱電偶編號(hào)為R1、R2、R3、R4。輔助加熱器每側(cè)布設(shè)1只熱電偶作為輔助控溫使用，輔助加熱器控溫?zé)犭娕疾贾迷诰嗉訜嶂行?90 mm處，熱電偶分別編號(hào)為R9、R10。管道內(nèi)壁:在管道內(nèi)壁焊縫邊緣沿周向12、6、9、3點(diǎn)位置分別布設(shè)1只測(cè)溫?zé)犭娕?。熱電偶分別編號(hào)為 R5、R6、R7、R8。

2.2 熱處理工藝參數(shù)

主加熱器設(shè)定溫度為760+10℃，輔助加熱器設(shè)定為750℃。升溫速度為64℃/h，降溫速度為80℃/h，300℃以下空冷。恒溫時(shí)間為11 h。熱處理過程如圖1所示。

圖1 焊接熱處理曲線示意Fig.1 Curves of welding heat treatment

2.3 熱處理設(shè)備及補(bǔ)償導(dǎo)線

熱處理設(shè)備選用DWK-E-360 kW電腦溫控儀，選用與熱電偶相匹配的帶屏蔽層的精密級(jí)補(bǔ)償導(dǎo)線——K型補(bǔ)償導(dǎo)線(鎳鉻—鎳硅)。

2.4 加熱寬度選擇

柔性陶瓷電阻加熱器寬度的選擇應(yīng)符合以下關(guān)系:

式中:LHB為加熱區(qū)加熱器布置寬度;LSB為均溫區(qū)寬度;r為管道內(nèi)徑;d為管道的名義壁厚。

經(jīng)測(cè)算，LSB=151 mm，LHB=909 mm?？紤]管道加熱時(shí)溫度梯度影響，選定LHB=1100 mm。

2.5 保溫寬度確定

采用上述加熱器寬度的最小保溫寬度的選擇應(yīng)符合以下關(guān)系:

式中LGCB為保溫寬度。

經(jīng)測(cè)算，LGCB=1667 mm，綜合考慮管道軸向溫度梯度及減小熱量損失，選定LGCB=1840 mm，單層保溫厚度50 mm，2層合計(jì)100 mm。

3 熱處理實(shí)施過程

(1)焊接完畢，進(jìn)行焊縫外觀質(zhì)量檢查合格，管道溫度降至室溫。

(2)內(nèi)外壁點(diǎn)焊熱電偶、綁扎加熱器，覆蓋保溫棉，將管道封堵完畢。

(3)主加熱器與輔助加熱器同時(shí)開始對(duì)管道進(jìn)行加熱。

(4)管道外壁溫度達(dá)到設(shè)定值，開始恒溫。記錄外壁、內(nèi)壁溫度。

(5)恒溫結(jié)束，開始降溫。

(6)管道降至室溫，進(jìn)行內(nèi)、外壁硬度測(cè)試、外壁微觀金相檢測(cè)。

4 數(shù)據(jù)分析

管道熱處理恒溫段數(shù)據(jù)如圖2所示。由圖2可知:(1)從管道焊縫整個(gè)熱處理過程分析，升溫階段內(nèi)壁溫度隨外壁溫度均勻上升，并保持一個(gè)不斷放大的溫度差，在恒溫開始0.3 h，內(nèi)壁4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度均達(dá)到740℃;(2)恒溫2 h時(shí)，調(diào)降輔助加熱器設(shè)定溫度至745℃，恒溫4 h時(shí)，調(diào)降輔助加熱器設(shè)定溫度至740℃，恒溫9 h時(shí)，調(diào)降輔助加熱器設(shè)定溫度至735℃，內(nèi)壁溫度值變化不明顯;(3)內(nèi)壁溫度最高達(dá)到755℃，內(nèi)外壁最小溫差為15℃，最大溫度差為29℃，可以滿足P92鋼焊后熱處理要求;(4)管道內(nèi)壁熱量的傳遞主要以熱傳導(dǎo)方式來進(jìn)行，傳播速度未因材質(zhì)和金含量高、壁厚的增大而顯著降低。

圖2 恒溫階段焊縫內(nèi)外壁溫度Fig.2 Brinell hardness of inner and outer wall of weld seam

焊縫內(nèi)外壁硬度值見表2，由表2可知:外壁硬度值分布范圍均勻，數(shù)值無突變;內(nèi)9、內(nèi)6點(diǎn)這2個(gè)位置硬度值均小于250 HB。

表2 焊縫內(nèi)外壁布氏硬度值Tab.2 Weld internal and external Brinell hardness value HB

焊縫微觀金相組織如圖3所示，由圖3可知，焊接接頭經(jīng)焊后高溫回火處理，金相組織均為回火馬氏體，碳化物成粒狀或球狀分布。

圖3 母材與焊縫金相組織Fig.3 Microstructure of base metal and weld seam

5 結(jié)語

(1)采用柔性陶瓷履帶式加熱器進(jìn)行P92鋼厚壁管道焊縫的焊后熱處理，可以使焊縫內(nèi)壁溫度達(dá)到750℃及以上，最高溫度達(dá)到755℃，內(nèi)外壁溫度差可控制在15℃以內(nèi)，達(dá)到了P92鋼焊后熱處理內(nèi)壁最低溫度要求。

(2)在管道恒溫2 h時(shí)，逐步調(diào)整輔助加熱設(shè)定溫度至最低735℃，對(duì)內(nèi)壁溫度值影響較小，可以忽略不計(jì)。

(3)在保證內(nèi)壁溫度符合要求的前提下，可以適當(dāng)縮短恒溫階段時(shí)間，以減小能源的消耗。

(4)在距焊縫中心一定距離采用硅酸鋁棉密實(shí)封堵，封堵效果對(duì)管道熱傳播方式、熱量散失影響較大，應(yīng)作為今后研究需要重視的主要方向。

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