F91鋼管與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼管焊接接頭的熱處理

陳志明

（蘇州圣匯裝備有限公司，江蘇 蘇州215632）

0 前 言

在超超臨界火力發(fā)電機(jī)組的安裝中，由于各種碳素鋼、低合金鋼、熱強(qiáng)鋼、不銹鋼的廣泛使用，經(jīng)常不可避免地出現(xiàn)異種鋼焊接接頭。由于異種鋼焊接接頭兩側(cè)母材合金成分、金相組織、力學(xué)性能的差異，使得其比同種鋼焊接接頭的焊接、熱處理要復(fù)雜的多。因此異種鋼焊接接頭是焊接和熱處理質(zhì)量的薄弱部位，是火力發(fā)電廠機(jī)組安裝焊接施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其焊接熱處理質(zhì)量對火力發(fā)電廠運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性有著重要的影響。

1 工程概況

江蘇華電句容二期 （2×1 000 MW）擴(kuò)建工程4#機(jī)組為1 000 MW超超臨界二次再熱燃煤機(jī)組。機(jī)組設(shè)計(jì)圖紙要求為低壓旁路蒸汽管道低旁閥前為A335P92鋼管道，后為A691Gr.1-1/4CrCL22鋼管道，低旁閥為組合件。甲供低壓旁路蒸汽管道低旁閥前為A335P92鋼管道，后為A691Gr.1-1/4CrCL22鋼管道，低旁閥進(jìn)口接管材質(zhì)為F92鋼，出口接管材質(zhì)為F91鋼，閥后低壓旁路蒸汽管道材質(zhì)為A691Gr.1-1/4CrCL22鋼，鋼管規(guī)格為Φ1 219 mm×14.27 mm。

2 F91鋼與 A691Gr.1-1/4CrCL22接頭焊接熱處理性能分析

2.1 F91鋼的主要性能

F91鋼是一種改進(jìn)的9Cr1Mo 鍛鋼，是在9Cr1Mo鋼的基礎(chǔ)上添加了V、Nb等元素形成的，具有較低的熱膨脹系數(shù)和良好的導(dǎo)熱性，同時(shí)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高，特別是在高溫下具有較高的蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度及許用應(yīng)力。但F91鋼淬硬趨向大，焊縫及熱影響區(qū)容易產(chǎn)生高硬度馬氏體組織，使焊接接頭脆性增大，導(dǎo)致產(chǎn)生冷裂紋。F91鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2。

表2 F91鋼的力學(xué)性能

2.2 A691Gr.1-1/4CrCL22鋼的主要性能

A691Gr.1-1/4CrCL22鋼是美國標(biāo)準(zhǔn)鋼材，ASTM A691是美國材料與試驗(yàn)學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)高溫高壓服役條件用電熔焊碳鋼和合金鋼管標(biāo)準(zhǔn)；1-1/4Cr是鋼管等級， 該鋼中w（Cr）為 1.25%，w（Mo）為0.5%；CL22是熱處理消除應(yīng)力狀態(tài)。A691Gr.1-1/4CrCL22鋼相當(dāng)于美標(biāo)A335P11鋼和國標(biāo)15CrMoG鋼。A691Gr.1-1/4CrCL22鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表3和表4（以A335P11鋼代）。

表3 A691Gr.1-1/4CrCL22鋼的化學(xué)成分 %

表4 A691Gr.1-1/4CrCL22鋼的力學(xué)性能

2.3 F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22接頭焊接熱處理性能分析

F91鋼為馬氏體熱強(qiáng)鋼，A691Gr.1-1/4Cr CL22鋼為珠光體熱強(qiáng)鋼，根據(jù)兩者化學(xué)成分及力學(xué)性能可選擇TIG－R30焊絲和R307焊條，采用氬電聯(lián)焊。但F91鋼熱處理溫度為750～770℃，A691Gr.1-1/4CrCL22鋼熱處理溫度為670～700℃。F91鋼最低熱處理溫度750℃高于A691Gr.1-1/4CrCL22鋼最高熱處理溫度700℃，且相差達(dá)50℃。若采用A691Gr.1-1/4CrCL22鋼最高熱處理溫度700℃進(jìn)行熱處理，則使得F91側(cè)母材、熱影響區(qū)以及熔合區(qū)達(dá)不到高溫回火的效果，無法有效改善該側(cè)金相組織，無法有效提高焊接接頭的塑性、韌性等力學(xué)性能，無法有效降低該側(cè)硬度，使得其焊縫在今后運(yùn)行中極易產(chǎn)生裂紋等缺陷，存在安全隱患。若采用F91鋼最低熱處理溫度750℃進(jìn)行熱處理，則造成A691Gr.1-1/4CrCL22鋼側(cè)母材、熱影響區(qū)以及熔合區(qū)金屬超過其Ac1溫度740℃ （以15CrMoG鋼代），發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，冷卻后使得組織晶粒過大，碳化物聚集長大，使該側(cè)母材、熱影響區(qū)以及熔合區(qū)金屬力學(xué)性能和硬度都偏低。若采用700～750℃之間的溫度進(jìn)行熱處理，則上述兩種熱處理溫度的缺點(diǎn)均無法完全避免。

由上可知，無論采取上述哪種熱處理溫度，均無法使F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭達(dá)到有效改善金相組織，提高焊接接頭的塑性、韌性等力學(xué)性能，降低硬度的效果。因此，必須對F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼接頭考慮其他可行且經(jīng)濟(jì)的處理方案。

3 處理方案

針對F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭無法選擇合適熱處理溫度的問題，采取在F91鋼管與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼管之間增加長度大于500 mm的12Cr1MoVG鋼管作為過渡段。以替代F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼的直接焊接，從而解決F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭無法選擇合適熱處理溫度的問題。

3.1 12Cr1MoVG鋼的主要性能

12Cr1MoVG鋼為國標(biāo)鍋爐用鋼，屬于珠光體熱強(qiáng)鋼，在550℃以下具有較高的耐高溫持久強(qiáng)度。12Cr1MoVG鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能見表5和表6。

表5 12Cr1MoVG鋼化學(xué)成分 %

表6 12Cr1MoVG鋼的力學(xué)性能

3.2 采用12Cr1MoVG過渡段的可行性

采取在F91鋼管與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼管之間增加長度大于500 mm的12Cr1MoVG鋼管作為過渡段的處理方式，即以F91鋼與12Cr1MoVG鋼焊接接頭、12Cr1MoVG鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭取代F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼的焊接接頭。

F91鋼與12Cr1MoVG鋼焊接接頭可選擇TIGR31焊絲和R317焊條，采用氬電聯(lián)焊。F91鋼熱處理溫度為750～770℃，12Cr1MoVG鋼熱處理溫度為720～750℃，F(xiàn)91鋼與12Cr1MoVG鋼焊接接頭焊后熱處理溫度可選擇750℃。

12Cr1MoVG鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭可選擇TIG－R30焊絲和R307焊條，采用氬電聯(lián)焊。12Cr1MoVG鋼熱處理溫度為720～750℃，A691Gr.1-1/4CrCL22鋼熱處理溫度為670～700℃，因A691Gr.1-1/4CrCL22鋼Ac1溫度為740℃，12Cr1MoVG鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭熱處理溫度仍可選擇720℃。

熱處理溫度720℃與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼Ac1溫度740℃僅相差20℃，考慮到熱處理過程中熱電偶的誤差，周圍射頻信號對熱處理機(jī)數(shù)字顯示的干擾以及同一施工電源中其他大功率設(shè)備啟停對于熱處理設(shè)備電流電壓的影響。因此熱處理過程中應(yīng)使用校驗(yàn)準(zhǔn)確精度高的熱電偶，恒溫過程中應(yīng)盡可能避免周圍不利因素對于熱處理設(shè)備的影響，專人嚴(yán)格監(jiān)控?zé)崽幚磉^程中的最高加熱溫度，以保證熱處理的質(zhì)量。

4 焊接接頭熱處理及檢驗(yàn)

4.1 焊接

選擇TIG－R31焊絲和R317焊條，采用氬電聯(lián)焊焊接F91鋼與12Cr1MoVG鋼。氬弧焊打底前用柔性陶瓷電阻預(yù)熱150℃，加熱寬度100 mm，并在管道內(nèi)壁做氣室充滿氬氣對根部進(jìn)行保護(hù)。氬弧焊打底時(shí)焊絲直徑2.5 mm，電流90～105 A，電壓 10～14 V， 焊接速度 50～65 mm/min。 手工電弧焊時(shí)采用多層多道焊，焊條直徑3.2 mm，電流 110～125 A， 電壓 23～25 V， 焊接速度 100～130 mm/min。

選擇TIG－R30焊絲和R307焊條，采用氬電聯(lián)焊焊接12Cr1MoVG鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼。氬弧焊打底前用柔性陶瓷電阻預(yù)熱150℃，加熱寬度100 mm。氬弧焊打底焊時(shí)，焊絲直徑為2.5 mm，電流為90～115 A，電壓為11～13 V，焊接速度為50～65 mm/min。手工電弧焊時(shí)，采用多層多道焊，焊條直徑為3.2 mm，電流為115～130 A，電壓為23～25 V，焊接速度為110～130 mm/min。

4.2 熱處理

F91鋼與12Cr1MoVG鋼焊接接頭采用柔性陶瓷電阻加熱進(jìn)行熱處理。在焊接完成后，焊件溫度降至 80～100℃，保溫 1～2 h后立即進(jìn)行。采用4只K分度鎧裝熱電偶進(jìn)行控溫，沿管道間隔90°均勻布置，其中相隔180°的兩只布熱電偶布置在焊縫中心上，另兩只相隔180°熱電偶布置在焊縫邊緣靠12Cr1MoVG側(cè)50 mm內(nèi)，采用點(diǎn)焊機(jī)固定，并使用KCA型補(bǔ)償導(dǎo)線，以嚴(yán)格準(zhǔn)確監(jiān)控加熱溫度。加熱寬度焊縫兩側(cè)各150 mm，保溫寬度兩側(cè)各200 mm。熱處理溫度為750℃，升降溫時(shí)300℃以上升降溫速度控制在150℃/h以下，恒溫時(shí)間為2 h。熱處理過程中有專人嚴(yán)格監(jiān)控溫度，以保證熱處理的質(zhì)量。

12Cr1MoVG鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭采用柔性陶瓷電阻加熱進(jìn)行熱處理，焊接完成后立即進(jìn)行。采用4只K分度鎧裝熱電偶進(jìn)行控溫，沿管道間隔90°均勻布置，其中相隔180°的兩只布熱電偶布置在焊縫中心上，另兩只相隔180°熱電偶布置在焊縫邊緣靠A691Gr.1-1/4CrCL22側(cè)50 mm內(nèi)，采用點(diǎn)焊機(jī)固定，并使用KCA型補(bǔ)償導(dǎo)線，以嚴(yán)格準(zhǔn)確監(jiān)控加熱溫度。加熱寬度焊縫兩側(cè)各150 mm，保溫寬度兩側(cè)各200 mm。熱處理溫度為720℃，升降溫時(shí)300℃以上升降溫速度控制在300℃/h以下，恒溫時(shí)間為1 h。

由于熱處理控溫要求高，考慮到熱處理過程中熱電偶的誤差，周圍射頻信號對熱處理機(jī)數(shù)字顯示的干擾以及同一施工電源中其他大功率設(shè)備啟停對于熱處理設(shè)備電流、電壓的影響。因此，熱處理安排在夜間進(jìn)行，過程中盡可能避免周圍不利因素對于熱處理設(shè)備的影響，并有專人嚴(yán)格監(jiān)控溫度，以保證熱處理的質(zhì)量。熱處理完成后，進(jìn)行了射線探傷，均達(dá)到Ⅱ級合格標(biāo)準(zhǔn)。

焊接接頭硬度檢驗(yàn)沿焊縫圓周五個(gè)部位的0點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)4個(gè)方向進(jìn)行，每一部位的每一方向均打五點(diǎn)硬度。硬度檢驗(yàn)結(jié)果見表7和表8。由表7和表8可以看出，焊縫硬度均大于兩側(cè)母材，且兩側(cè)異種鋼焊縫硬度均未超過母材硬度較高側(cè)平均值的130%，硬度檢測結(jié)果符合要求。

表7 F91鋼與12Cr1MoVG鋼焊接接頭硬度檢驗(yàn)結(jié)果 HBW

表8 12Cr1MoVG鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭硬度檢驗(yàn)結(jié)果 HBW

5 結(jié)束語

在F91鋼管與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼管之間增加長度大于500 mm的12Cr1MoVG鋼管過渡段后，F(xiàn)91鋼與12Cr1MoVG鋼、12Cr1MoVG鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭質(zhì)量完全合格。因此采用此種方式處理F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭是可行的，可以避免F91鋼與A691Gr.1-1/4CrCL22鋼焊接接頭無法選擇合適熱處理溫度的問題，保證了焊接質(zhì)量。