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P92、P122钢现场焊接及热处理工艺的实施

发布时间： 2020-02-11 点击:5557次来源：xxxx来源

P92、P122钢现场焊接及热处理工艺的实施

The implementation of the P92 and P122 steel’s welding and heat treatment processes in scene

浙江省火电建设公司 包镇回 沈刚

摘要〕华能玉环电厂#1机是国内首台超超临界机组，主蒸汽采用SA335P92、SA335P122在我国首次应用。本文通过对#1机组P92、SA335P122钢的现场焊接施工，全面介绍了焊接工艺及焊接过程中的控制要点，以及现场焊口局部热处理的经验及教训。提出了施工现场热处理设备、工艺的选择及改进措施。[Abstract]:The Zhejian Huaneng Yuhuan Power plant #1 is the first plane ultra-supercritical unit in China,the SA335P92 and the SA335P122 steel are put in use first as the material of the main steam pipes.Based on the P92 and P122 steel’s welding construction at the site of the Unit #1,a comprehensive introduction gived to their welding technology and processes and control points as welding,and the experience or lessons to the partial heat treatment for the spots welded in the scene.It points out that how to choose heat treatment equipment, processes and improvements at the construction site too.

〔关键词〕P92、SA335P122、焊接、热处理

[Keywords]:SA335PP92,SA335P122,welding, heat treatment

1、P92、P122钢的特性

P91、P92、P122钢都具有较明显的时效倾向。时效倾向发生在500—650℃的温度范围内，这正是这些钢材的工作温度。图1、P92、P122钢的时效倾向。可以看到3000小时时效后其韧性下降了许多，但在3000小时以后冲击功下降的倾向就不明显了。为了确保时效后焊缝韧性能保持在要求的水平上，时效前焊缝的原始韧性必须有充分的富裕。

因此在对于此类马氏体耐热钢进行焊后热处理时，为了提高现场局部热处理的质量，必须要做到测温精确，同时提高焊接接头的温度均匀性，才能保证焊接接头的性能及服役寿命。

P92、P122钢是经过正火及回火处理，显微组织为回火马氏体组织（主要是Fe/Cr/Mo的碳化物及V/Nb的氮化物）。

表1 P91与P92许用应力值（Mpa）

温度 ℃	566℃	593℃	600℃	621℃	649℃
P91	89	71	66	40	30
P92	119	94	91.5	70	48
P91与P92比值	1.34	1.32	1.39	1.46	1.6

由于采用了特殊精炼技术及精密铸造技术，P92、P122钢的C、S、P等元素含量低、纯净度高，其焊态低C马氏体仍具有一定的塑性，焊接冷裂纹倾向大为降低。

1.1焊接材料的选择

所选用的焊材除要求焊缝金属满足室温下的强度外，还必须满足运行温度下的韧性和强度（蠕变强度）的要求。焊缝金属在其熔敷成型及冷却过程中，一些微量元素（Nb、V等）大部分固溶在焊缝金属中，通过固溶强化反而降低焊缝韧性。因此焊缝金属的冲击韧性总是低于母材的。为了提高焊缝的韧性，必须合理的搭配Nb、W、V 、Mn、Ni等微量元素的含量，严格控制P、S、N、O、H等微量有害元素及降低C含量。

1.2焊接工艺的选择

通过P92钢熔敷金属试验，确定了以下的焊接工艺：采用GTAW+SMAW工艺，内充氩保护，焊前预热，预热温度为150～200℃，层间温度控制在250℃以内。采用较小的焊接线能量，采取多层多道焊并避免过厚的焊道，努力使热影响区软化带变得窄一些，缩小其影响。焊后冷却到80～100℃时进行马氏体转变，然后进行760℃±10℃恒温>7h的焊后热处理。

2焊接工艺的实施要点

2.1工艺

采用GTAW＋SMAW内充氩保护工艺。为防止电焊击穿氩弧焊打底层，我们进行2层氩弧焊打底，两层氩弧焊厚度为5～6mm，焊接工艺参数见表2。

表2 焊接工艺规范参数

焊接方法	焊材	规格	电流（A）	极性	电压（V）	焊接速度（mm/min）
GTAW	MTS-616	Φ2.4	90-125	直流正接	10-12	60-80
SMAW	MTS-616	Φ2.5	80-110	直流反接	21-23	90-150
SMAW	MTS-616	Φ3.2	90-120	直流反接	21-24	90-150
SMAW	MTS-616	Φ4.0	130-150	直流反接	21-26	130-160

2.2充氩

为防止焊缝根部氧化，在氩弧焊打底（2层）及电焊填充的第一层必须进行充氩保护。常用的充氩方法是采用气室密封充氩，气室的封堵材料可以是高温橡胶、水溶纸、等，但这些材料必须是在施工后可以顺利取出或在水压时可以消除的。充氩的好坏直接关系到焊缝根部的质量及施工是否能顺利的进行。密封气室在对口之前必须设置好。

2.3.预热

预热方法采用电加热方式，氩弧焊打底时，预热温度为100~150℃（指坡口实测温度，用远红外测温仪测温）。

两层氩弧焊完成后预热温度升温至（150~200）℃后进行电焊层的填充及盖面层焊接。

2.4焊接要点

2.4.1焊前及过程中的清理

对口前，应将焊口每侧（15~20）mm范围、管子内外壁的油、垢、锈、漆等清理干净，直至发出金属光泽；坡口处母材无裂纹、重皮、坡口损伤及毛刺等缺陷；每只焊口施焊前必须进行PT检验（检验范围坡口及其边缘20mm范围），检验合格后方可施焊；

焊接过程中应注意避免保温材料等异物落入焊缝中，并注意层间清理，焊接中应将每层焊道接头错开10～15mm，同时注意尽量焊得平滑，便于清渣和避免出现"死角"。每层（道）焊缝焊接完毕后，应用磨光机或钢丝刷等将焊渣、飞溅等杂物清理干净（尤其应注意中间接头和坡口边缘）。2G位置焊口在填充层中应事先控制好每层的焊道的厚度及宽度，防止最后一道焊缝焊接时产生层间未融合或夹渣等缺陷。

2.4.2焊接参数控制

必须采用比较小的焊接热输入量进行施焊，如采用小直径焊条，采用比较小的焊接电流，采用比较快的焊接速度，采用比较低的层间温度等。根据工艺评定要求，焊接线能量控制在20KJ/cm范围之内。

焊接线能量是一个综合控制的焊接要素，由焊接电流、焊接电压、焊接速度共同控制，是一个抽象的数字。为了便于现场的控制，根据焊接线能量与焊层厚度、摆动宽度及层间温度的辩证关系，我们在施焊过程中对焊层厚度、摆动宽度、层间温度等方面进行了控制。在施工中要求焊层厚度不大于所用焊条直径，摆动宽度不大于所用焊条直径的3倍，层间温度控制在250℃以内。同时多层多道焊接头应错开，严禁同时在一处收弧，以免局部温度过高影响施焊质量

2.5 马氏体转变

焊接结束后，立即降温进行马氏体转变，转变温度为80～100℃。恒温时间根据管子壁厚而定，但必须使整个焊接接头温度都能达到100℃以下。为使内外壁温度能够均匀，在焊接结束后及恒温过程中可以将管道两端密封板打开，让管子内部的空气自由流通。同时在管道壁温较低的情况下可将预热用的加热器及保温材料拆除，确保整个焊缝内外均能降温至80～100℃，完成马氏体转变。

2.6消氢处理

热处理过程中由于一些不可抗拒的因素，无法立即进行焊后热处理时，可以先进行消氢处理，消氢处理温度为350℃，消氢时间为3小时，然后缓慢冷却至室温。

3.焊后热处理和相关设定

3.1热处理升降温速度

Di349×72 升温速度 300℃以下时 ≤120℃/h 、 300℃以上时 ≤ 80℃/h

降温速度 300℃以上时 ≤ 80℃/h

300℃以下时在保温层内冷却至室温。

Di248×53 升温速度 300℃以下时 ≤200℃/h 、 300℃以上时 ≤110℃/h

降温速度 300℃以上时 ≤110℃/h

3.2热处理温度的设定

焊后热处理的恒温温度为760±10℃。在实际热处理过程中应根据所用焊材Ni、Mn含量调整实际的热处理控温温度。当Ni+Mn＜1.0％时，热处理温度应往上限设定，1.0％≤Ni+Mn＜1.5％，热处理温度应设定为760℃。同时在设定控温温度时应考虑热电偶及温控柜的误差。

3.3热处理恒温时间的设定

由于玉环电厂P92管道壁厚较厚，热处理均温时间较长，另外由于对焊缝热处理后的硬度要求较高（≤250HB），我们将恒温时间设定为：Di349×72不小于8小时，Di248×53不少于7小时。

3.4功率选择

热处理加热器功率可根据公式进行粗略估算：

加热器功率（kw）＝〔管子直径（mm）×管壁厚（mm）〕÷625

3.5加热宽度的设定

加热区域宽度的确定出于两方面考虑。一是加热区域必须达到一定的宽度；二是管道的局部加热会导致弯曲位移和切向应力，从而产生接头变形和残余应力，应力的大小和分布受加热宽度和轴向温度分布的影响。

现场的加热器宽度远大于规程中所要求的加热宽度，增加加热宽度可以确保均温区宽度，有效保证整个焊接接头的焊后热处理的目的。

3.6加热器布置

任何情况下，加热器不能重叠、交叉，且金属材料不得与加热丝相碰；加热器与管壁应紧密接触。在布置加热器时应注意加热区域的温度最高点必须是在焊缝中心。对于垂直管，加热器的加热中心应偏离焊缝中心，适当下移，下移量与壁厚、加热器宽度及保温层宽度及厚度等有关。

3.7保温材料宽度的选择

保温材料宽度直接影响管道轴向的温度梯度。现场的加热宽度根据以下公式选取： GCB₀＝HB＋4√ID×t 。

推荐的最小加热区宽度取下面三式的最大值

HB_O=SB+50mm (1)

HB₁＝SB+4 (2)

(3)

其中：

H_i为管道加热带面积与散热面积之比，H_i=Ae/(2Acs+Ai);

OD：管道的外径(mm)；

ID：管道的内径(mm)；

SB：均温区宽度；

R: 管道半径；

上述三式中，HB_O是为了避免均温区的边缘过于接近加热区的边缘致使温度降低过快，显然只有当管道的直径很小时，加热区的宽度才可能由HB_O决定。HB₁是诱导应力判据所确定的最小加热区宽度；HB₂是由径向温度差判据确定的最小加热区宽度。

HB₂的计算的依据是经验性的径向温度差判据，因此H_i的选择与管道的布置位置、控温区的数量、加热温度均有关系。对水平布置的、公称直径在150DN以下的管道，且只有一个周向加热控制区时，其H_i可取5；对公称直径150DN以上的管道、尺寸150DN以下但有两个以上周向加热控制区的水平管道以及所有的垂直管道，H_i取3。

3.8保温材料厚度的选择

保温材料的厚度直接影响了所需加热器的功率，我们要求保温材料的厚度必须≥50mm。

3.9 P92焊缝热处理过程示意图见图3

4、检验要求及结果

玉环电厂#1机主蒸汽（P122、P92）及再热热段（P91）经过焊缝硬度及微观金相检验符合业主的要求。检验结果分别见表3硬度值：

表3 P122\P92\P91焊后热处理硬度值

图2 硬度检验定位：

图3 P92焊缝热处理过程示意图

除按现有标准的验收指标外，业主对P92焊缝的硬度及金相提出了更严格的要求：

1》对P92焊口进行了100％硬度检验，同时进行10％的金相微观检验。

2》焊缝硬度标准为180HB～250HB；焊缝微观组织为以马氏体板条清晰的回火马氏体组织，且δ铁素体含量不超过3％，最严重视场不超过10％；

3》熔合区δ铁素体含量不超过10％，最严重视场不超过20％。