1000MW空冷火电机组主蒸汽管道焊后热处理

韩道永  

（宁夏电力建设工程公司   宁夏 银川 750001）

   摘要  当前国内1000MW级超超临界火电机组，其主蒸汽管道均采用SA335-P92钢，该钢焊后热处理工艺的选定，一直困扰者许多电力施工单位。采用柔性陶瓷电阻主辅加热器同时加热、内外壁测温、两端封堵的热处理工艺进行主蒸汽管道（SA335-P92）焊后热处理，得到了焊缝内壁温度达到了740℃及以上的处理效果。各项指标均符合现行标准，并成功应用到宁夏灵武二期工程1000MW空冷机组的安装中。表明采用该热处理工艺对SA335-P92钢焊后热处理，特别是厚壁管道的焊后热处理，可以保证恒温过程中焊缝内壁温度符合SA335-P92钢回火温度要求，从而保证了焊接接头综合机械性能的均匀性。

   关键词   1000MW  空冷  主蒸汽管道  SA335-P92  焊后热处理  主辅加热  内壁温度 温度差

O  前言

宁夏灵武电厂二期2×1000MW超超临界燃煤空冷机组是世界首座百万千瓦级燃煤空冷发电机组，也是西北地区首座百万千瓦火力发电机组。主蒸汽管道采用了SA335-P92钢，规格为Φ563.2×96.8。SA335-P92钢是新日本制铁在SA335-P91合金成份的基础上，用（1.5～2）%W代替了部分的Mo、添加适量的B，得到一种改进型的SA335-P92钢，并被列入ASME规范及我国GB5310标准。SA335-P92钢一般供货状态为（1040～1080）℃温度正火，（750～780）℃回火，微观金相组织为回火马氏体。由于SA335-P92钢中W、Mo固溶强化和V、Nb、B碳氮化物沉淀强化的作用，该钢较包括P91、F12在内的（9～12）%Cr钢，表现出更高的抗蠕变断裂强度性能，其在600℃的蠕变强度提高了近30%。

ASTM规定了SA335-P92钢材的化学成份、力学性能及物理性能分别见表1、表2

表1 SA335-P92钢的化学成份（质量分数％）

表2  SA335-P92钢室温主要力学性能

SA335-P92钢焊接及热处理工艺复杂，尤其焊后热处理温度范围窄，内壁温度不易达到规范要求。国内多家电力科研、建设单位工艺评定试验表明，当SA335-P92管道恒温过程中内壁温度小于740℃时，焊缝根部冲击功已低于41J，且焊缝组织也不是清晰的板条马氏体组织，不能满足标准要求。但焊接工艺评定采用的管道直径、厚度与现场主蒸汽管道的规格差距很大，厚度差达50-60mm。据相关研究表明，随着管道壁后的增加，管道对缺陷的敏感系数增加，缺陷允许尺寸大小的控制更加严格，焊接工艺控制亦更加严格，其加热循环及温度场与实际工程条件差异较大，实际工程条件下的焊接接头性能，国内外的文献资料尚无公开。而且SA335-P92钢随着厚度的增加焊后热处理难度不断增大。国内个别单位采用与主蒸汽管道同规格的SA335-P92钢进行热处理工艺研究，但对现场主蒸汽管道焊缝进行热处理工艺研究未见报道。

我们曾于2010年10月采用与主蒸汽管道同规格（Φ563.2×96.8）、长度为7100mm的SA335-P92钢管模拟施工现场环境进行热处理工艺试验研究，采用柔性陶瓷履带式加热器进行SA335-P92钢厚壁管道（δ=96.8mm）的热处理，可以使管道内壁温度达到740℃，取得了较好的试验效果。现以宁夏灵武电厂二期4#机组8.5m夹层一焊口焊后热处理作为工程实例进行工艺验证。

现场基本条件：主厂房已封闭，环境温度在7-10℃。施工时间：2010.12.1-2010.12.3。该主蒸汽管道焊口一侧从煤仓间水平段至8.5m夹层已全部连通，焊口另一侧管道长度为8m，管道的加热、传热环境非常复杂。

1  焊接工艺控制

1.1焊接方法：采用GTAW+SMAW方法焊接

1.2焊接材料：选用Thermanit MTS616焊条，直径Φ2.5mm、Φ3.2mm。

1.3坡口型式：采用U型坡口

1.4焊接层道数：氩弧焊共2层、3道，手工电弧焊36层。其中采用Φ2.5mm焊条2层、5道，采用Φ3.2mm焊条34层、162道。

氩弧焊的焊层厚度控制在2.4~2.8mm范围内，手工电弧焊的焊层厚度控制在2.5~2.8mm。

表3 焊接参数表

1.5预热及焊接层间温度

加热方式及控温：采用电加热，热电偶控温、辅以红外测温仪测温，以坡口底部温度为准。

氩弧焊预热温度为100～200℃，电弧焊层间温度为200～250℃。

预热加热宽度:以焊缝中心线为加热中心，每侧为300mmm。

2  热处理技术方案的确定

依据主蒸汽管道的规格，确定采用柔性陶瓷电阻加热方式进行焊缝焊后热处理。采用加热器布置在外管壁的加热方式，分为主加热器和辅助加热器两部分。采取主加热器与辅助加热器同时加热、同时控温，储能式热电偶测温。其中主加热器：规格为440×520，数量为4片，每片功率10Kw；辅助加热器：规格800×260,数量4片，每片功率10 Kw，加热功率总计80 Kw。辅助加热器2片一组，共2组，分别对称布设在主加热器两侧。

以焊缝的几何中心位置确定为焊后热处理加热中心，在以焊缝几何中心向管道两端各1m部位采用硅酸铝棉密实封堵。

2.1热电偶选择和布置

采用K型点焊式热电偶。

管道外壁设置4只热电偶控温，内壁设置4只热电偶测温，辅助加热器设置2只控温热电偶控温，共设置10只热电偶。

管道外壁：主加热器每片下焊缝边缘布设一个热电偶控温并起测温作用，分别在焊缝周向外壁12、3、6、9点位置分别布置一只热电偶。辅助加热器加热分中心每侧布设一个热电偶作为辅助控温使用，辅助加热器控温热电偶布置在距加热中心290mm处。

管道内壁：在管道内壁焊缝边缘沿周向12点、9点、6点、3点位置分别布设一只测温热电偶。

图1热电偶布置示意图

2.2热处理工艺

主加热器设定温度为760±10℃，辅助加热器设定为750℃

升温速度：64℃/h，降温速度：80℃/h，300℃以下空冷

恒温时间：11h

图2  焊接热处理曲线示意图

2.3 热处理设备及补偿导线

热处理设备选用DWK-E-360Kw电脑温控仪 。  

选用与热电偶相匹配的带屏蔽层的精密级补偿导线，K型补偿导线 （镍铬—镍硅）。

2.4加热宽度选择

柔性陶瓷电阻加热器宽度的选择应符合以下关系:

HB=SB+4

其中： HB---加热区（加热器布置宽度）

R---管道内径

T---管道的名义壁厚

SB---均温区宽度

经测算SB数值为151mm,HB数值为909mm,考虑管道加热时温度梯度影响，选定加热器宽度为1100mm。

2.5保温宽度确定

采用上述加热器宽度的最小保温宽度的选择应符合以下关系:

GCB=HB+4

其中： GCB----保温宽度

经测算GCB数值为1667mm,综合考虑管道轴向温度梯度及减小热量损失，选定为保温宽度1840mm。

保温厚度：单层50mm，两层合计100mm。

3.热处理实施过程

3.1焊接完毕，进行焊缝外观质量检查合格,管道降至室温。

3.2内外壁点焊热电偶、绑扎加热器，覆盖保温棉，将管道封堵完毕。

3.3主加热器与辅助加热器同时开始对管道进行加热。

3.4管道外壁温度达到设定值，开始恒温。记录外壁、内壁温度。

3.5恒温结束，开始降温。

3.6管道降至室温，进行内、外壁硬度测试、外壁微观金相检测。

4热处理相关数据

4.1管道热处理恒温段数据见表4

4.2恒温阶段焊缝内外壁温度见图3

表4管道热处理恒温段温度值

图3恒温阶段焊缝内外壁温度折线图

4.3热处理曲线图如图4

图4辅助加热器与内壁温度曲线

4.4恒温阶段各测点温度显示数据如图5

图5恒温段各测点温度数据

4.5焊缝内外壁硬度值见表5

表5焊缝内外壁布氏硬度值

4.6焊缝微观金相组织如图6

母材组织100×                                     外壁焊缝组织500×

             图6母材与焊缝金相组织

5  数据分析

5.1 从管道焊缝整个热处理过程分析，升温阶段内壁温度随外壁温度均匀上升，并保持一个不断放大的温度差，在恒温开始0.3h,内壁4个测温点温度均达到740℃。

5.2 恒温2 h时，调降辅助加热器设定温度至745℃，恒温4 h时，调降辅助加热器设定温度至740℃，恒温9 h时，调降辅助加热器设定温度至735℃，内壁温度值变化不明显。

5.3 内壁温度最大达到755℃，内外壁最小温度差为15℃，最大温度差为29℃，可以满足SA335-P92钢焊后热处理里要求。  

5.4 管道内壁热量的传递主要依靠热传导来进行，传播速度未因材质的不同、壁厚的增大而显著降低。

5.5检测焊缝内外壁硬度，外壁硬度值分布范围均匀，数值无突变。内壁硬度检测9点钟、6点钟两个位置，硬度值均小于250HB。

5.6焊接接头经焊后高温回火处理，金相组织均为回火马氏体，碳化物成粒状或球状分布。

6  结束语

6.1采用柔性陶瓷履带式加热器进行SA335-P92钢厚壁管道焊缝的焊后热处理，可以使焊缝内壁温度达到750℃及以上，最高温度温度达到755℃，内外壁温度差可控制在15℃以内，达到了SA335-P92钢焊后热处理内壁最低温度要求。

6.2在管道恒温2h时，逐步调整辅助加热设定温度至最低735℃，对内壁温度值影响较小，可以忽略不计。

6.3在距焊缝中心一定距离采用硅酸铝棉密实封堵，封堵效果对管道热传播方式、热量散失影响较大，应作为今后研究需要重视的主要方向。

6.4在保证内壁温度符合要求的前提下，可以缩短恒温时间的长度，以减小能源的消耗。

6.5该热处理工艺的实施作为SA335-P92钢主蒸汽管道焊后热处理的工程实践，具有较高的实用价值，可为同类型管道的焊后热处理提供借鉴。