1000MW空冷火电机组主蒸汽管道焊后热处理
发布时间: 2022-12-28 点击:5115次
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%)
C | Mn | Si | S | P | Cr | Mo | V | Ni | W | N | Al | Nb | B |
0.07 0.13 | 0.30 0.60 | Max 0.50 | Max 0.01 | Max 0.020 | 8.50 9.50 | 0.30 0.60 | 0.15 0.25 | Max 0.40 | 1.5 2.0 | 0.03 0.07 | Max 0.04 | 0.04 0.09 | 0.001 0.006 |
表2 SA335-P92钢室温主要力学性能
拉伸强度MPa | 屈服强度(0.2% ) MPa | 最小纵向延伸率 % | 冲击功(室温) J | 硬度 HB |
≥620 | ≥440 | ≥20 | -- | -- |
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
焊层 | 单层焊缝尺 寸宽×高 | 焊接 方法 | 焊丝 | 规格(mm) | 极性 | 电流(A) | 电压范围(V) | 焊接速度(mm/min) | 层间温度(℃) |
1-2 | 9×2.5 | Ws | MTS616 | Ф2.4 | 直流 正接 | 110~130 | 11~14 | 30~60 | 180~200 |
3-4 | 9×2~2.5 | Ds | MTS616 | Ф2.5 | 直流 反接 | 80~90 | 21~25 | 100~180 | 200~250 |
5-8 | 10×2.8 | Ds | MTS616 | Ф3.2 | 110~130 | 24~27 | 110~180 | 200~250 | |
9-36 | 11×2.8 | Ds | MTS616 | Ф3.2 | 110~130 | 24~27 | 110~180 | 200~250 |
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
750~770℃ |
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
测点位置 时间 | 外12 | 外9 | 外3 | 外6 | 辅1 | 辅2 | 内9 | 内 3 | 内12 | 内6 |
恒温0h | 769 | 768 | 768 | 769 | 752 | 750 | 724 | 724 | 729 | 733 |
0.3 h | 768 | 769 | 769 | 769 | 749 | 749 | 740 | 741 | 744 | 746 |
1 h | 769 | 769 | 769 | 769 | 750 | 750 | 743 | 746 | 750 | 753 |
2 h | 768 | 769 | 769 | 769 | 745 | 744 | 747 | 748 | 752 | 753 |
3h | 770 | 769 | 769 | 769 | 745 | 744 | 742 | 770 | 753 | 755 |
4h | 768 | 769 | 769 | 769 | 740 | 740 | 747 | 748 | 753 | 754 |
5 h | 769 | 769 | 768 | 769 | 741 | 739 | 747 | 748 | 750 | 752 |
6 h | 768 | 769 | 769 | 769 | 741 | 740 | 749 | 750 | 753 | 754 |
7h | 769 | 768 | 769 | 769 | 741 | 741 | 749 | 749 | 751 | 752 |
8h | 769 | 769 | 769 | 769 | 741 | 740 | 750 | 750 | 752 | 754 |
9h | 769 | 769 | 769 | 769 | 736 | 735 | 750 | 750 | 752 | 753 |
10h | 768 | 769 | 769 | 768 | 736 | 736 | 748 | 750 | 752 | 753 |
11h | 769 | 769 | 769 | 769 | 735 | 734 | 749 | 750 | 752 | 754 |
降温0h | 762 | 761 | 761 | 761 | 724 | 723 | 750 | 752 | 753 | 754 |
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
序号 | 外3点 | 外9点 | 外12点 | 内6点 | 内9点 |
1 | 224 | 222 | 226 | 217 | 245 |
2 | 205 | 225 | 221 | 210 | 242 |
3 | 223 | 231 | 217 | 219 | 230 |
平均值 | 217 | 226 | 221 | 215 | 239 |
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。
参考文献:
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[4] 韩道永,吕铁,张晓东等百万千瓦空冷燃煤机组SA335P92钢超大壁厚管道焊后热处理[A].超超临界机组技术交流2011年会论文集[C].汕头:2011
作者简介:
[1] 韩道永:(1971-), 男,河南柘城人,大学本科,高级工程师,多年从事电站焊接工艺、热处理工艺研究工作,发表论文十余篇。