减小P92钢焊后热处理内外壁温差的工艺研究与分析.doc

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1、减小P92钢焊后热处理内外壁温差的工艺研究与分析一、采用柔性陶瓷电阻加热方法缩小P92钢焊后热处理内外壁温差的工艺试验 1本试验立项背景及意义随着我国电力事业的发展，机组参数更高的超超临界机组成为的当前火电发展的必然趋势，由于P92钢卓越的抗高温蠕变性能，使其成为国内超超临界火力发电机组主蒸汽管道的首选钢种 ，DL/T819-2002火力发电厂焊接热处理技术规程不包括P92等新型铁素体耐热钢， 对P92钢进行焊后热处理加热宽度及保温宽度的选择国内不存在统一标准，虽有文献报道采用Proheat 35中频感应加热设备可保证焊缝内外壁温差小于30，焊缝冲击值大于47J，满足EN1597-1的要求，但

2、该设备国外主要用于预热使用，且设备进口价格昂贵，工作效率低下，研究采用传统的柔性陶瓷电阻加热方法对P92钢进行焊后热处理，保证焊缝的使用性能，可为安装单位节省大量资金，提高安装效率，具有重要的经济意义和社会效益。2试验准备21加热宽度及保温宽度确定对于加热宽度的选择，不同的标准规定的公式有所差异。欧洲标准规定： 美国ANSI/AWSD10.10标准：华能导则（试行）：本试验拟合公式：加热宽度 保温宽度 拟合曲线经验数据(表格1)序号外径内径内径*壁厚(内径*壁厚)1/2壁厚加热器宽度保温宽度1219143543473.7238510663232421411770108.495566297633

3、35273846392315908284338.7274.18853.4394.132.3569847534825411938109.26476659836404.5298.515820.5125.785372011307406.4325.4213176.2558114.7940.496681035855940331434177.3789601600957850219076138.123879212401081369341580203.9160108018351197891429248171.0232935154012808700.4837657.8048194.0653.7610351750

4、1377355061325247.63111.5128722251453134931759178.219196216051538024816368127.946674011501675566928767169.614393215251756450016000126.493273711401862955919565139.87357911260根据最小二乘法拟合加热器宽度及保温宽度的经验公式，拟合曲线如图1所示。图1加热宽度、保温宽度拟合曲线 2试验现场环境条件为模拟现场的施工环境,试验场所选在了天津电检公司修造厂大车间进行 图2 试验现场环境2 3试验材料及热处理设备P92管规格：ID3499

5、4.5 （管子两节长度分别为840mm和1813mm ）热处理设备：国产XDJW-D-360KW热处理控制柜 ，加热及保温材料：国产柔性陶瓷电阻加热片，保温材料材料选用硅酸铝纤维毡。控温及测温材料：K型级焊接热电偶丝，20号K型补偿导线 上述的温度测量系统均经过计量校验后使用 图3 热处理材料、设备及校验24热电偶的布置与安装示意图图 4 热电偶的安装位置及分布示意图热电偶安装说明控制点：焊缝1点钟位置1#；焊缝11点钟位置2#；焊缝6点钟位置3#测温点：外壁12点钟位置焊缝5#；距坡口50mm处9#；1.5t处11#； 2t处；13#；3t处15#外壁6点钟位置：距坡口1t处10#；1.5t

6、处12#；2t处14#；3t处16#内壁12点钟位置：焊缝6#距坡口50mm处17#；2t处19#内壁6点钟位置：焊缝4#距坡口1t处18#；2t处20#3点钟位置焊缝：外壁7#；内壁8#深度方向： 1点钟位置距外壁坡口1.5mm，深度8mm处21#； 6点钟位置距外壁坡口1.5mm，深度47mm处22#备用热电偶：距焊缝600mm处每侧各1点（23#、24#）及1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#点的备用点（为防止热电偶接触不好导致测量误差，采用双测温点，一路热电偶进行监控）3 焊接工艺制定材质/规格：A335P92 /ID349*94.5mm焊接方法

7、：Ws/Ds +MZ 焊接位置：5G焊接材料：焊丝 MTS616/2.4mm；焊条 MTS616/2.5、3.0、3.2mm接头型式：综合型实际焊道控制要求：氩弧焊共2层，总厚度不小于4mm；电焊层焊层宽 度4倍所用焊条直径，单层厚度所用焊条直径，Ws焊接线能量25KJ/cm， Ds 、MZ 焊接线能量20KJ/cm4预热及层间温度控制氩弧焊打底预热温度：100200 ；预热加热宽度：从焊缝中心算起，每侧500mm ；加热及保温方式：电加热，过程中用热电偶丝控温（坡口每侧采用2 支热电偶丝测温 ）,用辐射温度计跟踪测温；电弧焊及埋弧自动焊层间温度：200250 。5热处理工艺制定加热及保温方式

8、：柔性陶瓷电阻加热，过程中用热电偶丝控 温，温度校准仪（电子电位差计）跟踪测温；计算加热带宽度HB：HB=984mm 实际取：1000mm；计算保温宽度GCB为：GCB=1729mm 实际取：1760mm；为模拟现场断电情况，本试验做350/2h后热处理升温速度：300以下150200/h、 300以上80120/h;降温速度：300以上100150/h，300以下空冷；热处理恒温温度/时间：76010 /8小时其他要求：焊接完毕后，缓慢冷却至80-100时，保温2h，然后开始升温进行后热及焊后热处理 。 热处理曲线图5 热处理曲线6焊缝性能检测依据DL/T868-2004焊接工艺评定规程截取

9、试样，对热处理后的焊进行拉伸、弯曲、冲击试验， 试样的切取位置见图6 图6 焊缝力学性能试样切取位置7试验实施7.1原材检验P92钢原材购入后，课题组安排有相关资质人员对原材进行了光谱分析、合金元素含量在标准范围以内，不同位置测厚范围在94.594.7mm之间、硬度为HB220234，均在合格范围内，购入原材的如图7所示图7 P92钢试验材料示意图7.2热电偶的安装与布置 图8 内外壁热电偶安装现场照片7.3焊接及层间温度控制图9 焊接现场照片7.4焊后热处理图10 现场焊后热处理加热宽度及保温宽度图11 恒温阶段内外壁温度仪表显示图12 热处理曲线图13 热处理后焊缝表面情况7.5无损检测对

10、热处理后的P92焊缝进行了超声波及磁粉检测，均未发现超标缺陷图14 热处理后无损检测照片7.6焊缝力学试样的加工图15 焊缝力学试样的取样7.7焊缝力学性能试验力学性能试验委托天津钢管集团股份有限公司检测中心进行，高温试验在诚信达公司内检测，实验室相关资质及设备如图16、17所示图16 试验资质图片图17 试验设备图片8试验数据与分析8.1热处理恒温阶段焊缝中心内外壁温差数据与分析(表格2)时间段1点钟（）12点钟（）3点钟（）6点钟（）外壁#1内壁#6温差外壁#5内壁#6温差外壁#7内壁#8温差外壁#3内壁#4温差765*1小时76273329748733157657353075973326

11、765*2小时76573530753735187647372776273527765*3小时76573530753735187647372776374023765*4小时76574223756742147627422076274121765*5小时76574322756743147627431976774423765*6小时76574520758745137607451576774621765*7小时76574421758744147617461576774621765*8小时76274220757742157607451576674521恒温3小时以后焊缝内壁温度都超过740，各点钟内壁温度

12、为741746。恒温各阶段不同位置内外壁温差均小于30，恒温后内外壁温差最大为23。8.2 12点钟恒温期间距焊缝不同距离处与内壁温差对比(表格3)时间段均温区(距焊缝边缘50mm)与焊缝内壁温差（）距焊缝边缘1.5t（142mm）与焊缝内壁温差（）距焊缝边缘2t（189m）与焊缝内壁温差（）外壁#9内壁#6温差外壁#11内壁#6温差外壁#13内壁#6温差765*1小时7487331574073377357332765*2小时7527351774373587357352765*3小时754740147457405736740-4765*4小时755742137457423737742-5765

13、*5小时755743127467433736743-7765*6小时756745117477452739745-6765*7小时755744117487444739744-5765*8小时755744117487444739744-5恒温3小时，均温区(距焊缝边缘50mm)处外壁温度比内壁平均高11；在距焊缝边缘1.5t(142mm)处温度比内壁温度平均高3；2倍壁厚处外壁温度比内壁温度平均低5。8.3 6点钟恒温期间距焊缝不同距离处与内壁温差对比(表格4)时间段距焊缝边缘t（94.5mm）（）距焊缝边缘 1.5t(142mm)（）距焊缝边缘2t(189mm)（）外壁#10内壁#4温差外壁#1

14、2内壁#4温差外壁#14内壁#4温差765*1小时7467331374573312729733-4765*2小时7527351774873513732735-3765*3小时754740147497409734740-6765*4小时754741137487417734741-7765*5小时7567441275574411740744-4765*6小时757746117557469741746-5765*7小时757746117557469741746-5765*8小时7587451375674511742745-3恒温3小时后，距焊缝边缘1倍壁厚处的外壁温度比内壁温度平均高12；距焊缝边缘

15、1.5倍壁厚处的外壁温度比内壁温度平均高9；距焊缝边缘2倍壁厚处的外壁温度比内壁温度平均低56点钟与12点钟恒温期间距焊缝不同距离处与内壁温差对比分析，可以得出以下结论： 在距焊缝边缘相同距离位置处，加热器覆盖的热电偶温度比加热器不覆盖的热电偶温度偏高，但焊缝内壁的温度基本保持一致，相差只有1。在恒温阶段只要周向长度误差在DL/T819规程附录中规定的允许范围内，采用本试验的加热宽度和保温宽度，能保证焊接接头的内壁温度均匀一致。8.4外壁轴向温度场分析图18 12点钟位置不同时刻外壁轴向温度场分布 图19 6点钟位置不同时刻外壁轴向温度场 各温度阶段在3t（284mm）范围内温度基本呈线性缓慢

16、下降，当轴向距离超过3t（284mm）时，温度随距离快速下降。8.5内壁轴向温度场分析恒温阶段，内壁焊缝中心（6#）与距焊缝边缘50mm处（17#）的温差最大为2；恒温阶段，与距焊缝边缘2t(189mm、19#)处温差最高达23。恒温阶段，距焊缝边缘t(94.5mm、18#)处与焊缝中心(4#)最大差为20；恒温阶段，距焊缝边缘2t(189mm、20#)处与焊缝中心温差最高达368.6从表面到根部温度分布图22 表面到根部温度场分布恒温阶段，距焊缝表面深8mm处与表面焊缝中心温差为1；距焊缝表面47mm深时,与表面焊缝中心温差达到13；内壁与表面焊缝中心温差达到24 。 8.7等校点分析12点

17、钟位置焊缝中心内外壁温差平均为13，图中与外壁焊缝中心相差13的距离大约在距离焊缝边缘1.7t处6点位置焊缝中心内外壁温差平均为21，图中与表面焊缝中心相差21的距离大约在1.8t处，因此6点钟位置等效点位置大约在1.8t处8.8焊缝性能试验8.8.1常温拉伸试验试件编号规定非比例延伸强度Rp0.2(MP)抗拉强度Rm(MP)延伸率A(%)最大力Fm备注LS-01-1535675170673断母材LS-01-2515667195665断母材LS-02-1530677180680断母材LS-02-2560664175665断母材试样均断于母材位置，试验结果满足标准DLT868-2004焊接工艺评

18、定规程的要求 。8.8.2弯曲试验试件编号试样形状及尺寸试验条件试验结果备注CW-01长度：250mm；宽度：原壁厚；厚度10mmd=4a =180完好侧弯CW-02长度：250mm；宽度：原壁厚；厚度10mmd=4a =180完好侧弯CW-03长度：250mm；宽度：原壁厚；厚度10mmd=4a =180有2mm裂纹1处侧弯CW-04长度：250mm；宽度：原壁厚；厚度10mmd=4a =180有2.8mm裂纹1处侧弯试验结果满足标准DL/T868-2004焊接工艺评定规程的要求 。8.8.3冲击试验试样号试验温度平均值冲击功JHF-G-01，02，03（10*5）2047HF-C-01，0

19、2，03（10*10）2046HF-B-01，02，03（10*10）2067HR-G-01，02，03（10*5）20120HR-C-01，02，03（10*10）2050HR-B-01，02，03（10*10）20173从表面到根部焊缝的平均冲击值大于41J，冲击性能满足EN1597-1的要求。8.8.4硬度试验试样号母材（HB）热影响区(HB)焊缝(HB)123平均123平均123平均YD-B(近表面)219219220219222238235232245237250244YD-C(层间)222220222221239244240241250247248248YD-G(根部)227225

20、226226234221238231252248250250焊缝的硬度值从表面到根部全部满足大于HB180和小于等于HB250的要求。8.8.5高温拉伸试验试件编号直径do(mm)抗拉强度Rm(MP)断裂位置备注LS-01-0110388.5母材高温600LS-01-0210381.6母材高温600LS-02-0110387.3母材高温600LS-02-0210404.2母材高温600高温拉伸结果表明试样均断裂于母材位置，说明焊缝的短时高温拉伸性能高于母材。也符合ASMEIX规定的不低于340MPa要求。8.8.6微观组织试验依据标准：火电厂金相检验与评定技术导则DL/T884-2004 微观

21、金相一：焊缝组织 M回 微观金相二：熔合线组织：右侧焊缝组织是M回，左侧热影响区组织是M回+F 微观金相三：母材组织是M回+F 酸洗后宏观形貌 检验结果：宏观金相检验结果：经宏观检验焊缝及热影响区周围不存在裂纹、焊缝中间有3个小气孔。 焊缝中心晶粒度检验结果：焊缝中心晶粒度：60%5.5级+40%7.5级；熔合线处热影响区晶粒度：7.0级；母材晶粒度：6.5级 全截面的微观金相检验，以下为检验结果：复膜位置 贴膜1处熔合线处组织，其中上侧为焊缝组织，回火 贴膜2处焊缝组织 ，回火马氏体组织 马氏体，下侧为热影响区组织，细小的回火马氏体。 贴膜3处组织（1），回火马氏体组织。 贴膜4处组织，回火

22、马氏体组织。9.力学性能试验结果分析1）常温拉伸试验均断在母材位置，抗拉强度和延伸率数据合格（符合DL/T868-2004焊接工艺评定规程）；全焊缝高温拉伸试验（600）抗拉强度数据合格（符合ASMEIX规定的340MPa要求）。2）全焊缝弯曲试验4个样品，其中两个存在有二处2mm、2.8mm开裂，（符合DL/T868-2004焊接工艺评定规程）结果合格。经放大观察，开裂处存在微小缺陷 3）硬度值沿厚度方向从表面到根部硬度平均值分别为：母 材：219HB、221HB、226HB；热 影 响 区：232HB、241HB、231HB；焊 缝：244HB、248HB、250HB，硬度结果合格，且焊缝

23、从表面到根部硬度值基本一致。4）冲击试验：分别自热影响区和焊缝的表面、层间、根部 分别取样，冲击值取3样品平均值： 热影响区：120J、50J、173J，结果合格； 焊缝：47J、46J、67J，结果合格。5）微观金相：经对焊缝、熔合线、管道原材微观分析： 焊缝组织为回火马氏体组织，板条特征明显，组织合格。 熔合线组织母材侧为回火马氏体+少量铁素体，组织合格。 原材组织为回火马氏体+少量铁素体，组织合格。10、试验结论101对本规格P92钢管道焊缝，采用经验公式确定的加热宽度及保温宽度，可以保证内壁温度最低达到745，内外壁温差最小13 ；最大21 。102均温区（距焊缝边缘50mm以内）温度和焊缝中心温度能基本一致，温差为2。103从轴向温度场曲线图可以推算出，当热电偶布置于加热层以内时本规格试件等效点大致位置在距离焊缝边缘1.7t处，布置在加热层以外等效点位置大致在距离焊缝边缘1.8t处，不同于DL/T819火力发电厂焊接热处理技术规程规定的等效点。 104本试验验证了按照经验公式确定加热带宽度及保温宽度，按12.5mm/h进行保温（最少不小于4小时），可以保证恒温期间内壁温度能达到740以上。105热处理后焊缝性能试验表明，金相组织为完全的回火马氏体组织，焊缝硬度HB250，焊缝冲击功能达到41J以上，满足P92钢焊缝的使用要求。