減小P92鋼焊后熱處理內(nèi)外壁溫差的工藝研究與分析

減小P92鋼焊后熱處理內(nèi)外壁溫差的工藝研究與分析一、采用柔性陶瓷電阻加熱方法縮小P92鋼焊后熱處理內(nèi)外壁溫差的工藝試驗(yàn)1．本試驗(yàn)立項(xiàng)背景及意義隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，機(jī)組參數(shù)更高的超超臨界機(jī)組成為的當(dāng)前火電發(fā)展的必然趨勢，由于P92鋼卓越的抗高溫蠕變性能，使其成為國內(nèi)超超臨界火力發(fā)電機(jī)組主蒸汽管道的首選鋼種，DL/T819-2002《火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程》不包括P92等新型鐵素體耐熱鋼，對P92鋼進(jìn)行焊后熱處理加熱寬度及保溫寬度的選擇國內(nèi)不存在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，雖有文獻(xiàn)報(bào)道采用Proheat35中頻感應(yīng)加熱設(shè)備可保證焊縫內(nèi)外壁溫差小于30℃，焊縫沖擊值大于47J，滿足EN1597-1的要求，但該設(shè)備國外主要用于預(yù)熱使用，且設(shè)備進(jìn)口價(jià)格昂貴，工作效率低下，研究采用傳統(tǒng)的柔性陶瓷電阻加熱方法對P92鋼進(jìn)行焊后熱處理，保證焊縫的使用性能，可為安裝單位節(jié)省大量資金，提高安裝效率，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會效益。2．試驗(yàn)準(zhǔn)備2．1加熱寬度及保溫寬度確定對于加熱寬度的選擇，不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的公式有所差異。歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：美國ANSI/AWSD10.10標(biāo)準(zhǔn)：華能導(dǎo)則（試行）：本試驗(yàn)擬合公式：加熱寬度保溫寬度擬合曲線經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表格1)序號外徑內(nèi)徑內(nèi)徑*壁厚(內(nèi)徑*壁厚)1/2壁厚加熱器寬度保溫寬度1219143543473.7238510663232421411770108.49556629763335273846392315908284338.7274.18853.4394.132.3569847534825411938109.26476659836404.5298.515820.5125.785372011307406.4325.4213176.2558114.7940.496681035855940331434177.3789601600957850219076138.123879212401081369341580203.9160108018351197891429248171.0232935154012808700.4837657.8048194.0653.76103517501377355061325247.63111.5128722251453134931759178.219196216051538024816368127.946674011501675566928767169.614393215251756450016000126.493273711401862955919565139.87357911260根據(jù)最小二乘法擬合加熱器寬度及保溫寬度的經(jīng)驗(yàn)公式，擬合曲線如圖1所示。圖1加熱寬度、保溫寬度擬合曲線2試驗(yàn)現(xiàn)場環(huán)境條件為模擬現(xiàn)場的施工環(huán)境,試驗(yàn)場所選在了天津電檢公司修造廠大車間進(jìn)行圖2試驗(yàn)現(xiàn)場環(huán)境3試驗(yàn)材料及熱處理設(shè)備P92管規(guī)格：ID349×94.5（管子兩節(jié)長度分別為840mm和1813mm）熱處理設(shè)備：國產(chǎn)XDJW-D-360KW熱處理控制柜，加熱及保溫材料：國產(chǎn)柔性陶瓷電阻加熱片，保溫材料材料選用硅酸鋁纖維氈?？販丶皽y溫材料：K型Ⅱ級焊接熱電偶絲，20號K型補(bǔ)償導(dǎo)線上述的溫度測量系統(tǒng)均經(jīng)過計(jì)量校驗(yàn)后使用圖3熱處理材料、設(shè)備及校驗(yàn)2．4熱電偶的布置與安裝示意圖圖4熱電偶的安裝位置及分布示意圖熱電偶安裝說明控制點(diǎn)：焊縫1點(diǎn)鐘位置1#；焊縫11點(diǎn)鐘位置2#；焊縫6點(diǎn)鐘位置3#測溫點(diǎn)：外壁12點(diǎn)鐘位置焊縫5#；距坡口50mm處9#；1.5t處11#；2t處；13#；3t處15#外壁6點(diǎn)鐘位置：距坡口1t處10#；1.5t處12#；2t處14#；3t處16#內(nèi)壁12點(diǎn)鐘位置：焊縫6#距坡口50mm處17#；2t處19#內(nèi)壁6點(diǎn)鐘位置：焊縫4#距坡口1t處18#；2t處20#3點(diǎn)鐘位置焊縫：外壁7#；內(nèi)壁8#深度方向：1點(diǎn)鐘位置距外壁坡口1.5mm，深度8mm處21#；6點(diǎn)鐘位置距外壁坡口1.5mm，深度47mm處22#備用熱電偶：距焊縫600mm處每側(cè)各1點(diǎn)（23#、24#）及1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#點(diǎn)的備用點(diǎn)（為防止熱電偶接觸不好導(dǎo)致測量誤差，采用雙測溫點(diǎn)，一路熱電偶進(jìn)行監(jiān)控）焊接工藝制定材質(zhì)/規(guī)格：A335P92/ID349*94.5mm焊接方法：Ws/Ds+MZ焊接位置：5G焊接材料：焊絲MTS616/φ2.4mm；焊條MTS616/φ2.5、3.0、3.2mm接頭型式：綜合型實(shí)際焊道控制要求：氬弧焊共2層，總厚度不小于4mm；電焊層焊層寬度≤4倍所用焊條直徑，單層厚度≤所用焊條直徑，Ws焊接線能量≤25KJ/cm，Ds、MZ焊接線能量≤20KJ/cm4．預(yù)熱及層間溫度控制氬弧焊打底預(yù)熱溫度：100~200℃；預(yù)熱加熱寬度：從焊縫中心算起，每側(cè)500mm；加熱及保溫方式：電加熱，過程中用熱電偶絲控溫（坡口每側(cè)采用2支熱電偶絲測溫）,用輻射溫度計(jì)跟蹤測溫；電弧焊及埋弧自動(dòng)焊層間溫度：200~250℃。5．熱處理工藝制定加熱及保溫方式：柔性陶瓷電阻加熱，過程中用熱電偶絲控溫，溫度校準(zhǔn)儀（電子電位差計(jì)）跟蹤測溫；計(jì)算加熱帶寬度HB：HB=984mm實(shí)際取：1000mm；計(jì)算保溫寬度GCB為：GCB=1729mm實(shí)際取：1760mm；為模擬現(xiàn)場斷電情況，本試驗(yàn)做350℃/2h后熱處理升溫速度：300℃以下150~200℃/h、300℃以上80~120℃/h;降溫速度：300℃以上100~150℃/h，300℃以下空冷；熱處理恒溫溫度/時(shí)間：760±10℃/8小時(shí)其他要求：焊接完畢后，緩慢冷卻至80-100℃時(shí)，保溫2h，然后開始升溫進(jìn)行后熱及焊后熱處理。熱處理曲線圖5熱處理曲線6．焊縫性能檢測依據(jù)DL/T868-2004《焊接工藝評定規(guī)程》截取試樣，對熱處理后的焊進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊試驗(yàn)，試樣的切取位置見圖6圖6焊縫力學(xué)性能試樣切取位置7．試驗(yàn)實(shí)施7.1原材檢驗(yàn)P92鋼原材購入后，課題組安排有相關(guān)資質(zhì)人員對原材進(jìn)行了光譜分析、合金元素含量在標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)，不同位置測厚范圍在94.5~94.7mm之間、硬度為HB220~234，均在合格范圍內(nèi)，購入原材的如圖7所示圖7P92鋼試驗(yàn)材料示意圖7.2熱電偶的安裝與布置圖8內(nèi)外壁熱電偶安裝現(xiàn)場照片7.3焊接及層間溫度控制圖9焊接現(xiàn)場照片7.4焊后熱處理圖10現(xiàn)場焊后熱處理加熱寬度及保溫寬度圖11恒溫階段內(nèi)外壁溫度儀表顯示圖12熱處理曲線圖13熱處理后焊縫表面情況7.5無損檢測對熱處理后的P92焊縫進(jìn)行了超聲波及磁粉檢測，均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷圖14熱處理后無損檢測照片7.6焊縫力學(xué)試樣的加工圖15焊縫力學(xué)試樣的取樣7.7焊縫力學(xué)性能試驗(yàn)力學(xué)性能試驗(yàn)委托天津鋼管集團(tuán)股份有限公司檢測中心進(jìn)行，高溫試驗(yàn)在誠信達(dá)公司內(nèi)檢測，實(shí)驗(yàn)室相關(guān)資質(zhì)及設(shè)備如圖16、17所示圖16試驗(yàn)資質(zhì)圖片圖17試驗(yàn)設(shè)備圖片8．試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析8.1熱處理恒溫階段焊縫中心內(nèi)外壁溫差數(shù)據(jù)與分析(表格2)時(shí)間段1點(diǎn)鐘（℃）12點(diǎn)鐘（℃）3點(diǎn)鐘（℃）6點(diǎn)鐘（℃）外壁#1內(nèi)壁#6溫差外壁#5內(nèi)壁#6溫差外壁#7內(nèi)壁#8溫差外壁#3內(nèi)壁#4溫差765℃*1小時(shí)76273329748733157657353075973326765℃*2小時(shí)76573530753735187647372776273527765℃*3小時(shí)76573530753735187647372776374023765℃*4小時(shí)76574223756742147627422076274121765℃*5小時(shí)76574322756743147627431976774423765℃*6小時(shí)76574520758745137607451576774621765℃*7小時(shí)76574421758744147617461576774621765℃*8小時(shí)76274220757742157607451576674521恒溫3小時(shí)以后焊縫內(nèi)壁溫度都超過740℃，各點(diǎn)鐘內(nèi)壁溫度為741~746℃。恒溫各階段不同位置內(nèi)外壁溫差均小于30℃，恒溫后內(nèi)外壁溫差最大為23℃。8.212點(diǎn)鐘恒溫期間距焊縫不同距離處與內(nèi)壁溫差對比(表格3)時(shí)間段均溫區(qū)(距焊縫邊緣50mm)與焊縫內(nèi)壁溫差（℃）距焊縫邊緣1.5t（142mm）與焊縫內(nèi)壁溫差（℃）距焊縫邊緣2t（189m）與焊縫內(nèi)壁溫差（℃）外壁#9內(nèi)壁#6溫差外壁#11內(nèi)壁#6溫差外壁#13內(nèi)壁#6溫差765℃*1小時(shí)7487331574073377357332765℃*2小時(shí)7527351774373587357352765℃*3小時(shí)754740147457405736740-4765℃*4小時(shí)755742137457423737742-5765℃*5小時(shí)755743127467433736743-7765℃*6小時(shí)756745117477452739745-6765℃*7小時(shí)755744117487444739744-5765℃*8小時(shí)755744117487444739744-5恒溫3小時(shí)，均溫區(qū)(距焊縫邊緣50mm)處外壁溫度比內(nèi)壁平均高11℃；在距焊縫邊緣1.5t(142mm)處溫度比內(nèi)壁溫度平均高3℃；2倍壁厚處外壁溫度比內(nèi)壁溫度平均低5℃。8.36點(diǎn)鐘恒溫期間距焊縫不同距離處與內(nèi)壁溫差對比(表格4)時(shí)間段距焊縫邊緣t（94.5mm）（℃）距焊縫邊緣1.5t(142mm)（℃）距焊縫邊緣2t(189mm)（℃）外壁#10內(nèi)壁#4溫差外壁#12內(nèi)壁#4溫差外壁#14內(nèi)壁#4溫差765℃*1小時(shí)7467331374573312729733-4765℃*2小時(shí)7527351774873513732735-3765℃*3小時(shí)754740147497409734740-6765℃*4小時(shí)754741137487417734741-7765℃*5小時(shí)7567441275574411740744-4765℃*6小時(shí)757746117557469741746-5765℃*7小時(shí)757746117557469741746-5765℃*8小時(shí)7587451375674511742745-3恒溫3小時(shí)后，距焊縫邊緣1倍壁厚處的外壁溫度比內(nèi)壁溫度平均高12℃；距焊縫邊緣1.5倍壁厚處的外壁溫度比內(nèi)壁溫度平均高9℃；距焊縫邊緣2倍壁厚處的外壁溫度比內(nèi)壁溫度平均低5℃6點(diǎn)鐘與12點(diǎn)鐘恒溫期間距焊縫不同距離處與內(nèi)壁溫差對比分析，可以得出以下結(jié)論：⑴在距焊縫邊緣相同距離位置處，加熱器覆蓋的熱電偶溫度比加熱器不覆蓋的熱電偶溫度偏高，但焊縫內(nèi)壁的溫度基本保持一致，相差只有1℃。⑵在恒溫階段只要周向長度誤差在DL/T819規(guī)程附錄中規(guī)定的允許范圍內(nèi)，采用本試驗(yàn)的加熱寬度和保溫寬度，能保證焊接接頭的內(nèi)壁溫度均勻一致。8.4外壁軸向溫度場分析圖1812點(diǎn)鐘位置不同時(shí)刻外壁軸向溫度場分布圖196點(diǎn)鐘位置不同時(shí)刻外壁軸向溫度場各溫度階段在3t（284mm）范圍內(nèi)溫度基本呈線性緩慢下降，當(dāng)軸向距離超過3t（284mm）時(shí)，溫度隨距離快速下降。8.5內(nèi)壁軸向溫度場分析恒溫階段，內(nèi)壁焊縫中心（6#）與距焊縫邊緣50mm處（17#）的溫差最大為2℃；恒溫階段，與距焊縫邊緣2t(189mm、19#)處溫差最高達(dá)23℃。恒溫階段，距焊縫邊緣t(94.5mm、18#)處與焊縫中心(4#)最大差為20℃；恒溫階段，距焊縫邊緣2t(189mm、20#)處與焊縫中心溫差最高達(dá)36℃8.6從表面到根部溫度分布圖22表面到根部溫度場分布恒溫階段，距焊縫表面深8mm處與表面焊縫中心溫差為1℃；距焊縫表面47mm深時(shí),與表面焊縫中心溫差達(dá)到13℃；內(nèi)壁與表面焊縫中心溫差達(dá)到24℃。8.7等校點(diǎn)分析12點(diǎn)鐘位置焊縫中心內(nèi)外壁溫差平均為13℃，圖中與外壁焊縫中心相差13℃的距離大約在距離焊縫邊緣1.7t處6點(diǎn)位置焊縫中心內(nèi)外壁溫差平均為21℃，圖中與表面焊縫中心相差21℃的距離大約在1.8t處，因此6點(diǎn)鐘位置等效點(diǎn)位置大約在1.8t處8.8焊縫性能試驗(yàn)8.8.1常溫拉伸試驗(yàn)試件編號規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2(MP)抗拉強(qiáng)度Rm(MP)延伸率A(%)最大力Fm備注LS-01-153567517．0673斷母材LS-01-251566719．5665斷母材LS-02-153067718．0680斷母材LS-02-256066417．5665斷母材試樣均斷于母材位置，試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)DLT868-2004《焊接工藝評定規(guī)程》的要求。8.8.2彎曲試驗(yàn)試件編號試樣形狀及尺寸試驗(yàn)條件試驗(yàn)結(jié)果備注CW-01長度：250mm；寬度：原壁厚；厚度10mmd=4aα=180°完好側(cè)彎CW-02長度：250mm；寬度：原壁厚；厚度10mmd=4aα=180°完好側(cè)彎CW-03長度：250mm；寬度：原壁厚；厚度10mmd=4aα=180°有2mm裂紋1處側(cè)彎CW-04長度：250mm；寬度：原壁厚；厚度10mmd=4aα=180°有2.8mm裂紋1處側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)DL/T868-2004《焊接工藝評定規(guī)程》的要求。8.8.3沖擊試驗(yàn)試樣號試驗(yàn)溫度℃平均值沖擊功JHF-G-01，02，03（10*5）2047HF-C-01，02，03（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從表面到根部焊縫的平均沖擊值大于41J，沖擊性能滿足EN1597-1的要求。8.8.4硬度試驗(yàn)試樣號母材（HB）熱影響區(qū)(HB)焊縫(HB)123平均123平均123平均YD-B(近表面)219219220219222238235232245237250244YD-C(層間)222220222221239244240241250247248248YD-G(根部)227225226226234221238231252248250250焊縫的硬度值從表面到根部全部滿足大于HB180和小于等于HB250的要求。8.8.5高溫拉伸試驗(yàn)試件編號直徑do(mm)抗拉強(qiáng)度Rm(MP)斷裂位置備注LS-01-0110388.5母材高溫600℃LS-01-0210381.6母材高溫600℃LS-02-0110387.3母材高溫600℃LS-02-0210404.2母材高溫600℃高溫拉伸結(jié)果表明試樣均斷裂于母材位置，說明焊縫的短時(shí)高溫拉伸性能高于母材。也符合ASMEIX規(guī)定的不低于340MPa要求。8.8.6微觀組織試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：《火電廠金相檢驗(yàn)與評定技術(shù)導(dǎo)則》DL/T884-2004微觀金相一：焊縫組織M回微觀金相二：熔合線組織：右側(cè)焊縫組織是M回，左側(cè)熱影響區(qū)組織是M回+F微觀金相三：母材組織是M回+F酸洗后宏觀形貌檢驗(yàn)結(jié)果：宏觀金相檢驗(yàn)結(jié)果：經(jīng)宏觀檢驗(yàn)焊縫及熱影響區(qū)周圍不存在裂紋、焊縫中間有3個(gè)小氣孔。焊縫中心晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果：焊縫中心晶粒度：60%5.5級+40%7.5級；熔合線處熱影響區(qū)晶粒度：7.0級；母材晶粒度：6.5級全截面的微觀金相檢驗(yàn)，以下為檢驗(yàn)結(jié)果：復(fù)膜位置貼膜1處熔合線處組織，其中上側(cè)為焊縫組織，回火貼膜2處焊縫組織，回火馬氏體組織馬氏體，下側(cè)為熱影響區(qū)組織，細(xì)小的回火馬氏體。貼膜3處組織（1），回火馬氏體組織。貼膜4處組織，回火馬氏體組織。9.力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析1）常溫拉伸試驗(yàn)均斷在母材位置，抗拉強(qiáng)度和延伸率數(shù)據(jù)合格（符合DL/T868-2004焊接工藝評定規(guī)程）；全焊縫高溫拉伸試驗(yàn)（600℃）抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)合格（符合ASMEIX規(guī)定的340MPa要求）。2）全焊縫彎曲試驗(yàn)4個(gè)樣品，其中兩個(gè)存在有二處2mm、2.8mm開裂，（符合DL/T868-2