李孟良　王海強(qiáng)　李?！≮w華　郭洪寧　鄭志東

摘 要：隨著客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的重視程度越來越高，更為先進(jìn)的電磁感應(yīng)加熱技術(shù)被引入到P91鋼等高合金厚壁管道的焊接熱處理中，并得到客戶的認(rèn)可；該文正是對(duì)目前普遍使用的電阻加熱方法和近些年客戶逐漸要求的電磁感應(yīng)加熱方法進(jìn)行對(duì)比分析，以現(xiàn)場(chǎng)P91鋼管道和P22鋼管道的工藝評(píng)定試驗(yàn)為基礎(chǔ)，用試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明電磁感應(yīng)加熱方法在減小內(nèi)外壁溫差、改善焊縫力學(xué)性能、提高焊接熱處理質(zhì)量上的優(yōu)勢(shì)；可為今后其他項(xiàng)目采用同種加熱方法進(jìn)行焊接熱處理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：P91鋼 熱處理 電阻加熱 電磁感應(yīng)加熱

中圖分類號(hào)：TG44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）03（b）-0030-03

當(dāng)今火力發(fā)電鍋爐機(jī)組以大容量、高參數(shù)、超臨界為發(fā)展趨勢(shì)；為確保機(jī)組設(shè)備安全、可靠運(yùn)行，滿足高溫、高壓管道的需要，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益；熱強(qiáng)性高、工藝性好、價(jià)格低廉材料的開發(fā)是最關(guān)鍵的問題。而P91鋼具有高溫持久強(qiáng)度和抗蠕變斷裂性能，與P22（10CrMo910）鋼相比在相同使用溫度和壓力的條件下，管壁厚減薄50%；與奧氏體鋼相比，膨脹系數(shù)較小、熱傳導(dǎo)性好、熱裂紋傾向小、價(jià)格也相對(duì)便宜，使得P91鋼成為高溫過熱器聯(lián)箱、主蒸汽管道等高溫、高壓管道的首選及替代鋼種。無論是使用性能，還是經(jīng)濟(jì)性，P91鋼都表現(xiàn)出了它的優(yōu)越性，其使用量也在不斷增加。但由于采用的熱處理方法不夠科學(xué)，至使焊后熱處理的過程中內(nèi)外壁溫差嚴(yán)重，使其個(gè)別性能指標(biāo)不理想，尤其是不能保證焊縫根部的沖擊韌性。因此，選用合適的焊后熱處理方法，對(duì)就熱處理溫度特別敏感的P91鋼來說具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近些年隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，加之感應(yīng)熱處理的諸多優(yōu)點(diǎn)，越來越多的客戶都明確要求承包商使用電磁感應(yīng)加熱設(shè)備對(duì)P91等大徑厚壁管焊縫進(jìn)行熱處理。印度塔爾萬迪3×660 MW燃煤電站項(xiàng)目的業(yè)主就明確要求對(duì)P91鋼焊縫采用電磁感應(yīng)加熱方法進(jìn)行焊接熱處理。

1 電阻加熱與電磁感應(yīng)加熱方法對(duì)比

1.1 電阻加熱的原理

電阻加熱法是輻射加熱。其加熱原理是從加熱器發(fā)出的熱能以輻射的形式傳到工件的外表面，依靠金屬導(dǎo)熱，從外表面向內(nèi)部傳導(dǎo)。

1.2 電磁感應(yīng)加熱設(shè)備及其工作原理

1.2.1電磁感應(yīng)加熱設(shè)備

目前使用較多的電磁感應(yīng)加熱設(shè)備是由美國(guó)米勒公司生產(chǎn)的Proheat35型加熱設(shè)備，其功率為35 kW，頻率5～30 kHz，屬高頻感應(yīng)加熱；其主要設(shè)備構(gòu)成包括：感應(yīng)加熱電源、兩個(gè)輸出連接器、輸出加長(zhǎng)電纜、水冷加熱電纜、預(yù)熱護(hù)套、數(shù)字記錄儀、熱電偶加長(zhǎng)電纜、K型焊接式熱電偶（金屬絲）、強(qiáng)力冷卻水箱、用戶絕緣毯等。加熱時(shí)，輸出電流、電壓、頻率和功率通過微電腦自動(dòng)匹配，數(shù)據(jù)為電腦儲(chǔ)存；加熱導(dǎo)線為柔性線，內(nèi)通水冷卻，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝和拆卸；保溫棉為耐高溫、可重復(fù)使用的環(huán)保型產(chǎn)品。

1.2.2工作原理

設(shè)備通電后線圈內(nèi)的交變電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，使工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流，靠感應(yīng)電流加熱工件；工件整個(gè)截面有感應(yīng)加熱電流，內(nèi)部溫度梯度小，最熱區(qū)域在工件表面下方，熱量在金屬內(nèi)部快速傳導(dǎo)（如圖1所示）。

1.3 P91鋼的熱處理特性

P91鋼的最佳熱處理溫度為（760±10）℃，也就是說，熱處理溫度的上限為770 ℃，下限為750 ℃。熱處理溫度范圍相對(duì)比較窄，在這一溫度范圍內(nèi)，P91鋼焊接接頭焊后熱處理才能獲得良好的綜合性能，特別是焊縫的沖擊韌性。

1.4 電磁感應(yīng)加熱方法的優(yōu)勢(shì)

目前，焊后熱處理廣泛采用的是電阻加熱設(shè)備，從原理上分析，這種從外表面向內(nèi)部傳導(dǎo)熱能的方法，對(duì)大口徑厚壁管很可能會(huì)造成內(nèi)、外壁溫差過大的現(xiàn)象，而這種過大的溫差對(duì)溫度特別敏感的P91鋼而言，是對(duì)沖擊韌性不利的。而電磁感應(yīng)加熱法，從原理上講，它的熱源來自由金屬內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電流使材料發(fā)熱，這種熱處理法對(duì)大口徑厚壁管造成的內(nèi)、外壁溫差應(yīng)該小，對(duì)溫度敏感的P91鋼焊接接頭熱處理應(yīng)該更為有利。

2 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

2.1 試驗(yàn)材料

選用P22和P91兩種材料進(jìn)行工藝評(píng)定期間的對(duì)比試驗(yàn)：材質(zhì)為SA335-P91的材料規(guī)格為φ697 mm×65 mm，材質(zhì)為SA335-P22的材料規(guī)格為φ559 mm×60 mm，兩種材料的長(zhǎng)度均為1 200 mm。

2.2 熱處理設(shè)備

2.2.1采用電阻加熱的P22材質(zhì)

設(shè)備：電阻加熱設(shè)備；加熱裝置：柔性陶瓷加熱器；保溫材料：硅酸鋁保溫氈；測(cè)溫?zé)犭娕迹篕型焊接熱電偶絲。

2.2.2采用電磁感應(yīng)加熱的P91材質(zhì)

設(shè)備：Proheat 35型電磁感應(yīng)加熱設(shè)備進(jìn)行熱處理；加熱裝置：內(nèi)部通水冷卻的柔性加熱電磁感應(yīng)線圈；保溫材料：可多次重復(fù)利用的環(huán)保型石棉布；測(cè)溫?zé)犭娕迹篕型焊接熱電偶絲。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1試驗(yàn)環(huán)境條件

塔爾萬迪項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)（如圖2所示）。

2.3.2熱電偶布置與安裝

采用K型熱電偶絲作為溫度檢測(cè)元件，熱電偶采用儲(chǔ)能焊接的方法將熱電偶絲直接壓焊在管道表面，控溫?zé)犭娕紤?yīng)沿焊縫中心線布置，共8個(gè)測(cè)溫點(diǎn)（如圖3所示）。

2.3.3補(bǔ)償導(dǎo)線的選擇

采用與熱點(diǎn)偶絲相匹配的帶屏蔽層的精密級(jí)補(bǔ)償導(dǎo)線，與熱電偶連接必須保證極性正確，補(bǔ)償導(dǎo)線布置應(yīng)遠(yuǎn)離供電線路以避免產(chǎn)生干擾，同時(shí)應(yīng)盡可能將補(bǔ)償導(dǎo)線布置在溫度較低的環(huán)境。

2.3.4熱處理工藝確定

（1）規(guī)格/材質(zhì)為φ559 mm×60 mm/SA335-P22材料。

焊前預(yù)熱溫度：200 ℃；

層間溫度：應(yīng)控制在200～350 ℃；

后熱處理：當(dāng)被迫后熱時(shí)，后熱溫度為300～350 ℃，保溫2 h。

焊后熱處理：恒溫溫度為730～750 ℃，恒溫3 h；升降速度為75 ℃/h。

（2）規(guī)格/材質(zhì)為φ697×65mm/SA335-P91材料。

焊前預(yù)熱溫度：200 ℃；

層間溫度：應(yīng)控制在200～350 ℃；

后熱處理：焊后不宜采用后熱；當(dāng)被迫后熱時(shí)，應(yīng)在焊件溫度降至80～100 ℃，時(shí)間保持為 1～2 h后立即進(jìn)行。后熱溫度為300～350 ℃，保溫2 h。

焊后熱處理：焊后熱處理應(yīng)在焊接完成后，焊件溫度降至80～100 ℃，時(shí)間保持為 1～2 h后立即進(jìn)行；恒溫溫度為750～770 ℃，恒溫4 h；升降速度為75 ℃/h。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 熱處理內(nèi)外壁溫差對(duì)比

為了便于對(duì)比，在P22材料750 ℃恒溫3 h和P91材料770 ℃恒溫3 h的時(shí)候?qū)?個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度進(jìn)行了記錄，如表1所示。

由表1可以看出兩種加熱法在水平固定位置上測(cè)得的同一截面周向外壁溫度相同（#1、#3、#5、#7點(diǎn)的溫度），而徑向方向上的內(nèi)壁溫度處于不均勻狀態(tài)，其內(nèi)、外壁溫差因加熱方法不同相差懸殊。在試驗(yàn)條件相同的情況下，電磁感應(yīng)加熱法測(cè)得的內(nèi)外壁溫差明顯小于柔性陶瓷電阻加熱法。電磁感應(yīng)加熱法測(cè)得的內(nèi)外壁溫差﹤20 ℃，柔性陶瓷電阻加熱法測(cè)的內(nèi)外壁溫差最小為30 ℃，最大為45 ℃。

3.2 P91熱處理后的質(zhì)量檢驗(yàn)

熱處理結(jié)束后，將試樣委托印度德里的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)（IRC工程檢測(cè)試驗(yàn)室）進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

3.2.1硬度

（1）近表面硬度值為：母材222VHN、熱影響區(qū)261、265VHN，焊縫233VHN。

（2）層間硬度值為：母材223VHN、熱影響區(qū)264VHN，焊縫224VHN。

（3）根部硬度值為：熱影響區(qū)260、267VHN，焊縫242VHN。

硬度測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E92進(jìn)行，具體硬度檢查結(jié)果見表2所示。

3.2.2力學(xué)性能

根據(jù)ASME第Ⅸ卷中的QW462.1b進(jìn)行了拉伸性能測(cè)試（見表3），根據(jù)ASME第Ⅸ卷中的QW462.2和QW466.1進(jìn)行了彎曲性能測(cè)試（見表4）。

3.2.3試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）兩個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度為633 MPa和637 MPa，均大于下限585 MPa，且均斷在母材；結(jié)果合格。

（2）四個(gè)全焊縫彎曲試樣，試驗(yàn)后均未在外表面發(fā)現(xiàn)裂紋，結(jié)果合格。

（3）硬度值沿厚度方向從表面到根部硬度平均值分別為：母材硬度為222VHN、223VHN；焊縫一側(cè)的熱影響區(qū)硬度為261VHN、264VHN、260VHN；焊縫另一側(cè)的熱影響區(qū)硬度為265VHN、264VHN、267VHN；焊縫硬度為233VHN、224VHN、242VHN；所有硬度值均在合格范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語

（1）P91鋼焊縫通過電磁感應(yīng)加熱方法熱處理后，焊縫熔敷金屬的硬度值和力學(xué)性能數(shù)據(jù)完全滿足SA335-P91鋼的性能要求。

（2）Proheat35型電磁感應(yīng)加熱設(shè)備與柔性陶瓷電阻加熱設(shè)備，在分別對(duì)P91管子和P22管子做工藝評(píng)定時(shí)，其內(nèi)外壁溫差因加熱方法不同相差懸殊，電磁感應(yīng)加熱，管內(nèi)外壁溫差遠(yuǎn)比柔性陶瓷電阻加熱小。

（3）Proheat35型電磁感應(yīng)加熱設(shè)備在Φ697 mm×65 mm的P91管子上試驗(yàn)所測(cè)得的內(nèi)外壁溫差﹤20℃，這對(duì)焊后熱處理溫度要求特別敏感的P91鋼十分重要。而柔性陶瓷電阻加熱設(shè)備在Φ559 mm×60 mm的P22管子上測(cè)得的內(nèi)外壁溫差最小為30 ℃，最大為45 ℃。

（4）試驗(yàn)表明對(duì)大徑厚壁的P91管子采用Proheat35型電磁感應(yīng)加熱設(shè)備進(jìn)行焊后熱處理，能有效地保證P91焊縫的熱處理溫度控制在（760±10）℃范圍之內(nèi)，從而確保P91鋼整個(gè)焊接接頭內(nèi)外部力學(xué)性能的均勻性，更好地保證焊縫根部的沖擊韌性。

（5）試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)證明，電磁感應(yīng)加熱法無論從理論還是實(shí)踐上，該方法對(duì)大口徑厚壁管的熱處理效果要優(yōu)于目前廣泛使用的柔性陶瓷電阻加熱法。

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