張 磊

（中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300457）

隨著科技的發(fā)展，石油化工建設(shè)項(xiàng)目正朝著大型化、規(guī)模化、高端化轉(zhuǎn)變，譬如大榭石化三期、四期項(xiàng)目和惠州煉化二期及待建三期項(xiàng)目，對管道強(qiáng)度、耐熱、耐腐蝕、高溫蠕變等性能的要求也越來越高，這樣勢必對管道材料和焊接材料等級、焊接工藝和焊后熱處理工藝提出更高的要求。并且焊接工程量動(dòng)輒數(shù)十萬吋徑，甚至數(shù)百萬吋徑，隨之焊后熱處理的工作量也越來越大。

目前石油化工項(xiàng)目熱處理工作質(zhì)量不高，主要體現(xiàn)在：各參建單位對熱處理工作不夠重視，熱處理人員無資格和技術(shù)能力普遍較低，熱處理設(shè)備和熱電偶的檢定、校準(zhǔn)、校驗(yàn)不規(guī)范、不及時(shí)，熱處理工藝執(zhí)行不規(guī)范，熱處理后的檢驗(yàn)試驗(yàn)流于形式，焊后熱處理效果不理想等。

本文結(jié)合近年來質(zhì)量監(jiān)督實(shí)踐，按照中國海洋石油質(zhì)量監(jiān)督管理制度[1]要求，從熱處理人員、熱處理設(shè)備和材料、熱處理工藝、熱處理后的檢驗(yàn)試驗(yàn)等方面，探討監(jiān)督工程師如何有效完成對管道焊后熱處理工作的質(zhì)量監(jiān)督。

1 熱處理人員

現(xiàn)場參與熱處理工作的人員主要包括熱處理操作工和熱處理專業(yè)技術(shù)人員。其中，金屬熱處理工應(yīng)依照《國家職業(yè)技能標(biāo)準(zhǔn) 金屬熱處理工》（職業(yè)編碼：6-18-02-03），取得相應(yīng)等級（共五級）的職業(yè)資格證書。該水平類評價(jià)類的資格證書主要是由技能鑒定機(jī)構(gòu)聯(lián)合相關(guān)行業(yè)協(xié)會(huì)進(jìn)行考核和頒發(fā)。目前石油化工行業(yè)尚未開展金屬熱處理工職業(yè)技能鑒定工作，據(jù)了解僅有電力行業(yè)考核和頒發(fā)三級（含三級）以下金屬熱處理工職業(yè)資格證，一級（高級技師）和二級（技師）仍由人社部下屬的職業(yè)技能鑒定機(jī)構(gòu)考核和頒發(fā)。

在執(zhí)行管道焊后熱處理工作的質(zhì)量監(jiān)督工作時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格審查熱處理人員的金屬熱處理工職業(yè)資格證，杜絕電工證替代職業(yè)資格證的現(xiàn)象。另外，鑒于熱處理對象、工藝和電力行業(yè)區(qū)別不大（大部分相同），建議石油化工項(xiàng)目參考電力標(biāo)準(zhǔn)，明確各級金屬熱處理工的工作范圍。

2 熱處理設(shè)備和材料

熱處理設(shè)備主要由測控溫系統(tǒng)、溫度記錄儀和熱電偶等部分組成。設(shè)備應(yīng)具備自動(dòng)控溫和測溫功能。其中測控溫系統(tǒng)的電流表、電壓表應(yīng)經(jīng)過校準(zhǔn)，溫度記錄儀如采用自動(dòng)記錄裝置（絕大部分都是）也應(yīng)定期檢定。熱電偶或熱電偶絲作為直接溫度測量設(shè)備也應(yīng)定期校驗(yàn)或比對。監(jiān)督工程師應(yīng)重點(diǎn)抽查相應(yīng)計(jì)量證書、校準(zhǔn)證書、檢定證書的有效性，另外應(yīng)注意的是，測控溫系統(tǒng)的精度應(yīng)控制在±5℃。

熱處理使用的材料主要是指柔性陶瓷指加熱片及繩、保溫材料（如硅酸鋁毯、玻璃纖維布等），監(jiān)督檢查時(shí)應(yīng)著重檢查熱處理材料的質(zhì)量證明文件。對于柔性陶瓷指加熱片及繩，主要參數(shù)為：最高加熱溫度和熱處理工藝所需最高保溫溫度是否匹配，抗熱震性能是否滿足要求，軟化溫度不得低于1 200℃。對于保溫材料，主要參數(shù)為：熱阻不得低于350℃·m2/kW，且熔融溫度不低于1 150℃。

3 熱處理工藝

熱處理工藝的來源主要有三個(gè)方面，最直接的來源是設(shè)計(jì)文件（尤其是特殊部位和特設(shè)材質(zhì)），其次是管道安裝標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及配套的熱處理標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范（這也是來源最廣泛的一種），最后是施工單位通過焊接工藝評定確定的熱處理工藝。監(jiān)督檢查時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)審查熱處理工藝卡和作業(yè)指導(dǎo)書，檢查其是否滿足設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范或焊接工藝評定的要求，編審批流程是否符合施工現(xiàn)場管理要求，交底是否及時(shí)、準(zhǔn)確等。

根據(jù)材料在加熱和冷卻時(shí)組織和性能變化規(guī)律，現(xiàn)場常用的熱處理工藝分為去應(yīng)力退火、高溫回火和穩(wěn)定化處理三種。去應(yīng)力退火應(yīng)用最為廣泛，主要應(yīng)用于碳鋼、低合金鋼等鐵素體和珠光體焊縫（如20g，15CrMoG，12Cr1MoV，SA335P22等），目的是為了消除焊縫內(nèi)的氫元素和焊接應(yīng)力，起到改善焊縫及熱影響區(qū)組織和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用。高溫回火主要應(yīng)用于馬氏體鋼焊縫（如1Cr5Mo，9%～12%Cr 系列鋼材），目的是為了降低焊縫應(yīng)力、提高韌性和改善高溫蠕變性能等。穩(wěn)定化處理指的是含有穩(wěn)定化元素Nb 或Ti 的奧氏體不銹鋼（如0Cr18Ni9Ti 等），為了防止晶間腐蝕，須將C 以碳化物（NbC 或TiC）的形式固定于奧氏體晶界的熱處理過程。在監(jiān)督檢查過程中，首先要和焊接記錄對應(yīng)起來，核查焊后熱處理實(shí)施的時(shí)機(jī)。需要特別指出的是對于含硫管線的消除應(yīng)力退火或消氫處理應(yīng)當(dāng)及時(shí)，不得遷延。馬氏體鋼焊縫熱處理前的低溫轉(zhuǎn)變一定要充分（如SA335P91焊縫在焊后應(yīng)冷卻到100～120℃，并保溫1h 以上），要保證焊縫組織馬氏體轉(zhuǎn)化盡可能完全。其次熱處理過程的升降溫速度和保溫溫度、時(shí)間是關(guān)注重點(diǎn)。對于奧氏體不銹鋼穩(wěn)定化處理的降溫過程一定要快，保溫時(shí)間足夠以后，直接空冷。盡量避開敏化溫度區(qū)間（450～850℃），減少碳化鉻（Cr23C6）的形成，避免晶間貧鉻。再次，熱電偶或熱電偶絲的布置也是檢查重點(diǎn)，測控溫?zé)犭娕紨?shù)量、分布滿足標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范最低要求，選取有代表性、測控溫可靠的位置。并且每一個(gè)控制回路至少有一支控溫?zé)犭娕?，橫焊縫應(yīng)布置在焊縫下側(cè)的位置，水平管道的對接焊縫應(yīng)放置在焊縫底部（需要說明的是，對于此類焊縫的熱電偶布置方式，電力行業(yè)和石油化工行業(yè)規(guī)范要求不同）。最后應(yīng)重點(diǎn)檢查均熱寬度、加熱寬度、保溫寬度是否滿足規(guī)范要求，以保證升、保、降溫正常。再次應(yīng)重點(diǎn)檢查熱處理曲線，熱處理曲線應(yīng)清晰、連續(xù)、完整、真實(shí)，并且標(biāo)記內(nèi)容應(yīng)齊全，符合規(guī)范要求。需要特別注意的是，在保溫過程中，保溫溫度超過規(guī)范要求時(shí)，應(yīng)注意檢查硬度檢測結(jié)果。對于保溫溫度超過材料的下限臨界溫度的管段應(yīng)報(bào)廢并更換。

4 檢驗(yàn)試驗(yàn)

評定熱處理工作質(zhì)量的檢驗(yàn)試驗(yàn)主要包括硬度檢測、金相試驗(yàn)。硬度檢測，尤其是里氏硬度檢測具備快速、便捷、數(shù)據(jù)直觀顯示、可實(shí)現(xiàn)布洛維三種硬度轉(zhuǎn)換、損傷較輕、對各向和狹小空間均可使用的特點(diǎn)，目前在石油化工行業(yè)應(yīng)用最為廣泛。但是也存在測量精度受工件表面粗糙度和厚度影響較大，操作的可重復(fù)性差，有較小熱影響區(qū)的焊縫測量不精準(zhǔn)，不能直接反饋熱處理后顯微組織的局限性。其他的硬度檢測方法限于本身操作較為繁瑣，設(shè)備笨重不適合現(xiàn)場開展檢測工作。金相試驗(yàn)操作過程繁瑣、對試驗(yàn)人員要求比較高，但是具備能直觀顯示焊縫、熱影響區(qū)、母材的顯微組織，進(jìn)而能夠?qū)崽幚砉ぷ髻|(zhì)量做出客觀評價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。但在石油化工項(xiàng)目施工現(xiàn)場并未得到廣泛的開展。

對于硬度檢測，監(jiān)督工程師應(yīng)重點(diǎn)抽查硬度檢測報(bào)告內(nèi)容。硬度檢測報(bào)告應(yīng)有硬度測試的位置示意圖，測試點(diǎn)選取應(yīng)根據(jù)熱電偶布置位置選取，選取最不利的位置進(jìn)行檢測，并且覆蓋焊縫、熱影響區(qū)，檢測結(jié)果不應(yīng)超過規(guī)范要求。在這里需注意的是，對于鐵素體和珠光體類的低碳鋼、低合金鋼以及奧氏體不銹鋼（尤其是壁厚較小的），即使不進(jìn)行焊后熱處理，其硬度也未必超過標(biāo)準(zhǔn)要求，這是硬度檢測的局限性。對于馬氏體鋼來說，焊縫硬度偏低（尤其是低于母材硬度90%）時(shí)，應(yīng)抽查熱處理曲線（重點(diǎn)關(guān)注升降溫速度、保溫溫度和時(shí)間）是否符合規(guī)范要求，且應(yīng)通過金相試驗(yàn)來判定焊后熱處理是否符合要求。這里需要特別指出的是，鑒于石油化工熱處理規(guī)范僅對所有種類材料的硬度提出上限的要求，對材料硬度的最小值沒有限制，但是監(jiān)督工程師應(yīng)該了解，材料的硬度和強(qiáng)度是有一定關(guān)系的。一般來說，材料硬度大，強(qiáng)度也越大。在監(jiān)督檢查過程中如有焊縫、熱影響區(qū)、母材硬度值遠(yuǎn)低于正常水平（可參考電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或相應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)），應(yīng)要求責(zé)任單位補(bǔ)做金相試驗(yàn)來驗(yàn)證組織是否異常（主要是熱處理溫度過高，致使過燒脫碳）。

就本質(zhì)監(jiān)站所監(jiān)管的項(xiàng)目來說，還沒有開展金相試驗(yàn)來驗(yàn)證熱處理工作質(zhì)量的先例。盡管如此，從專業(yè)角度出發(fā)并結(jié)合工作實(shí)踐，僅供參考。

1）某SA335P92（10Cr9MoW2VNbBN）管道母材在不同回火溫度下組織比較，如圖1所示；管材的原始組織為馬氏體組織，經(jīng)810℃回火后尚保留馬氏體位相，但是馬氏體板條的取向性變差，主要由于高溫回火使部分馬氏體板條分解造成，隨著回火溫度升高，馬氏體板條分解，碳化物產(chǎn)生偏聚現(xiàn)象，硬度進(jìn)一步降低，870℃回火后，有大量碳化物析出，表面彌散強(qiáng)化增強(qiáng)，使得硬度反而提高。由此可見，一味追求低硬度值并非熱處理工作的根本所在。

2）某G115（9Cr-3W-3Co）焊縫，圖2 為不同回火溫度下焊縫金屬的顯微組織照片，可以看出，均呈現(xiàn)出板條馬氏體特征，主要是由于Co 元素的存在加速馬氏體組織的轉(zhuǎn)變，提高了焊縫金屬的淬透性。未處理的焊縫金屬馬氏體組織比較粗大，經(jīng)740℃回火后，馬氏體板條束呈針片狀，板條束較細(xì)密，但位向差不明顯，無明顯板條塊特征，實(shí)測顯微硬度為312HV15。經(jīng)760～800℃回火后，馬氏體板條束變寬，位相差明顯，有板條塊特征，實(shí)測顯微硬度分別為254HV15～238HV15。圖2（f）為回火溫度升高到820℃后的組織，此時(shí)馬氏體板條塊變大，馬氏體板條束特征不如圖（d）和（e）明顯，同時(shí)基體上碳化物增多，硬度測試為240HV5。需要說明的是，筆者對各種溫度回火的過程中未發(fā)現(xiàn)回火索氏體等珠光體組織仍然存疑。暫猜測為W和Co的存在致使C曲線右移，并大幅改變C曲線的形狀，提高了馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms，導(dǎo)致焊接降溫過程中奧氏體來不及向索氏體等轉(zhuǎn)化，直接轉(zhuǎn)化為淬火馬氏體。另外，馬氏體板條束寬度大小的變化與原子的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力有關(guān)，顯然焊縫凝固階段原子驅(qū)動(dòng)力最小，板條束最細(xì)，在回火過程中組織應(yīng)力釋放，固溶于基體中原子熱擴(kuò)散能力增強(qiáng)，馬氏體板條束寬度變大，直至馬氏體板條束發(fā)生分解。由此可見，硬度指標(biāo)作為衡量熱處理工作質(zhì)量的判據(jù)有失偏頗。

圖1 不同回火溫度下P92鋼金相組織

圖2 不同回火溫度下G115鋼焊縫金屬的顯微組織

5 結(jié)束語

綜上所述，焊后熱處理是通過改善工件內(nèi)部微觀組織，來提升外在使用性能的一種技術(shù)手段，是有一定技術(shù)含量的。況且評定熱處理質(zhì)量也不僅是通過硬度檢測這一種手段。監(jiān)督工程師在實(shí)施監(jiān)督工作時(shí)，應(yīng)綜合熱處理全過程的質(zhì)量管控，前期重點(diǎn)監(jiān)督檢查人員、設(shè)備、作業(yè)方案等編報(bào)審程序，巡監(jiān)過程中重點(diǎn)抽查現(xiàn)場實(shí)際與既定工藝的一致性，后期應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注熱處理曲線和檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果。督促各參建單位積極參與，力求做到工作前計(jì)劃到位，實(shí)施中檢查到位，完成后檢測合格，為項(xiàng)目如期、合格交付打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。