1000MW空冷机组主蒸汽管道焊后热处理工艺

2013-08-09韩道永

电力建设 2013年1期

韩道永

(宁夏电力建设工程公司，银川市 750001)

0 引言

宁夏灵武电厂二期工程2×1000MW超超临界空冷机组主蒸汽管道采用P92钢，规格为φ563.2 mm×96.8 mm。在P91钢成分的基础上，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P92钢，P92钢已被列入ASME规范及GB 5310—2008《高压锅炉用无缝钢管》［1］标准。P92钢供货状态为正火温度1040～1080℃，回火温度750～780℃，微观金相组织为回火马氏体。由于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℃时的蠕变强度提高了近30%。

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、建设单位的工艺评定试验表明，当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41 J，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50～60 mm。随着管道壁厚的增加，管道对缺陷的敏感系数增大，缺陷允许尺寸的控制更加严格，焊接工艺控制亦更加严格，P92钢随着厚度的增加焊后热处理难度不断增大［2］。

国内某单位采用与主蒸汽管道同规格的P92钢进行热处理工艺研究［3］，但现场主蒸汽管道焊缝热处理工艺研究未见报道。2010年10月，笔者采用与主蒸汽管道同规格、长度为7.100 m的P92钢管，模拟施工现场环境进行热处理工艺试验研究［4］。试验采用柔性陶瓷履带式加热器进行P92钢厚壁管道热处理，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工程4号机组8.5 m标高夹层一焊口焊后热处理为例，阐述P92钢主蒸汽管道的焊后热处理工艺。

1 焊接工艺

现场基本条件为:主厂房封闭，环境温度为7～10℃。施工时间为2010年12月1—3日。主蒸汽管道焊口一侧从煤仓间水平段至8.5 m夹层已全部连通，焊口另一侧管道长度为8 m，管道的加热、传热环境非常复杂。

焊接采用手工钨极氩弧焊(gas tungsten arc welding，GTAW)和手工电弧焊(manual electric arc welding，SMAW)方法，焊接材料选用 MTS616焊条，直径为2.5、3.2 mm。采用U型坡口，手工钨极氩弧焊共2层、手工电弧焊36层，其中采用φ2.5 mm焊条2层、5道，采用 φ3.2 mm焊条34层、162道。氩弧焊的焊层厚度控制在2.4～2.8 mm，手工电弧焊的焊层厚度控制在2.8～3.0 mm。具体的焊接参数如表1所示。

表1 焊接参数表Tab.1 Welding parameters

焊前预热采用电加热，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℃［5］。预热加热宽度以焊缝中心线为加热中心，每侧为300 mm。

2 热处理工艺的确定

依据主蒸汽管道的规格，采用柔性陶瓷电阻加热方式进行焊缝焊后热处理，加热器布置在外管壁，分为主加热器和辅助加热器。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 mm ×520 mm，数量为4片，每片功率10 kW;辅助加热器规格为800 mm×260 mm，数量为4片，每片功率10 kW，加热功率总计80 kW。辅助加热器2片1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1 m部位采用硅酸铝棉密实封堵［6-7］。

2.1 热电偶的选择和布置

采用K型点焊式热电偶［8-9］。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1个热电偶控温并起测温作用，在焊缝周向外壁12、9、3、6点位置分别布置1只热电偶，热电偶编号为R1、R2、R3、R4。辅助加热器每侧布设1只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290 mm处，热电偶分别编号为R9、R10。管道内壁:在管道内壁焊缝边缘沿周向12、6、9、3点位置分别布设1只测温热电偶。热电偶分别编号为 R5、R6、R7、R8。

2.2 热处理工艺参数

主加热器设定温度为760+10℃，辅助加热器设定为750℃。升温速度为64℃/h，降温速度为80℃/h，300℃以下空冷。恒温时间为11 h。热处理过程如图1所示。

图1 焊接热处理曲线示意Fig.1 Curves of welding heat treatment

2.3 热处理设备及补偿导线

热处理设备选用DWK-E-360 kW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:

式中:LHB为加热区加热器布置宽度;LSB为均温区宽度;r为管道内径;d为管道的名义壁厚。

经测算，LSB=151 mm，LHB=909 mm。考虑管道加热时温度梯度影响，选定LHB=1100 mm。

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:

式中LGCB为保温宽度。

经测算，LGCB=1667 mm，综合考虑管道轴向温度梯度及减小热量损失，选定LGCB=1840 mm，单层保温厚度50 mm，2层合计100 mm。

3 热处理实施过程

(1)焊接完毕，进行焊缝外观质量检查合格，管道温度降至室温。

(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)主加热器与辅助加热器同时开始对管道进行加热。

(4)管道外壁温度达到设定值，开始恒温。记录外壁、内壁温度。

(5)恒温结束，开始降温。

(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 数据分析

管道热处理恒温段数据如图2所示。由图2可知:(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0.3 h，内壁4个测温点温度均达到740℃;(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;(3)内壁温度最高达到755℃，内外壁最小温差为15℃，最大温度差为29℃，可以满足P92钢焊后热处理要求;(4)管道内壁热量的传递主要以热传导方式来进行，传播速度未因材质和金含量高、壁厚的增大而显著降低。