大口径厚壁P管道不同形式现场热处理的比较及讨论.ppt

大口径厚壁P92管道不同形式现场热处理的比较及讨论,编写：周烨斌王洪晖,上海电力安装第二工程公司,摘要,P92钢以其出色的性能现已被广泛应用于国内众多百万机组之中，而P92钢焊缝热处理过程中内外壁温差问题一直以来是影响P92钢焊缝内壁冲击韧性的主要原因。而目前施工现场热处理的方式主要依赖柔性陶瓷加热或者较先进的电磁感应加热两种，但任何一种单一热处理方式都不能完全满足现场的施工需要。本文试探寻不同方式的热处理或是其组合形式就P92钢现场热处理施工的技术特点，以及这些方式各自的适用范围。,关键词：大口径厚壁P92感应加热内外壁加热,上海电力安装第二工程公司,工程概况,上海电力安装第二工程公司于2007年承接了绥中发电厂二期21000MW工程#3机组的安装工作。本工程中，P92钢主要被应用于屏式过热器出口联箱及管道、高温过热器出口联箱及管道、高温再热器出口联箱及管道、主蒸汽管道、导汽管道及热段管道等。同时，由于P92联箱多为分段到货，现场焊接形式，并且增加了分配集箱与汇集联箱的焊接，因此P92焊口的数量也比以往多出许多，而且P92管道的外径与厚度都普遍比以往有所增加，最厚者达到155mm。,上海电力安装第二工程公司,0.前言,P92钢是在P91钢的基础上添加了W元素，适当降低了Mo元素的含量，开发出来的新型马氏体耐热钢。P92钢具有良好的物理性能、较高的高温蠕变断裂强度、优异的常温冲击韧性、优良的抗氧化性能，适用蒸汽温度范围在580620，故目前被广泛应用于百万机组中，做为高温高压蒸汽联箱及管道等部件的材料。,P92钢化学成份,P92钢机械性能,上海电力安装第二工程公司,回火温度与P92焊缝硬度、屈服强度抗拉强度、冲击韧性的关系,P92钢焊口的热处理对于焊缝的蠕变断裂强度、冲击韧性等有着重要的影响。P92钢属于马氏体耐热钢，焊后焊缝组织全部转变为脆硬的马氏体组织，组织硬度相当高，焊缝是由温度非常高的熔融状态冷却下来的，组织和晶粒不能获得细化，马氏体板条粗大，在板条马氏体亚结构内部存在高密度的位错缠结阻碍了位错运动，从而提高了马氏体基体的硬度和强度，又由于焊缝迅速冷却过程中，熔敷金属中的V、Nb元素无法均匀弥散地析出，降低了焊缝的韧性。,上海电力安装第二工程公司,SMAW:ThermanitMTS616,保温时间h,冲击CVNJ,焊后热处理对P92焊缝金属冲击韧性的影响,通过高温回火热处理，马氏体板条并不发生再结晶，而是以多边化回复的马氏体板条碎化，和亚稳态位错网络的形成来释放马氏体相变时的形态储存能，此时，熔敷金属中的Nb、V元素在回火过程中形成了微细的C、N化合物析出，提高了焊缝的韧性及高温蠕变强度。,(x103),0,5,10,15,20,25,30,35,保温时间h,0,10,20,30,40,50,60,70,80,冲击CVNJ+20,SMAW:ThermanitMTS616,1,38,600时效对P92焊缝金属冲击韧性的影响,由左右两张图可知，热处理工艺参数对焊缝的性能提升起着决定性的作用，尤其是对冲击韧性。而管道内表面正是由于不能达到与管外壁相同的热处理工艺，因此产生了差异，而随着壁厚的增大，这种差异也随之增大，随之很可能导致焊缝或热影响区的早期失效。,因此，解决内外壁温差问题是目前热处理的当务之急。,上海电力安装第二工程公司,根据我公司的P92热处理实验，以及行业内相关P92的实验资料显示，当回火温度在740以下时，焊缝基体组织仍保持着相位较明显的板条马氏体组织特征，这也说明马氏体板条多变化回复不充分，没有形成完整的位错网络，形变储存能没有充分地释放，这使得此时的焊缝硬度值偏高，同时焊缝的冲击韧性以及其他性能指标也不能100%达到要求。,因此，必须确保每一道P92焊缝的热处理温度达到工艺要求，同时把管道内外壁温差控制在最小范围。,上海电力安装第二工程公司,1.P92钢现场热处理涉及的相关问题,P92钢的供货状态是正火加高温回火，该钢的AC1温度为800845，AC3为900920，MS温度为370400，Mf的温度大约为100以上，并且它们随奥氏体原始晶粒度的大小而变化。现场热处理温度通常根据规范要求取76010。保温时间根据管道壁厚、加热温度、加热方式、保温散热条件等来确定，同时由于W的加入，P92钢的抗回火能力有所增强，焊缝冲击功更难以提高，保温时间需要相对长一些。通过Larson-Miller公式P=T(20-lgt)10-3可以看出，由于内壁至外壁在厚度方向上温度的不均匀，使得在同样的恒温时间下，焊缝接头不同部位存在回火程度的差异。而通过延长恒温时间，在理论上似乎是可行的，根据上式，回火参数P（760，4h）相当于（740，12h）相当于（720，38h）。但回火参数对于焊缝冲击功的影响是相当复杂的，有资料显示，在76010范围内，P92焊缝的冲击功达到41J以上，而在740左右，要达到这一指标必须延长恒温时间，而在730以下时，无论恒温时间再怎样延长，冲击功也很难达到41J这一韧度指标的要求。由此可见热处理的温度对于P92焊缝的韧度影响特别敏感，同时一味延长恒温时间也无法抵消内外壁温差导致的内壁性能下降。,1.1回火参数,上海电力安装第二工程公司,各施工企业对于P92钢管道焊接热处理都有自己相应的评定及试验依据，但往往实验室所得的数据与施工现场得出的有较大的出入。首先，管道规格与现场有极大地差别，实验用管道出于经济考虑同时实验室场地有限，一般为中等口径中等壁厚，长度较短，而现场管道的规格尺寸一般远大于试验用管道，无论是长度还是厚度，厚度的增加使得热量很难渗透，同时由于管道表面积的加大，现场热处理的热量散失很严重，在一定条件下，可能出现由表面向内部传递的热量与内外表面散失的热量达到一个平衡，也就是热量未深入内部就已先在表面散失。其次，实验场所环境条件、气候条件与现场环境工况条件有极大差别，现场的环境条件恶劣，风速增大、气温降低、雨雪天气都不同程度地影响了热处理的效果。本工程所处辽宁地区冬季平均风速4级、最低气温可达-20左右。因此，对于P92钢焊后热处理的相关依据、参考就现场施工而言，指导性有一定局限性，因此需要尽可能地在施工现场积累相关数据，通过对工艺试验依据的进一步修正，进而指导现场P92钢的热处理工作。,1.2热处理评定及参考依据与现场施工的误差,上海电力安装第二工程公司,1.3热处理方式及各自的局限性,上海电力安装第二工程公司,为了有效地控制内外壁温差，提高焊接接头的冲击韧性：必须针对不同规格尺寸的P92管道，采用不同的热处理设备，这样可以把每一种设备的性能、状态发挥到最大限度，提高了效率、节省资源。同时对特殊规格的P92管道，可以采用组合形式进行热处理，以保证焊缝内表面的热处理效果。,上海电力安装第二工程公司,2.大口径厚壁P92管道现场热处理工艺方案,由于各种热处理加热方式都有自身的优缺点，任何单一的热处理方式是无法完全满足现场的质量要求、进度要求以及经济指标。有必要通过现场实际的操作、测试来积累一些不同热处理方式其各自的特点以及适用范围，同时进一步探讨，在对于超大壁厚以及某些特殊规格P92管道的热处理中，采用组合形式热处理加热方式的可行性。通过加深对不同方式热处理的了解，掌握各自的特性，可以更加合理地制定P92管道热处理方案，在提高热处理质量的同时，提高效率，更合理并充分利用、分配资源。,2.1目的,在本工程中，大部分高温高压蒸汽联箱为分段到货形式，现场完成焊接组合，其中不乏P92材质的联箱，口径及厚度的范围跨度较大，因此，对于不同规格的联箱采用不同形式的热处理，就其内外壁温差的控制具有可比性。我方在工艺评定的基础上，根据不同的规格，调整了热处理工艺，拟定了三个方案。,2.2试验方案,上海电力安装第二工程公司,2.2.1柔性陶瓷电阻加热（方案A）,高温再热器出口联箱，材质SA-335P92，规格为965.262mm，联箱分为3段，现场焊接2道焊口，联箱总长度为36304mm，焊接面厚度为54.5mm，现场拟采用柔性陶瓷电阻加热法进行焊后热处理。,上海电力安装第二工程公司,屏式过热器出口集箱连接管，材质材质SA-335P92，规格为609.6106mm，联箱总长度为34998mm，出口连接管长度1700mm，现场焊接1道焊口，焊接面厚度为100mm，现场拟采用电感应加热同时配合柔性陶瓷辅助加热来进行焊后热处理。,2.2.2电感应加热（方案B）,上海电力安装第二工程公司,2.2.2柔性陶瓷管内外同时加热（方案C）,高温过热器出口联箱，材质SA-335P92，规格为711.2155mm，联箱分为3段，现场焊接2道焊口，联箱总长度为35296mm，焊接面厚度为143mm，现场拟采用柔性陶瓷电阻对管道外表面及内表面同时加热的方法进行焊后热处理。,上海电力安装第二工程公司,2.3热处理设备,2.3.1柔性陶瓷加热设备技术参数型号：DWKA型控温范围：01000控温精度：1输入电源：380V三相四线制输出电压：220V功率：180KW,2.3.2感应加热设备技术参数型号：ProHeat35输出频率：530KHz额定输出功率：单输出35KW100暂载率350A（RMS）700V（RMS）双输出35KW100暂载率700A（RMS）700V（RMS）被加热材料感应系数：2.550h额定输入电源：380V三相四线制50Hz输出功率范围：0.2KW35KW,2.3.3热电偶技术参数热电偶型号：K型镍铬镍硅热电偶规格：直径0.8mm，用点焊机点焊，点焊线能量小于125J/cm。使用温度范围：2001250符合标准：JB/T9238工业热电偶技术条件GB/T2614镍铬镍硅热电偶丝GB/T16839.1热电偶第1部分：分度表GB/T16839.2热电偶第2部分：允差,2.3.4补偿导线技术条件补偿导线型号：KCA型符合标准：GB/T4989热电偶用补偿导线2.3.5保温材料技术参数热阻：R=（0.350.70）M2/W技术特性：低热导率、低热容量，符合标准：GB/T164001996绝热用硅酸铝棉及其制品,上海电力安装第二工程公司,3.柔性陶瓷电阻加热,3.1热处理工艺参数管道规格：965.262mm恒温温度：76010恒温时间：6h升温速度：101/h降温速度：101/h加热宽度：550mm保温宽度：850mm保温厚度：100mm,3.2加热器布置加热功率共90KW，以焊缝中心分左右各45KW。加热器规格10KW根、每根绳形加热器的有效发热尺寸为18500mm、数量9根。加热器布置见右图。,3.3外部热电偶布置外表面布置7根，1、2、3热电偶沿圆周对称布置在外表面焊缝边缘处，作为加热器控温热电偶。4、5、6、7热电偶沿圆周对称布置在外表面距焊缝110mm处位置，作为等效测温点与测温热电偶。外部热电偶布置见左图。,3.4内外部热电偶布置8、9、10热电偶沿圆周对称布置在内表面，距焊缝根部边缘8mm处位置，作为内部测量控温热电偶。内部热电偶布置见左图,上海电力安装第二工程公司,3.5热处理过程记录本次热处理过程，升温时间为7.5个小时，保温时间持续6个小时，降温至300用时4.5小时，全过程由温控记录仪全程记录，同时全程每间隔一个小时手动记录一次温度。整体升温过程，内外壁温差为310，进入保温状态后，内壁温度渐渐均匀，但由于环境条件，其热量散失使得内壁温度始终与外壁温度保持在10左右的差距。内外壁温度对比示意见下图。,上海电力安装第二工程公司,4.电感应加热,4.1热处理工艺参数管道规格：609.6106mm恒温温度：76010恒温时间：10h升温速度：59/h降温速度：59/h感应加热宽度：500mm（15圈）电阻加热板加热宽度：400mm保温宽度：1020mm保温厚度：30mm,4.2加热器布置柔性陶瓷电阻加热器做为辅助加热，功率共40KW，加热器规格10KW块、475mm400mm/块，共4块。柔性陶瓷加热板紧贴于管道外表面，采用特殊低导热率的保温材料进行保温，感应加热电缆缠绕在保温毯外部，中频感应加热电缆缠绕15圈，宽度在500mm左右。加热器布置示意见下图所示，现场辅助加热板布置及现场感应加热布置见右图。,上海电力安装第二工程公司,4.3外部热电偶布置外表面布置4根，1、2、3、4热电偶沿圆周对称布置在外表面焊缝边缘处，作为外部加热器控温热电偶。管外壁热电偶布置见左图（上）所示。,4.4内外部热电偶布置5、6、7热电偶沿圆周对称布置在内表面，距焊缝根部边缘8mm处位置，作为内部测量控温热电偶。内部热电偶布置见左图（下）所示。,上海电力安装第二工程公司,4.5热处理过程记录本次热处理过程，升温时间为12个小时，保温时间持续10个小时，降温至300用时7.5小时。整体升温过程中，内外壁存在明显温差，最小温差约30，最大温差出现在升温阶段的后期，大约为80左右。在735时，感应加热功率达到最大值，此时开启辅助加热装置。进入保温状态后，需保持感应加热设备的功率始终在35KW，这使得内壁温度逐渐升高，厚度方向上，温度逐渐进入均匀状态。保温过程中内壁温度与外壁温度保持在1015左右的差距，内外壁温度对比示意见下图。,上海电力安装第二工程公司,5.1热处理工艺参数管道规格：711.2143mm恒温温度：76010恒温时间：10h升温速度：43/h降温速度：60/h外部加热宽度：1260mm外部保温宽度：1560mm外部保温厚度：100mm内部加热宽度：840mm内部保温宽度：1140mm内部保温厚度：30mm,5.2外部加热器外部加热功率共120KW，加热器规格10KW块、630360mm/块、数量12块。以焊缝中心线为基准，左右各60KW。见左图。,5.3内部加热器内部加热功率共60KW，加热器规格30KW块、600mm1290mm/块、数量2块。见左图。,5.管内外壁柔性陶瓷加热,上海电力安装第二工程公司,内部加热板紧贴于管道内壁，因此其长度需根据管内壁周长定做。内部加热板及其支撑板示意见左图。,5.3外部热电偶布置外表面布置8根。1-4热电偶沿圆周对称布置在外表面焊缝边缘处，作为控温热电偶。5-8热电偶沿圆周对称布置作为等效测温点。布置示意见左图。,5.4内部电偶布置内表面布置4根。9-12热电偶沿圆周对称布置在内表面，距焊缝根部边缘8mm处位置，作为内部加热器控温热电偶。布置示意见左图。,上海电力安装第二工程公司,5.5热处理过程记录本次热处理过程，升温时间为15.7个小时，保温时间持续10个小时，降温至300用时7.5小时。内外壁加热过程中，内外温度差距很小，这主要是因为温度从两个方向同时向焊缝中心渗透热量，整个过程中，内外温差不超过5，热处理效果非常理想。热处理过程内外壁温度对比示意见下图。,上海电力安装第二工程公司,6.效果检查、无损检测,6.1光谱复查焊缝及两侧母材的光谱复查，且每隔90分析一点。光谱复查结果为焊缝合金成分与P92钢管道母材相匹配。,6.2表面磁粉检验焊缝及母材两侧200mm范围内100%MT检测，MT检测比PT检测精度更为高一些，检测结果未发现焊缝、热影响区及两侧母材的表面缺陷。,6.3热处理后超声波检验焊缝及母材两侧100%UT检测，检测结果未发现评级缺陷。,6.4热处理后硬度检验焊缝、两侧热影响区及两侧母材共5个区域进行硬度检测，外表面每个区域检测正上方及正下方两个部位；内表面由于空间狭窄，打磨工作较为不便，只针对正下方区域进行了检测。3道焊口在不同方式的热处理后，硬度检测值均在180-250HB范围内，符合相关规范要求。,上海电力安装第二工程公司,6.效果检查、无损检测,在热处理完成后，我方对每一道焊缝进行了相应的无损检测，包括光谱复查、磁粉检测、超声波检测、金相检测、内外表面硬度检测等。,上海电力安装第二工程公司,A柔性陶瓷电阻加热内外壁硬度对比图,C管内外同时加热内外壁硬度对比图,B感应加热内外壁硬度对比图,内外表面硬度值对比示意图三个热处理试验方案，经内表面硬度检测，虽然内表面硬度值略高于外表面，但仍然在规定范围内。可以看出内外壁同时加热的效果最为理想，其次壁厚相对最小的管道采用柔性陶瓷电阻加热效果也较理想，感应加热的内壁硬度值略高。,上海电力安装第二工程公司,柔性陶瓷电阻加热金相检验照片,电感应加热金相检验照片,内外壁同时加热金相检验照片,三个P92焊缝热处理完毕后，我们对外表面进行100%金相检查，焊缝为索式体组织，同时焊缝内未发现粗大组织，铁素体含量符合要求。,上海电力安装第二工程公司,7.总结,7.1热散失问题P92现场热处理施工，其主要的难度在于热量散失，由于现场管道长度很长，表面积大，散热率很高，即使按照P92导则要求计算出来的保温宽度可能也无法满足要求，因此现场施工时应适当加大保温宽度和保温厚度，同时防止空气在管内部流通，管外部做好防风防雨措施。,7.2内壁温度滞后采用外部单侧加热方式进行P92钢焊后热处理，无论采用柔性陶瓷加热还是采用电感应加热方式，内部温度的上升总会有一定的滞后性，这使得外部加热进入恒温状态时，内部温度还未达到标准要求，而此时的外部加热器进入恒温后，以待机的形式保持一定功率，但维持状态的功率所产生的热量不足以进一步提高内壁的温度。在恒温过程中，内壁温度会逐渐均匀化，但此时已相对外壁明显滞后很多，考虑到这点，在厚壁P92管道单侧热处理时，应该在恒温时间上为内壁留有一些余量，通过延长恒温时间来提高内壁焊缝的性能。,上海电力安装第二工程公司,7.3柔性陶瓷电阻加热传统电阻加热法在工程应用中较为普遍，施工方便，操作简单，成本较低，有一定优势。但随着P92管道厚度的不断增加，电阻加热有一定的局限性，主要原因是其热量传导的方式，目前现场采用的柔性陶瓷电阻加热并非远红外加热，远红外加热其关键在于远红外辐射涂料技术，提高了材料基体的热发散率，而电阻加热只是单纯的通过金属自身导热向焊缝内部传递热量。考虑到管道壁厚较大、整体长度较长时，或者现场施工环境较为恶劣时，此方法的可行性不高。因此，对于P92钢热处理的应用范围，其管道壁厚不应大于70mm。,上海电力安装第二工程公司,7.4电感应加热电感应加热对于厚壁P92管道，其热处理效果必然是比传统的柔性陶瓷电阻加热要好，而且随着管壁厚度的增加对比效果越明显。电感应加热操作较为繁琐，而且对于厚壁P92管道热处理需配合辅助加热，主要原因是因为目前该设备最大功率为35KW，同时P92钢在740左右有一个温度敏感区，可能是由于在该温度区范围内，磁导率下降所致，本次实际操作过程中，“居里点”出现在735左右，此时启动电加热设备辅助。感应加热的操作其技术关键在于感应电缆的设置，这需要经过长期实践积累经验。同时，保温层的厚度对磁场及感应效果也有一定影响，电缆间的距离也会对感应设备的功率产生一定影响。因此全部采用电感应加热对P92钢进行焊后热处理也是不合适的，造成一定得资源浪费。其加热范围在70mm以上才能体现一定的优势，但大于120mm以上时，可能也会出现较大的内外壁温差，无法保证内壁冲击韧性。,上海电力安装第二工程公司,7.5柔性陶瓷内外壁双侧加热对于大口径、超大壁厚的P92钢管道，目前没有很合理地热处理工艺，原因主要在于P92钢热处理温度范围很窄，低于750较难保证焊缝冲击韧度41J。而任何单侧的热处理方式都会产生明显的内外壁温差，包括电感应加热，因此在这种情况下，采用管内外同时加热的方式相对较为合理，可行性较大。对于P92管道壁厚大于120mm时，可以考虑采用内外加热的方法。但此工艺方法还需更多的现场试验以总结改进，如内部加热板的设置，内部加热板支撑装置的形式，内加热装置的安装取出，包括内部热电偶的取出需要进一步改进。,谢谢！,请各位同行、专家多多指正,上海电力安装第二工程公司,