电站焊口热处理工艺探讨(科技论文).doc

电站焊口热处理工艺探讨陈雅斌 张君发 张延涛 张宗华 林京华（山东电建一公司焊接公司，济南，250001）摘要：为提高电站焊口热处理的质量与效率，本文针对600MW超临界电站焊接现场热处理的现状进行归纳总结，并相应的提出改进的方法与措施，对今后的施工现场电站焊口的热处理工作能够起到一定的指导作用。关键词：电站焊口 热处理 工艺探讨 改进措施 引言：随着电力工业的迅速发展，大机组、高参数的火电厂不断涌现，大机组已成为我国火力发电的主要力量。在国家“优先发展水电，继续发展火电，适当发展核电”的方针指引下，今后安装火电机组主要是600MW、1000MW级的超临界和超超临界压力机组。而随着发电机组规模的增大，电站用钢的品种不断增多，钢材的合金元素的种类和含量也不断增加。特别是近几年来在电站焊接中经常用到的SA335P91管径和壁厚大大增加，再加上新型钢种SA335P92/SA213T92的出现，热处理工艺更为复杂。这一系列的变化与发展为电站焊口的热处理带来了新的挑战，热处理工艺与热处理操作人员的操作水平都有待进一步的提高。一：热处理概述电站焊口热处理，是在焊接之前、焊接过程中或焊接之后，将焊件全部或局部加热到一定的温度，保温一定的时间，然后以适当的速度冷却下来，消除焊接过程中的残余应力和使焊缝中容易引起裂纹的扩散氢从焊缝中逸出，以改善工件的焊接工艺性能和力学性能，是改善焊接接头的金相组织的一种工艺方法。热处理包括预热、后热和焊后热处理。1.预热焊接开始前，对焊件的全部或局部进行加热的一种热处理工艺。在现场焊接预热都是对焊件进行局部加热，预热的目的是为了减缓焊后的冷却速度，防止冷裂纹的产生。也是为了防止焊口在冷态下加热，是焊口局部受热不均匀，受热膨胀和冷却收缩的程度不均匀，使焊口在收缩和膨胀的过程中局部应力过大产生裂纹。2.后热焊接工作停止后，立即将焊件加热到一定的温度(300400)，保温一定的时间(2h4h)，使焊件缓慢冷却下来，以加速氢的逸出的一种热处理工艺。氢对焊接质量的影响主要有四点：1) 氢脆，氢在室温附近使钢的塑性严重下降的现象。2) 碳钢和低合金钢焊缝，如含氢量高，则常常在其拉伸或弯曲断面上出现银白色圆形局部脆断点，称之为白点。如焊缝产生白点，则其塑性大大下降。3) 氢如果逸出速度慢，就会在焊缝中形成气孔的缺陷。4) 氢在焊缝中容易引起焊缝产生氢致裂纹，即冷裂纹、延迟裂纹。对焊缝的影响很大。3.焊后热处理焊接工作完成后，将焊件加热到一定的温度(材料的相变温度Acl以下)，保温一定时间，使焊件缓慢冷却下来，以改善焊接接头的金相组织和性能或消除残余应力的一种热处理工艺。焊后热处理，也就是高温回火。回火的主要目的是为了：1) 降低应力和脆性，防止断裂。2) 细化焊缝组织在焊接的过程中形成粗大的金相组织，获得良好的综合力学性能。3) 防止工件变形，稳定工件尺寸。焊缝中如果存在残余应力，且在焊件上如果存在容易引起开裂的机理（如电弧擦伤、安装过程中卡具的擦伤等），那么在长时间的使用过程中，就容易在残余应力状态下引起应力腐蚀裂纹。4.低温保护针对马氏体钢在焊接完毕后将温度降低至100120，保温一定的时间(1h2h)。马氏体钢种马氏体转变点温度低，焊接完毕后的热处理时机的选择非常重要，必须规定焊后冷却的最低温度以及到焊后升温热处理的时间间隔，保证接头中的奥氏体转变为马氏体后再进行高温回火处理。若高温回火前温度较高，回火过程中发生碳化物沿残余奥氏体晶界沉淀析出和奥氏体向珠光体转变，这样的组织很脆；也不允许接头焊后冷却到室温再进行回火，这样有产生冷裂纹的危险。二：现阶段指导热处理作业的主要工作依据1：DL/T819-2002火力发电厂焊接热处理技术规程；2：DL/T869-2004火力发电厂焊技术规程；3：相关焊接热处理工艺评定等技术资料；三：当前施工现场所使用热处理设备情况简介现场施工中经常使用的热处理机中的三种型号：1) DWK-A型电脑温控仪180KW。苏州市吴江电热电器厂制造。一台热处理机有三个加热炉。每炉功率最高可达60KW，一路导线功率为10KW，最多可接6路线。一台热处理机可接12个测温点，其中有6个是备用测温点。2) DWK-C型电脑温控仪240KW，中国吴江五强焊接设备有限公司制造。一台热处理机有六个加热炉。每炉功率最高可达40KW，一路导线功率为10KW，最多可接4路线。一台热处理机可接12个测温点。3) DWK-C型电脑温控仪360KW，中国吴江诚信焊接设备厂制造。一台热处理机有六个加热炉。每炉功率最高可达60KW，一路导线功率为10KW，最多可接6路线。一台热处理机可接12个测温点。这三种型号的热处理机都是三相四线制，输入电压为360V，频率为50HZ。输出电压为220V。现场施工过程中，也受到现场所接电源的电压限制。现场输入的电压要是达不到要求，则热处理机的输出功率就低于额定功率。在热处理过程中就要相应的提高功率，来保证热处理焊口的热处理质量。这三种型号的热处理机的操作都比较简便，经过简单的培训后就可以进行实际的操作。但要在实际操作中能够做到得心应手，还需要有丰富的理论知识和实践经验。四：热处理加热片的订制及选择柔性陶瓷履带式热处理加热片在制作的过程中使用的陶瓷片一般情况下规格是固定的。所以加热片的功率与面积之间的关系就是在一个固定的范围内，0.020.024 m2/10KW。在焊后热处理焊口时，针对焊口的规格选择所需加热片的功率的计算方法：直径（mm）壁厚（mm）/25.42=该焊口热处理所需要的功率(KW)。在订制热处理加热片的过程中，可根据焊口的规格来计算出需要加热片的长度和加热宽度，再依据该范围来确定需要的加热片规格。例如：过热器连接管的焊口规格为50875（mm），材质为15CrMoG：所需加热片的长度：直径乘以圆周率。508（mm）3.14=1595.12（mm）。然后在该值的基础上再减去一个调整值20（mm）（调整值的大小可根据适当情况在1030mm之间取，但是对于小径管一般不减调整值）。1595-20=1575（mm）。所需加热片的宽度：壁厚乘以一个系数6.5。规程要求是焊缝每侧的加热宽度是壁厚的3倍，应乘以系数为6，在规程要求的前提下适当加大宽度，所以乘以6.5。即：75（mm）6.5=487.5（mm）。给加热宽度仅是一个最小值，实际加热宽度要根据现场实际进行调整，比这个数值要大。根据算出的数据在预热时可以选用1575（mm）150（mm）的加热片。该加热片的面积是0.023625 m2，功率为10KW。焊后热处理的加热片的选择可以根据公式：该焊口热处理所需要的功率：580（mm）74（mm）/25.42=59（KW）。但是用这个公式算出来的功率只是一个参考值，在现场实际工作中有时候不需要这么大的功率，有时候反而要在这个值的基础上再加大功率。那么该焊口热处理的加热片可以选用四片780（mm）300（mm）的加热片。分别将两片加热片用铁丝连起来长度为1560mm，然后再并排缠在焊缝两边，加热宽度为600mm。780（mm）300（mm）的面积是0.0234 m2，一片加热片的功率是10KW，四片的总功率是40KW，就足以对焊缝进行焊后热处理了。对于管排的焊后热处理，可以在整排管道焊接完毕后，用长加热片对整排焊口进行热处理。如末级过热器管排（如图片1所示），焊口规格为44.5（mm）7.5（mm），材质为SA213 T91。 图片1 管排焊口一个小集箱上两排焊口，分上下两层布置，每排焊口10道。相临两管子间的间隙为62.3mm，上下两排管子间间隙为70mm。 对该管排焊口进行热处理选择加热片应计算好所需加热片的长度，在计算加热片的长度时应考虑到管子与管子间的间隙，一排焊口，应用两片加热片处理，则：加热片长度=44.5(管径mm)5+62.3(间隙mm)42+(一个管径的周长)44.5 （mm）3.14 =1083.13 mm。取值为1080 mm。需要的加热宽度=7.5 （mm）6.5（系数）=48.75 mm。加热宽度为最小值。根据实际条件应选择宽度为200 mm。该加热器的面积为：1.08m0.02m=0.0216m2。功率为10KW。五：热处理工艺探讨及相关改进措施为提高电站焊口的预热以及焊后热处理质量，我们针对当前的热处理操作现状，在工艺上进行了深入的探讨，并主要采取了以下几个方面的改进措施：1：为提高热处理操作人员工作的责任心，及时了解现场热处理的工作情况，加强现场热处理监管的力度，热处理操作人员应严格按照DL/T819-2002火力发电厂焊接热处理技术规程的附录表D2（见表1焊接热处理记录表）的要求，对现场热处理焊口每半个小时巡视一次，及时发现存在的问题，并作好记录。表1 焊接热处理操作记录工程名称日期天气环境温度部件名称焊接接头编号材质规格加热方法升降温速度/h恒温温度恒温时间h工艺卡编号时间h温度时间h温度要求：(1)严格按作业指导书或工艺卡作业。(2)完整、清晰地记录。(3)每半小时到热处理现场巡查一次。(4)每半小时记录一次。交接班记录异常情况记录（现场与热处理机的异常情况）：负责人记录人开始时间结束时间2：现场使用的热处理加热片都是用陶瓷片串起来的。热处理人员在搬运的过程中应注意轻拿轻放，不允许摔打加热片，防止将陶瓷片损坏，避免陶瓷片内的钨丝裸露，在热处理过程中接地或打伤管子，影响热处理过程正常进行。3：现场使用的热电偶用KX型补偿导线（镍鉻-镍硅）的作用是把温度测量讯号从现场传到集中控制室或将热电偶延伸到温度恒定的场所。使用补偿导线的优点，是可以改善热电回路的机械和物理性能，可以增加一部分回路的柔软可绕性，以及用来调整回路的电阻值和屏蔽外界干扰，是保证热处理过程能够顺利进行和热处理温度能够稳定运行的一个重要措施。补偿导线内的两根导线一般为红、黑两种颜色，红色的为正极，黑色的导线为负极。在现场接线的过程中，导线与热电偶的接线一定要作到正负相对应。现场热处理过程中应及时、正确的使用补偿导线。建议将每一个热电偶事先接上一米左右的补偿导线。在缠口的时候可以将热处理测温线直接接在补偿导线上，确保缠口过程能够更加便捷、快速，保证热处理过程能够顺利进行。4：现场使用的热电偶为K型热电偶（镍鉻-镍硅）。按照规定热电偶应采用储能压焊的方式固定，但现场施工中我们一般采用的是用铁丝固定热电偶。用铁丝固定热电偶的过程中应特别注意，在焊后热处理的过程中热电偶的热端应该与焊缝中心良好接触（见图片2），并要用铁丝固定牢固，防止在热处理过程中热电偶松动影响热处理温度的输出。同时为确保热电偶测量的温度更好的反应焊缝中心温度，热电偶与加热片之间可用小块保温棉加以隔离。热电偶与焊缝中心良好接触。固定用铁丝热电偶图片 3 热电偶的对称布置图片 2 热电偶的布置热电偶的对称布置5：热电偶的布置也应严格按照规程要求（见图片3）。热电偶的安装位置，应以保证测温准确可靠、有代表性为原则。对于管径大于或等于273mm的管道，测温点应在焊缝中心按圆周对称布置，且不少于两点；水平管道，测温点应上下对称布置；分区控温时，热电偶的布置应与加热装置相对应，既两个热电偶不应布置在同一片加热片下；当用一个热电偶同时控制多个焊件时，该热电偶应布置在有代表性的焊接接头上，而所有焊口的加热片、保温棉的布置应相同。另外，在接管座的焊接热处理中热电偶的布置，特别是主管与支管的管径与壁厚相差较大时，为保证升降温速度和管道的受热均匀，应该将热电偶布置在主管上，并将热电偶的热端与焊缝中心良好接触。6：加热片的固定，在热处理过程中起着重要的作用。在热处理以下几种特殊情况时，建议采取如下措施：a：在热处理管排（如图片1所示管排焊口）时，由于加热片比较长，如果加热片的固定不合适，在热处理过程中，加热片的中段容易下垂，使得中段的焊口热处理效果不理想。因此在固定加热片时不仅要用铁丝将加热片的连接处固定牢固，还应该将保温棉与加热片紧密的固定在一起，且在管子与管子的间隙中（特别是中段）用保温棉塞实，并在保温棉的外面，用铁丝加缠几道，使得加热片与焊口接触良好，防止在热处理过程中，因热量损耗过大或加热片下垂而影响热处理质量。管排焊口在热处理的过程中，热电偶布置也应该布置在有代表性的焊口上。特别是管排两边的焊口，有超过一半的管径与加热片直接接触，升温速度较快，而在管排中间的焊口则与加热片的接触面积最小，故热电偶应布置在这样的两个位置，来有效的控制热处理温度的升降。图片 4 加热片的固定铁丝吊挂加热片b:大口径焊口的热处理一直是热处理的一个难题，特别是困难位置，特殊管径（大小头、三通、阀门等）加热片的绑扎、固定，升温过程中内外壁温差的控制等，都是现场施工中的一个难点。对于主汽、热段等大口径厚壁管焊口的横焊口（见图片4），特别是大小头的焊口，由于要用好几片加热片串联，加热片自身重量较大，在热处理过程中加热片受热后容易顺着管道下滑，就需要对加热片采取措施进行固定，以防止加热片的下滑。首先可以在焊口的上方缠上几道铁丝，并从这几道铁丝上引出几道铁丝将加热片吊起来。也可利用周围固定的物体，用铁丝从加热片上引出固定在周围牢固的物体上，对加热片起到悬吊的作用。同时在加热片的下方，还应用型号大一点的铁丝缠上一圈，对加热片和保温棉的下部起到一个托举的作用。从而使得加热片在热处理的过程中能够不会因为加热片受热膨胀以及铁丝受热伸长而使加热片下滑，影响热处理质量。管道端部封堵管道内壁焊缝保温措施图片 6 封堵管道的端口图片 5 对焊缝内壁保温对大管径厚壁管道焊口的热处理，还存在着热处理过程中不容易升温，内外壁的温差较大的问题。针对这一问题应采取以下措施：.适当加大热处理加热片的宽度，增加热处理的功率值。.在根据规程以及工艺评定制定升降温速度的基础上，适当的降低升降温速度，已达到减小内外壁温差存在的目的。.在条件允许的情况下，可以在管道内部的焊缝上也堆上保温棉（见图片5），对焊缝的内外壁都采取保温措施，同时也可以将管道的开口端用保温棉封堵（见图片6），从而减少焊口在热处理过程中热量过多的损耗，更好、更容易的对焊口进行热处理，这样也可以起到节能降耗的目的。c：对于主汽、热段等大口径管道的吊焊口在热处理的过程中，焊口下方的加热片会由于受热炉丝伸长，而导致加热片下垂，与管道外壁形成12公分的间隙，影响热处理的质量。因此，在缠口的过程中，应该在保温棉的外部用型号大一点的铁丝，在焊口的中间加缠几道，并固定牢固，防止加热片的下垂。现场缠口过程中偶尔会有加热片外漏的现象，主要是因为保温棉的宽度不够造成的。按照规程上的规定，焊口每侧的保温棉的宽度应比加热片的宽度多100mm。在用铁丝缠口的过程中应将加热片完全包裹在保温棉内，以便使得保温棉能够更好的起到保温的作用。为确保加热片中间不下坠，在保温棉的中间再缠上一道铁丝。（见图片7）。保温棉将加热片充分包裹铁丝在加热片中间加固图片 7 保温棉的正确绑扎7：在现场热处理过程中，由于热处理导线和加热片接地，将造成热处理过程中断，影响热处理的进程。特别是加热片中的钨丝与管子接地，容易打伤管道。对于管壁比较簿的管道有可能直接击穿管子，损坏设备。因此，在热处理焊口前的准备过程中，要做好一切检查工作。在热处理导线放线前要针对导线进行检查，发现有导线裸漏的地方，要及时用绝缘胶布缠好。加热片也要检查好，有陶瓷片破碎和炉丝断了的应及时更换。热处理导线和加热片的接头应用快速接头接好，不允许直接将导线连接并且裸漏在空气中，以防止裸漏的导线与管道接触，造成接地事故。8：在锅炉附属管路与汽机中低压管道的热处理过程中， 存在着较多的困难位置和多种材质的复杂变化。在热处理这些管道时，应严格遵守热处理规程的要求，按照热处理工艺卡的工艺对焊口进行热处理。图片8 管道中的材质变化a:如图8所示，在现场安装过程中，阀门的材质为20#钢，管道的材质为15CrMoG,有时候一个项目一天的焊接工作量仅有两个焊口，1#焊口材质为15CrMoG对20#钢，2#焊口材质为15CrMoG。这两个焊口的热处理工艺不同，热处理过程中应分两炉处理。但是在实际操作中，由于其他项目的工作量比较集中，热处理操作人员可能将两个焊口用一个工艺同炉处理，这种情况是绝对不允许的。因为材质不同，钢材的Acl 不同，保温的温度不同，用同一种工艺会造成其中一个焊口的金属组织过烧或者组织转变不彻底，影响焊缝的质量。b：如图9所示的管道，管道的规格为8912 （mm），水平段管道材质为SA339P91，45弯头的材质也是SA335P91，倾斜段管道的材质为SA335P22。 地面组合的时候是将SA339P91的管道与弯头焊接，安装的时候弯头接倾斜段管道的材质变为SA335P22。相邻的两个焊口的材质不同，并且两个焊口的距离太近（两焊口相距约105mm），将一个焊口缠口热处理的同时，另一个焊口也在加热范围以内，无法用两种工艺同时进行热处理。这样的情况在现场施工中是完全可以避免的。技术人员在熟悉图纸前提下，针对现场实际情况应提前与安装部门协商制定好施工计划，将SA335P91的管道与弯头的1#焊口地面组合焊接，待1#焊口热处理完毕以后，再进行安装材质为SA335P91与SA335P22的2#焊口，待焊接完毕后再对2#焊口进行热处理。图9 管道中异种钢材质的变化9：热处理人员在操作热处理机的过程中，存在着一些习惯性的操作，主要有以下几个方面：a：在焊口热处理过程因出现问题而中断，热处理人员在排除问题后继续进行热处理的时，不允许直接关闭热处理记录仪采用快速升温的措施，等待升温到中断的温度时打开热处理记录仪，再按照热处理工艺卡要求的升温速度继续热处理过程。快速的升温，并不能使焊口的内外壁温度都达到记录仪显示的温度。热电偶是布置在加热片下，即使热电偶输出的温度已经达到，但是焊口内壁的实际温度要比输出的温度低很多，不利于金属的组织顺利全面的进行转变，甚至影响到金属组织的正常转变，降低热处理的质量。所以，这样的操作是不可取的，应该坚决杜绝。b：在工期要求比较紧张情况下，焊前预热过程中，有时会采用快速升温的措施，待升温到要求的预热温度后进行保温开始焊接。这样的升温措施，虽然热电偶的输出温度达到了规定的要求，但焊口的实际温度并不一定达到要求的预热温度，特别是打底时的焊口根部温度肯定低于要求的温度，容易在焊接的过程中，在焊缝的根部产生冷裂纹，直接影响焊接质量，这样的操作也应坚决杜绝。c：热处理操作人员应多与技术人员交流，对现场施工的焊口与热处理工艺有不清楚的地方应及时与技术员联系确认，避免使用错误的热处理工艺对焊口进行热处理作业。d：对于需要中间探伤的焊口，焊接到2025mm以后要对焊口进行后热处理。后热处理的过程是将焊口加热到加热到一定的温度(300400)，保温一定的时间(2h4h)，再缓慢冷却下来的过程。热处理工艺卡通常要求将温降至300以下不控。个别操作人员偶尔会在后热保温完毕后（此时温度为350）就关闭炉子，不再对热处理降温过程进行控制。这样的操作与热处理规程和制定的工艺卡上“降温至300以下不控”的要求不符合，这段降温过程应该仍然可控、在控。对接法兰的延伸段图片 10 同焊口不同炉预热情况10：在DL/T819-2002火力发电厂焊接热处理技术规程中，5.3.2的b)条款： 当同炉使用多根(片)加热器时，其电阻值的偏差值应不超过5。如图片10所示，管道与对接法兰的延伸端进行对接的情况，法兰的一端伸出的一段管道太短，缠口预热时选用的加热片焊口两端的规格不一样，坡口两端选用的加热片的电阻偏差值肯定超过5，这样在预热的时候两端的加热片就不能在同一加热炉内工作，应该在两端分别布置好热电偶分炉使用同一种工艺对焊口进行预热，焊后热处理则不用分炉控温。11：现场热处理操作应该与焊接施工人员密切合作，做好沟通。特别是对于SA335P91的预热焊接过程中，打底的预热温度是150，填充时的预热温度是200，打完底后焊工应及时通知热处理升温至200以后再继续填充焊接。热处理操作人员也应该加强现场巡视，及时了解焊口是否打底完毕，打底完毕后升温至200后再及时通知焊工进行焊接。12：绳状加热器是主要用与现场的困难位置和不适合用片状加热片进行热处理的焊口。由于绳状加热器在受热后和使用次数多以后炉丝伸长，指状瓷片之间的间距会不断变大，因此在缠口布置热电偶的过程中应特别注意将瓷片挤紧以后再缠口，且各圈的绳状加热器的瓷片间隙不允许在一条直线上，防止在热处理过程中热电偶与炉丝接触，或者炉丝与管道接触发生接地事故，影响热处理过程的正常进行。13：在焊接和热处理的过程中，管道内如果有残留的水或者进水，则对焊口根部的金属组织变化起到严重的影响。特别是在热处理过程中管道内突然进水，相当于对焊缝的根部进行淬火处理，根部金属金相组织发生巨大的变化，硬度值将严重超标，而对表面的焊缝金属组织的影响一般较小。因此，热处理之前及施工过程中应做好预防措施，杜绝此类情况发生。一旦发生这样的情况，则应该立刻停止热处理，将焊口以及热影响区的金属用冷加工的方法切除，换管后重新进行焊接。14： DL/T819-2002火力发电厂焊接热处理技术规程的6.3规定：6.