1000MW锅炉高过集箱P92大径管焊接与“双加”热处理

吕恒 徐桂冲 邓同喜

1. 概述

华电国际莱州发电有限公司一期工程2×1 000MW机组锅炉，采用东方锅炉（集团）股份有限公司设计、制造的超超临界燃煤发电机组。高过集箱材料为SA335—P92、规格为φ711.2mm×143mm，属于超大径、超厚壁的合金钢大径管道。

2. P92钢的焊接性

SA335—P92钢是在P91钢的基础上，通过超纯度冶炼、控轧技术和微合金化工艺改进的一种细晶强韧化热强钢。由于P92钢（新型马氏体耐热钢）强度高，高温抗氧化性和抗腐蚀性能力强，塑韧性好，裂纹敏感性低，所以在电站设备制造业中得以推广应用。

此钢C、S和P元素的含量低、纯净度高，具有晶粒细、韧性高的优点，焊接冷裂纹倾向大大降低。但P92钢作为马氏体耐热钢，且通常作为主蒸汽管道和高过联箱，其管壁超厚，焊接残余应力很大；若焊接热循环条件下冷却速度控制不当，将导致形成淬硬的马氏体组织；焊接接头刚度过大或氢含量控制欠佳，有可能产生冷裂纹；总之P92钢仍具有一定焊接接头脆化和冷裂纹倾向；而热裂纹与再热裂纹倾向很低。P92耐热钢的化学成分如表1所示。

表1 P92耐热钢的化学成分（质量分数） （%）

3. P92钢焊接与热处理工艺特点

P92钢属于低碳马氏体耐热钢，其焊接工艺特点：

（1）对层间温度的控制要求比较高 为了获得满意的冲击韧性，推荐层间温度＜250℃。由于P92钢的导热系数比较小，大口径管道的焊接热量比较集中，层间温度比较高。如果不采取措施，层间温度可以达到300～350℃或以上，冲击韧性将会大大降低。

（2）对焊接热输入的控制要求比较高 焊接热输入对焊接接头的冲击韧性有较大的影响，焊接热输入越大，焊接接头的冲击韧性越低。必须采用较小的热输入，如采用小直径焊条，较小的焊接电流，较快的焊接速度和较低的层间温度。

（3）焊后必须冷却到马氏体终止转变温度以下 对于P92钢管道的焊接，当δ＜80mm时，焊后空冷就可以得到纯马氏体；若δ≥80mm，因冷速比较慢，会降低冲击韧性，所以必须加速冷却，以得到纯马氏体。在热处理之前将焊口冷却到马氏体转变温度以下是非常重要的，通过随后的热处理使全部马氏体得到回火。由于P92熔敷金属马氏体终止转变温度为120℃，所以要求焊后至少冷却到100℃，保温≥1h，然后才能进行焊后热处理。

（4）焊后脱氢处理 为了避免氢致冷裂纹，建议焊接结束后在冷却到室温之前进行脱氢处理，即焊后直接加热到300℃~350℃，保温2~3h，覆盖保温材料缓冷（随炉冷却）。

（5）焊后热处理 随着焊后热处理温度和保温时间增加，冲击韧性得到改善；从经济方面分析，要求缩短焊后热处理保温时间，可以节约能源。推荐焊后热处理温度为（760±10）℃，保温时间≥6h。对于厚壁焊件，特别是单面加热热处理的管道焊缝，为了获得比较高的蠕变断裂强度和冲击韧性，热处理的升温速度和冷却速度一般控制在80~120℃/h之间。

4. P92钢的焊接工艺要点

（1） 焊接工艺 GTAW（第一、二层）+SMAW（其余各层）；两人对称焊接。

（2）焊材选择 采用德国蒂森Thermanit MTS616—ER90S—G、φ2.4mm氩弧焊丝；选择瑞士奥林康CROMOCORD 92，φ2.5mm、φ3.2mm焊条。钨棒选用铈钨极，φ2.5mm。焊条应按照说明书规定进行烘焙，使用80~120℃的便携式保温筒领出通电恒温随用随取。氩气纯度≥99.95%。

（3）焊接参数 具体焊接参数如表2所示。

以上焊接参数垂直固定焊时偏上限选取，水平固定焊偏下限选取。环境温度确保在5℃以上，否则须采取措施。采用电脑温控跟踪预热。φ4.0mm焊条原则上不使用。

（4）组对 将坡口母材及内外壁附近10~15mm内的油污、铁锈、水分等杂物清理干净，露出金属光泽。对口时要求内壁齐平，对口间隙3~6mm，局部错边值≤1mm。使用专用对口夹具，严禁在焊件上随意引弧和焊接临时支撑物等，禁止强力对口和热膨胀法对口。

（5）预热与层间温度 P92钢是低碳马氏体钢，允许在马氏体组织区焊接，这意味着焊接预热温度和层间温度可以大大降低。推荐氩弧焊打底预热100~200℃，层间温度150~200℃；焊条电弧焊预热≥200℃，层间温度≤250℃。预热宽度从对口中心开始，每侧≥3δ。严格监控预热及层间温度。

（6）氩弧焊打底工艺 氩弧焊打底（2层、φ2.4 mm焊丝）时采用直流正接、两人对称焊接；用内填丝法；采用高频引弧、衰减收弧；因钢中ωCr高达10%左右，背面必须充氩保护，以防焊缝背面氧化；氩气流量：正面为8~12L/min，背面第一遍流量为10~25L/min，第二遍为3~8L/min。在管道内坡口边缘使用水溶纸（配合耐高温胶带或浆糊）填塞满管道形成氩气室，两侧离坡口间隔≥300mm。为确保万无一失，配合太阳神免充氩保护剂做双重保险。P91钢氩弧焊打底的焊层厚度≤3mm。

（7）确保根部焊缝质量 在第一遍打底后应细致检查，在确认无质量问题焊第二遍打底。打底焊完成后及时调整极性、准备焊条电弧焊焊接。焊条电弧焊时采用多层多道焊；前两层采用φ2.5 mm焊条，其余各层采用φ3.2mm焊条；单层厚度≤焊条直径；单层焊道宽度≤4倍焊条直径。接头应相互错开，收弧时将熔池填满；焊完后逐层认真检查，以便发现缺陷并及时处理。控制焊接电流在保证熔池铁液流动性适中、熔池清晰和熔合良好的前提下，提高焊接速度，降低焊接热输入。施焊中注意焊道间的交错和结合，避免出现“死角”，并保持焊道平整。

（8）保障焊接质量 由于客观环境的影响被迫中断时，采取防止裂纹等缺陷产生的措施（如后热、缓冷、保温等），再次焊接时仔细检查确认无缺陷后，方可按原焊接工艺继续施焊。焊后及时清理坡口，经自检合格后，做出可追溯性标识。

表2 焊接参数

5. 焊后采用“双加”热处理

（1）采用电脑控制、远红外履带式加热炉进行高温回火热处理工艺，但高过集箱材质为P92、规格为φ711.2mm×143mm，较特殊，主要是管壁太厚；虽然只有两道焊口，但不容忽视。如单纯采用外加热进行热处理，一是升温比较困难，且内外壁温差很大，管壁热应力就很大；二是热处理效果较差，硬度值超标。如果靠提高功率，增大加热宽度，增加保温厚度，会造成匀温区过宽，对加热区的母材产生不利影响。

所谓“双加”热处理，就是在大径管内外双向、用双组远红外履带式加热炉、按预定程序和预定温度，分别加热而实施的焊后高温回火热处理工艺。采用“双加”热处理工艺，相当于把大厚管壁分成内外两部分，加热厚度无疑减少一半。同时由于根部加热与保温，热量散失极小，焊缝热处理区域热循环降低，热处理温度比较均匀，热应力大大降低。管道内部加热装置为扁铁焊制，两端用铁丝拴牢，然后从两端或适当口拉出。

（2） P92钢焊后热处理原则上按《T/P92钢焊接指导性工艺》（国电焊接信息网）推荐工艺：最高温度为（760±10）℃；恒温时间以内外壁温差≤20℃为准，建议为（2~3）×1h/25mm；升温速度为80~150℃/h；降温速度≤150℃/h，冷却至300℃以下可不控制，如附图所示。

（3）P92钢焊后不能立即进行高温回火处理。为提高焊缝冲击韧性，焊后必须冷却80～100℃，保温2h（使焊缝全部转变成为马氏体组织，保证焊缝金属不存在过饱和残余奥氏体组织，避免在焊后热处理时变为硬而脆的未回火马氏体），再进行焊后热处理，否则焊缝冲击韧性非常低。当不能及时焊后热处理时，应立即均匀加热300~350℃，并保温缓冷脱氢处理。正常情况下后热处理可不进行。

（4）焊后热处理测温点的部位和数量执行《火力发电厂焊接技术规程》DL/T869—2004和《火力发电厂焊接热处理技术规程》DL/T819—2002的规定要求；测温仪表须经计量检定合格。

（5）当采用远红外辐射加热炉时，管道外部按D/S≤7.5，加热宽度从焊缝中心开始，每侧加热宽度≥4δ；故加热宽度选1 200mm左右。管道内部采用2组400mm宽加热片，内部加热宽度为800mm，主要考虑匀温宽度2×1.5t＝429mm。外壁采用4点控温，另外增加2点监控（1.5t和2.5 rt ）；内壁采用2点控温（400mm）。

（6）焊后热处理的保温宽度从焊缝坡口边缘算起，每侧不得少于管子壁厚的6倍（≥1 710mm），故选取2 000mm左右。

（7）按照国电焊接信息网P92钢焊接指导性工艺：“升温速度为80~150℃/h，降温速度≤150℃/h，冷却至300℃以下可不控制”。考虑锅炉高过出口集箱属于超厚壁管，故选取最小升温速度为80℃/h。当管壁处于低温区，功率足够保证温度提升，低温区升温速度小对整体热处理影响不大。而且我们现在采取的加热方式为内外壁“双加”同步升温，降温速度也选取80℃/h；冷却至300℃以下可不控制。综合分析，采用80℃/h的升降温速度比较稳妥。

（8）恒温时间的选择。由于采用内外“双加”热处理，管道恒温速度和效果将明显优于常规的单纯靠管外壁加热方式，且热处理恒温时间不宜过长；管道内部加热炉升至热处理温度后即停止，但已大大提高恒温效果。故恒温时间可适当减少，11～12h足以满足P92钢的热处理要求。

（9）热处理后进行硬度试验，要求硬度值≤250HBW；金相微观组织为回火马氏体/回火索氏体。若经检查达不到上述标准，必须查明原因，制定针对性工艺措施，重新或进行相应的热处理。

焊后热处理工艺

6. 结语

焊口经上述工艺焊接和内外“双加”热处理后效果良好值得推广应用。