新钢种P92埋弧自动焊热处理工艺研究

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摘要：P92钢管在埋弧自动焊焊接后选择不同的热处理工艺进行处理，通过对检验结果进行分析比较，筛选出一套可有效改善焊接接头性能并能满足要求的P92钢热处理工艺。

Abstract： After the automatic submerged-arc welding， the different heat treatment processes are used to process P92 steel pipe. Through the analysis and comparison of the test results， a set of heat treatment process which can effectively improve the performance of welded joints and can meet the requirements of P92 steel is selected.

关键词：P92；热处理；埋弧自动焊

Key words： P92；heat treatment；automatic submerged-arc welding

中图分类号：TG15 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）20-0111-03

0 引言

随着火电建设向超临界、超超临界大机组发展，机组参数不断提高，对钢材的要求也越来越高。P91钢以其出色的常温性能和抗腐蚀持久强度、抗氧化性能，在超临界和超超临界机组中得到了广泛的应用。而P92钢比P91钢具有更高的高温强度、蠕变性能，可以明显减轻锅炉和管道部件的重量等优势，1996年以来，在国外超临界和超超临界组中已得到广泛应用，2005年以来，在国内超临界和超超临界机组中也得到应用，P92钢的手工焊接热处理工艺已逐步趋向成熟。然而P92钢埋弧自动焊在国内尚处于起步阶段，还没有成熟的热处理工艺可以借鉴，热处理工艺制约着P92钢埋弧自动焊的发展。探索合理的P92钢埋弧自动焊热处理工艺，已成为目前急需解决的问题之一。

由于埋弧自动焊采用大电流焊接（比手工焊大6～8倍），电弧热量大，焊丝熔化快，熔深也大，焊接速度比手工焊快的多，生产率可比手工焊提高5～10倍，具有生产效率高、焊缝质量好、节约钢材和电能、改善了劳动条件等许多优点。但是由于埋弧自动焊的焊接规范较大，对焊后热处理的工艺要求很高，如果热处理工艺参数选择则不当，容易导致组织改善不完全、残余应力没有降低，影响焊接接头的综合性能，甚至可能产生裂纹，使管材报废，因此选择适当的P92埋弧自动焊热处理工艺非常关键。

本项目结合以往的试验与研究经验，对材质为P92钢管在埋弧自动焊焊接后选择不同的热处理工艺进行处理，通过对检验结果进行分析比较，筛选出一套可有效改善焊接接头性能并能满足要求的P92钢热处理工艺。

1 P92钢的特性

P92钢是经过正火及回火处理，显微组织为回火马氏体组织（主要是Fe/Cr/Mo的碳化物及V/Nb的氮化物），是国内火力发电厂近期应用的一种新钢种。与目前国内常用的P91钢材（改进型9Cr-1Mo）相比，p92主要是用W代替了P91中的部分Mo，另外加入了少量的B。通过W的固溶强化及Nb、V等碳氮化物的弥散强化来提高钢材的高的持久强度。在600℃下10万小时的持久强度P92要比P91高30%～35%。我们试验的P92钢材料，规格为Φ508×86mm，它的标准化学成分和机械性能列见表1、表2。

2 P92焊接

焊接试样采用Ф508×86mm的无缝管。焊接方法采用GTAW/SMAW/SAW，接头采用对接U型坡口，焊道设计为多层多道，焊接材料分别为：MTS616焊丝、焊条和Marathon543埋弧焊剂。

焊接时预热采用电加热方式，加热温度控制在150～250℃，层间温度控制在 200～300℃。

3 P92钢的热处理

热处理是采用高温回火技术，通过远红外方式加热焊接接头到一定温度，保温一段时间，然后控制冷却，以改善焊接接头的金相组织和力学性能，降低焊接残余应力的工艺。热处理的主要参数是加热温度、保温时间和升降温速度，参数的选择，降低P92钢焊接接头的残余应力，改善焊缝金属的组织和性能，对焊缝金属的最终质量起决定性作用。

3.1马氏体转变

焊接结束后，立即进行降温进行马氏体转变，转变温度为80～100℃，恒温时间2小时，但必须使整个焊接接头温度都能达到100℃以下。同时为使内外壁温度能够均匀，在焊接结束后及恒温过程中可以将管道两端密封板打开，让管子内部的空气自由流通。同时在管道壁温较低的情况下可将预热用的加热器及保温材料拆除，确保整个焊缝内外均能降温至80～100℃，完全进行马氏体转变。

3.2 焊后热处理

3.2.1 热处理升降温速度

参考《T/P92钢焊接指导性工艺》，升温速度80～150℃/h，降温速度≯150℃/h（300℃以下时）在保温层内冷却至室温。

3.2.2 热处理温度的设定

参考相关文献，焊后热处理的恒温温度定为760±10℃，在实际热处理过程中还应考虑热电偶及温控柜的误差。

3.2.3 热处理恒温时间的设定

由于试验用的P92管道壁厚较厚，热处理均温时间较长，考虑到埋弧自动焊与手工焊相比具有焊接电流大、电弧热量高、焊丝熔化快的特点，同时还考虑到规范对焊缝热处理后的硬度要求较高（≤250HB），也需要增加加热时间来保证，我们将恒温时间设定较普通手工焊接方法延长1～2小时，最终设定为8～10小时。

3.2.4 热处理工艺方案的制定

根据以上数据的分析和现场经验，我们制定几种工艺（见表3）进行热处理试验。

3.3 热处理工艺的实施

3.3.1 热电偶选择

在温度测量中，热电偶是主要的测温工具。我国标装化热电偶有七种，我们采用铠装K型热电偶。控温热电偶数量根据管道直径和加热器数量确定，热电偶必须布置在相应控温区的预期温度最高点，以防止超温。热电偶固定方式直接影响到测温的准确性，目前施工现场一般采用绑扎方式固定。在固定时特别注意，热电偶热端必须紧贴管壁，并将热电偶的热端用隔热层将其与加热器有效隔绝，防止加热器布置或高温时隔热层破损，避免加热器产生的热量直接对热电偶辐射。

3.3.2 补偿导线的选择与连接

由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线连接热电偶进行控温。施工现场通常使用KC型温度补偿导线（正极为铜，导线颜色为红色，负极为康铜，导线颜色为蓝色）与K型热电偶相匹配。

补偿导线与热电偶线连接时，必须保证极性正确。在连接温度补偿线时应可靠，必须采用接线座连接，严禁采用两根接线直接拧在一起，防止造成接线接触不良影响测温。

3.3.3 热处理过程

加热之前应采取合理的措施，保证焊接接头不受外力作用，并且要有防雨措施，以免热处理控温过程中焊接接头被雨水冷却，影响焊接接头质量。热处理时管子两端要封闭，避免穿膛风，影响热处理质量。

热处理的加热宽度，从焊缝中心算起，每侧不小于管子壁厚的3倍，在现场布置加热器时宽度比要求的宽度每侧多出60mm。保温宽度每侧不小于管子壁厚的5倍，以减少温度梯度。

进行热处理时，测温点应对称分布在焊缝中心两侧，且应尽可能靠近焊缝。我们在热处理时布置了3个测温点，分别在焊缝中心上下对称位置和焊缝左右任一处。

为规范施工，严格执行热处理工艺，在施工过程中要做好工作记录。工作记录内容包括：预热温度（氩弧焊层、电焊层）、热电偶布置、加热器布置、温度设定等，使热处理过程符合工艺要求。

4 检验与试验

4.1 无损检验

热处理完毕24小时后，按照DL/T820-2002对焊接接头进行超声波检测，未发现裂纹等可记录缺陷。

4.2 金相试验

热处理完毕24小时后，对焊接接头进行金相检验，未发现裂纹，金相组织均为回火索氏体。

4.3 力学性能

在每种热处理后的试样上进行取样。取样位置如图1所示。力学性能检验结果见表4。

5 数据分析

当加热温度固定时，恒温时间的长短和升降温速度直接影响焊接接头的使用性能。由表5数据可知：八种不同热处理工艺的性能指标均满足要求，其中抗拉强度最小、最大值分别为630、665MPa，相差35MPa，不到5.3%；延伸率最小、最大值分别为27%、31.5%，相差4.5%；焊缝硬度值均在208-226HB之间。可见抗拉强度、延伸率和硬度三项指标相差不大，而冲击值随着加热时间和升降温速度的变化差别较大，最小、最大值分别为65J、81J最大相差16J。由此推断八种工艺的主要差别在对冲击功的影响上，而冲击功是反映焊接热处理质量的一个重要指标。热处理加热温度一定时，加热时间越长、升降温速度越慢，冲击功越大，冲击韧性越好。

由表5可知，SY-2的冲击功最大（81J），使用性能最好，但热处理时间最长（25.25h），生产效率低；SY-7的热处理时间虽然最短（20.2h），而冲击功最小（65J）。分析图2，综合考虑冲击功和热处理时间（生产效率）因素，发现试样SY-3，冲击功较高（74J）而热处理时间较短（22.1h）。

因此，我们确定工艺三为最佳的焊后热处理工艺。

6 结论

通过以上论证得出P92钢埋弧自动焊最佳的热处理工艺：升温速度80℃/h，在760±10℃时恒温8小时，然后以100℃/h速度降温。热处理过程曲线，如图3所示。

参考文献：

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[2]孙志强.P92钢焊接工艺性能试验与研究[D].天津大学，2007.

[3]闫建义，吴忠宪，马志才.国产9Ni钢埋弧自动焊工艺开发及应用[J].石油化工建设，2014（05）.