超大壁厚P92钢焊接接头硬度检测异常原因分析
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摘要：本文通过阐述p92钢厚壁管焊接接头的硬度检测中发现的异常情况，对焊接接头金相组织和热处理工艺进行分析，找出该接头硬度值异常的根本原因，在对该规格的焊接接头进行热处理工艺的调整后，通过硬度检测和金相检验两种手段，验证了热处理工艺参数调整后的合理性，为超超临界机组P92钢厚壁管的热处理工作积累了一定的经验。
关键词：硬度 P92钢 热处理 微观金相
1.前言
全国火电机组向大机组、大容量节水环保型方向发展，超临界和超超临界是我国火电机组发展的主导，为提高火电机组锅炉蒸汽温度、压力参数，提高机组效率，SA335- P92钢材（它的基本成份为0.1%C-9%Cr-0.5Mo-1.7%W，同时加入了V、Nb、N和B等微合金化元素）被广泛的应用于超临界、超超临界机组的主蒸汽、再热热段等管道，这也给此类钢材的焊接、热处理、无损检测等方面均带来了新的挑战。如何保证P92钢的焊接质量是一直是焊接人员、热处理人员的工作重心，当然这也需要依托金属检验工作来提升焊接质量。硬度检验作为射线、超声波探伤等常规检验方法外的另一检测方法，操作简便，结果清晰，为进一步确认焊接质量（必要时可辅助金相检验），为受检的压力容器及焊口的安全等级状况的最终评定提供一个直观的、必要的依据，具有十分重要的意义。
2.硬度检验的意义、作用以及相关标准
2.1 硬度检验的意义
硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。一般认为，硬度是金属表面抵抗局部压入变形或刻划破裂的能力，而硬度值是可以表征材料的弹性塑性、形变强化、强度和韧性等一系列不同的物理量组合的一种综合性能指标。
2.2 硬度检验的作用
通过对焊接接头的母材、热影响区、焊缝三处进行硬度测试，可以评价其热处理效果以及借助金相检查可查明缺陷原因。若在三处所测的三点以上的硬度值相差在±15HL范围时，就可表明其热影响区的金相织正常、硬度值正常，强度满足；若在三处所测三点以上的硬度值相差大于±15HL 时，其热影响区的强度下降太多，金相组织发生变化。
2.3 硬度检验标准
硬度检验验收标准为《DL/T 438-2009》，该标准规定了对于9% —12%Cr系列钢制管道的直管段母材硬度值应均匀，且控制在180HB—250HB区间，同一管件上任意两点之间的硬度差不应大于30HB，焊缝硬度应控制在180HB—270HB。
3.硬度检验中发现的问题
某电厂1000兆瓦超超临界机组主蒸汽管道材质为SA335-P92，规格为φ563.2×96.8；焊接方法为GTAW+SMAW，焊丝为ER90S-G、焊条为ER9015-G，焊层厚度、宽度、焊接线能量符合工艺评定要求。
在热处理后对组焊口27#、34#进行硬度检测，硬度检测结果如表1所示：
表1
检测结果分析：从表1可以看出，焊口母材硬度值高于焊缝硬度值4—20HB不等，检验人员分别用两台HL-80里氏硬度计抽取四个不同位置打磨深度：0.5mm—1.0mm，表面粗糙度：Rα﹤1.6μm，用砂纸精磨后发现此类问题依然存在，依据耐热合金钢焊缝硬度不低于母材硬度的要求，判断此两道焊缝硬度值不符合要求。
4、焊缝金相组织及热处理工艺相关分析
4.1焊缝金相组织分析
为进一步分析产生此硬度差距的原因，又对27#焊口进行金相检验，金相组织图如图1所示：
母材区 热影响区 焊缝
图1
从图1可看出金相组织为马氏体耐热钢，焊缝区回火索氏体组织密度相对疏松不均匀。原始P92钢焊接接头的金相组织为回火马氏体，主要的沉淀相有M23C6碳化物，晶内存在高密度的位错。根据以往工作经验判断，此种结果与可能与热处理不充分有关，导致焊道材料密度分布不均匀，影响焊缝强度，造成硬度值偏低。
4.2 原热处理工艺分析
对于P92钢的热处理，对内外壁温度差有一个要求，就是要保证内外壁温差在20℃内。为达到这一要求，现场热处理时，不仅要采用内外壁加热装置，延长保温宽度，甚至尽可能进行内部封堵，还要延长恒温时间，以保证厚壁管焊缝的内外壁温差达到要求。对于本规格的管道焊缝热处理，选用10小时的恒温时间，对于P92钢热处理温度要求为760±10℃，工艺选择765℃的热处理温度；升降温速度按照规范要求进行。
预热方式为远红外电加热，测温方法点焊式热电偶和红外线测温仪配合使用。因为管壁较厚达到96.8mm，采取以下工艺如下，热处理工艺如图2所示。
热处理温度 765℃ 恒温时间 10h
升温速度 64℃/h 降温速度 64℃/h
加热宽度 1100㎜ 保温宽度 2000㎜
图2 P92焊缝热处理工艺示意图
现在出现母材硬度值高于焊缝硬度值的情况，根据热处理的实践工作经验，根本原因有两个：1、热处理温度偏高；2、恒温时间偏长。经过一次正火+回火处理后，进行二次检验。同时对该热处理工艺参数进行适当调整，综合热处理要求和满足厚壁管内外壁温差的要求，调整情况如下：1、降低热处理温度，选择760℃作为热处理温度；2、减少恒温时间，由原来的10小时减少到8小时。
5、硬度检验结果及金相分析
对热处理后的焊缝、母材、热影响区的硬度，以及金相组织进行重新检测，检测结果如下：
5.1硬度检测结果
对27#、34#焊口进行在二次热处理结束后，对两道焊口继续硬度检验，发现硬度值符合标准要求，在P92钢材硬度要求范围内，数值列表如表2所示：
表2
5.2、27#焊口金相照片对比结果，如图3、图4、图5所示
图3 焊缝部位金相组织（200×）
（返修前） （返修后）
图4 热影响区部位金相组织（200×）
（返修前） （返修后）
图5 母材部位金相组织（200×）
（返修前） （返修后）
返修前后组织均为马氏体耐热钢，结构未发生特别变化，但是晶粒组织大小明显不一样。返修前检品的晶粒度未细化略显粗大，组织结构相对疏松，不均匀；返修后检品的晶粒度细小，组织结构相对致密，均匀。
6结论
通过对检验焊口硬度值异常原因的分析，追溯焊口的金相组织及热处理工艺参数，不仅解决了硬度异常的原因，而且对热处理工艺参数的正确选择提供了一定的检验依据，为后续P92钢厚壁管对接焊缝的热处理质量提供了技术性的保障。
参考文献：
[1]《火力发电厂金属技术监督规程》DL/T 438-2009
[2]《金属里氏硬度试验方法》GB/T 17394-1998
[3]《火力发电厂焊接技术规程》DL/T 869-2004
[4]《硬度测试和无损金相检验在化工压力容器检验中应用的重要性》叶毅强出自《机电技术》
[5]《华能玉环电厂主蒸汽管道P92钢运行三万小时性能分析》20101128邵天佑
[6]《P92钢管道焊接热处理工艺导则》华能国际电力股份有限公司
[7]《宁夏电建焊接工艺评定》（评定编号：PQR）