电磁感应热处理方法在SA335―P91钢中的应用

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摘 要：随着客户对产品质量的重视程度越来越高，更为先进的电磁感应加热技术被引入到P91钢等高合金厚壁管道的焊接热处理中，并得到客户的认可；该文正是对目前普遍使用的电阻加热方法和近些年客户逐渐要求的电磁感应加热方法进行对比分析，以现场P91钢管道和P22钢管道的工艺评定试验为基础，用试验数据说明电磁感应加热方法在减小内外壁温差、改善焊缝力学性能、提高焊接热处理质量上的优势；可为今后其他项目采用同种加热方法进行焊接热处理提供借鉴。

关键词：P91钢 热处理 电阻加热 电磁感应加热

中图分类号：TG44 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）03（b）-0030-03

当今火力发电锅炉机组以大容量、高参数、超临界为发展趋势；为确保机组设备安全、可靠运行，满足高温、高压管道的需要，提高生产效率和经济效益；热强性高、工艺性好、价格低廉材料的开发是最关键的问题。而P91钢具有高温持久强度和抗蠕变断裂性能，与P22（10CrMo910）钢相比在相同使用温度和压力的条件下，管壁厚减薄50%；与奥氏体钢相比，膨胀系数较小、热传导性好、热裂纹倾向小、价格也相对便宜，使得P91钢成为高温过热器联箱、主蒸汽管道等高温、高压管道的首选及替代钢种。无论是使用性能，还是经济性，P91钢都表现出了它的优越性，其使用量也在不断增加。但由于采用的热处理方法不够科学，至使焊后热处理的过程中内外壁温差严重，使其个别性能指标不理想，尤其是不能保证焊缝根部的冲击韧性。因此，选用合适的焊后热处理方法，对就热处理温度特别敏感的P91钢来说具有重要的现实意义。

近些年随着市场竞争的日趋激烈，加之感应热处理的诸多优点，越来越多的客户都明确要求承包商使用电磁感应加热设备对P91等大径厚壁管焊缝进行热处理。印度塔尔万迪3×660 MW燃煤电站项目的业主就明确要求对P91钢焊缝采用电磁感应加热方法进行焊接热处理。

1 电阻加热与电磁感应加热方法对比

1.1 电阻加热的原理

电阻加热法是辐射加热。其加热原理是从加热器发出的热能以辐射的形式传到工件的外表面，依靠金属导热，从外表面向内部传导。

1.2 电磁感应加热设备及其工作原理

1.2.1电磁感应加热设备

目前使用较多的电磁感应加热设备是由美国米勒公司生产的Proheat35型加热设备，其功率为35 kW，频率5～30 kHz，属高频感应加热；其主要设备构成包括：感应加热电源、两个输出连接器、输出加长电缆、水冷加热电缆、预热护套、数字记录仪、热电偶加长电缆、K型焊接式热电偶（金属丝）、强力冷却水箱、用户绝缘毯等。加热时，输出电流、电压、频率和功率通过微电脑自动匹配，数据为电脑储存；加热导线为柔性线，内通水冷却，便于现场安装和拆卸；保温棉为耐高温、可重复使用的环保型产品。

1.2.2工作原理

设备通电后线圈内的交变电流产生交变磁场，使工件中产生感应电流，靠感应电流加热工件；工件整个截面有感应加热电流，内部温度梯度小，最热区域在工件表面下方，热量在金属内部快速传导（如图1所示）。

1.3 P91钢的热处理特性

P91钢的最佳热处理温度为（760±10）℃，也就是说，热处理温度的上限为770 ℃，下限为750 ℃。热处理温度范围相对比较窄，在这一温度范围内，P91钢焊接接头焊后热处理才能获得良好的综合性能，特别是焊缝的冲击韧性。

1.4 电磁感应加热方法的优势

目前，焊后热处理广泛采用的是电阻加热设备，从原理上分析，这种从外表面向内部传导热能的方法，对大口径厚壁管很可能会造成内、外壁温差过大的现象，而这种过大的温差对温度特别敏感的P91钢而言，是对冲击韧性不利的。而电磁感应加热法，从原理上讲，它的热源来自由金属内部产生的感应电流使材料发热，这种热处理法对大口径厚壁管造成的内、外壁温差应该小，对温度敏感的P91钢焊接接头热处理应该更为有利。

2 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

选用P22和P91两种材料进行工艺评定期间的对比试验：材质为sa335-p91的材料规格为φ697 mm×65 mm，材质为SA335-P22的材料规格为φ559 mm×60 mm，两种材料的长度均为1 200 mm。

2.2 热处理设备

2.2.1采用电阻加热的P22材质

设备：电阻加热设备；加热装置：柔性陶瓷加热器；保温材料：硅酸铝保温毡；测温热电偶：K型焊接热电偶丝。

2.2.2采用电磁感应加热的P91材质

设备：Proheat 35型电磁感应加热设备进行热处理；加热装置：内部通水冷却的柔性加热电磁感应线圈；保温材料：可多次重复利用的环保型石棉布；测温热电偶：K型焊接热电偶丝。

2.3 试验方法

2.3.1试验环境条件

塔尔万迪项目施工现场（如图2所示）。

2.3.2热电偶布置与安装

采用K型热电偶丝作为温度检测元件，热电偶采用储能焊接的方法将热电偶丝直接压焊在管道表面，控温热电偶应沿焊缝中心线布置，共8个测温点（如图3所示）。

2.3.3补偿导线的选择

采用与热点偶丝相匹配的带屏蔽层的精密级补偿导线，与热电偶连接必须保证极性正确，补偿导线布置应远离供电线路以避免产生干扰，同时应尽可能将补偿导线布置在温度较低的环境。

2.3.4热处理工艺确定

（1）规格/材质为φ559 mm×60 mm/SA335-P22材料。

焊前预热温度：200 ℃；

层间温度：应控制在200～350 ℃；

后热处理：当被迫后热时，后热温度为300～350 ℃，保温2 h。

焊后热处理：恒温温度为730～750 ℃，恒温3 h；升降速度为75 ℃/h。

（2）规格/材质为φ697×65mm/SA335-P91材料。

焊前预热温度：200 ℃；

层间温度：应控制在200～350 ℃；

后热处理：焊后不宜采用后热；当被迫后热时，应在焊件温度降至80～100 ℃，时间保持为 1～2 h后立即进行。后热温度为300～350 ℃，保温2 h。

焊后热处理：焊后热处理应在焊接完成后，焊件温度降至80～100 ℃，时间保持为 1～2 h后立即进行；恒温温度为750～770 ℃，恒温4 h；升降速度为75 ℃/h。

3 试验结果

3.1 热处理内外壁温差对比

为了便于对比，在P22材料750 ℃恒温3 h和P91材料770 ℃恒温3 h的时候对8个测温点的温度进行了记录，如表1所示。

由表1可以看出两种加热法在水平固定位置上测得的同一截面周向外壁温度相同（#1、#3、#5、#7点的温度），而径向方向上的内壁温度处于不均匀状态，其内、外壁温差因加热方法不同相差悬殊。在试验条件相同的情况下，电磁感应加热法测得的内外壁温差明显小于柔性陶瓷电阻加热法。电磁感应加热法测得的内外壁温差20 ℃，柔性陶瓷电阻加热法测的内外壁温差最小为30 ℃，最大为45 ℃。

3.2 P91热处理后的质量检验

热处理结束后，将试样委托印度德里的第三方检测机构（IRC工程检测试验室）进行相关试验。

3.2.1硬度

（1）近表面硬度值为：母材222VHN、热影响区261、265VHN，焊缝233VHN。

（2）层间硬度值为：母材223VHN、热影响区264VHN，焊缝224VHN。

（3）根部硬度值为：热影响区260、267VHN，焊缝242VHN。

硬度测试依据标准ASTM E92进行，具体硬度检查结果见表2所示。

3.2.2力学性能

根据ASME第Ⅸ卷中的QW462.1b进行了拉伸性能测试（见表3），根据ASME第Ⅸ卷中的QW462.2和QW466.1进行了弯曲性能测试（见表4）。

3.2.3试验结果分析

（1）两个试样的抗拉强度为633 MPa和637 MPa，均大于下限585 MPa，且均断在母材；结果合格。

（2）四个全焊缝弯曲试样，试验后均未在外表面发现裂纹，结果合格。

（3）硬度值沿厚度方向从表面到根部硬度平均值分别为：母材硬度为222VHN、223VHN；焊缝一侧的热影响区硬度为261VHN、264VHN、260VHN；焊缝另一侧的热影响区硬度为265VHN、264VHN、267VHN；焊缝硬度为233VHN、224VHN、242VHN；所有硬度值均在合格范围之内。

4 结语

（1）P91钢焊缝通过电磁感应加热方法热处理后，焊缝熔敷金属的硬度值和力学性能数据完全满足SA335-P91钢的性能要求。

（2）Proheat35型电磁感应加热设备与柔性陶瓷电阻加热设备，在分别对P91管子和P22管子做工艺评定时，其内外壁温差因加热方法不同相差悬殊，电磁感应加热，管内外壁温差远比柔性陶瓷电阻加热小。

（3）Proheat35型电磁感应加热设备在Φ697 mm×65 mm的P91管子上试验所测得的内外壁温差20℃，这对焊后热处理温度要求特别敏感的P91钢十分重要。而柔性陶瓷电阻加热设备在Φ559 mm×60 mm的P22管子上测得的内外壁温差最小为30 ℃，最大为45 ℃。

（4）试验表明对大径厚壁的P91管子采用Proheat35型电磁感应加热设备进行焊后热处理，能有效地保证P91焊缝的热处理温度控制在（760±10）℃范围之内，从而确保P91钢整个焊接接头内外部力学性能的均匀性，更好地保证焊缝根部的冲击韧性。

（5）试验测得的数据证明，电磁感应加热法无论从理论还是实践上，该方法对大口径厚壁管的热处理效果要优于目前广泛使用的柔性陶瓷电阻加热法。

参考文献

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