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1000MW空冷火电机组主蒸汽管道焊后热处理

发布时间: 2020-02-11         点击:3115次        

韩道永  

(宁夏电力建设工程公司   宁夏 银川 750001

   摘要  当前国内1000MW级超超临界火电机组,其主蒸汽管道均采用SA335-P92钢,该钢焊后热处理工艺的选定,一直困扰者许多电力施工单位。采用柔性陶瓷电阻主辅加热器同时加热、内外壁测温、两端封堵的热处理工艺进行主蒸汽管道(SA335-P92)焊后热处理,得到了焊缝内壁温度达到了740℃及以上的处理效果。各项指标均符合现行标准,并成功应用到宁夏灵武二期工程1000MW空冷机组的安装中。表明采用该热处理工艺对SA335-P92钢焊后热处理,特别是厚壁管道的焊后热处理,可以保证恒温过程中焊缝内壁温度符合SA335-P92钢回火温度要求,从而保证了焊接接头综合机械性能的均匀性。

   关键词   1000MW  空冷  主蒸汽管道  SA335-P92  焊后热处理  主辅加热  内壁温度 温度差




O  前言




宁夏灵武电厂二期2×1000MW超超临界燃煤空冷机组是世界首座百万千瓦级燃煤空冷发电机组,也是西北地区首座百万千瓦火力发电机组。主蒸汽管道采用了SA335-P92钢,规格为Φ563.2×96.8SA335-P92钢是新日本制铁在SA335-P91合金成份的基础上,用(1.52%W代替了部分的Mo、添加适量的B,得到一种改进型的SA335-P92钢,并被列入ASME规范及我国GB5310标准。SA335-P92钢一般供货状态为(10401080)℃温度正火,(750780回火,微观金相组织为回火马氏体。由于SA335-P92钢中WMo固溶强化和VNbB碳氮化物沉淀强化的作用,该钢较包括P91F12在内的(912%Cr钢,表现出更高的抗蠕变断裂强度性能,其600的蠕变强度提高了近30%

ASTM规定了SA335-P92钢材的化学成份、力学性能及物理性能分别见表1、表2






1 SA335-P92钢的化学成份(质量分数%)

C

Mn

Si

S

P

Cr

Mo

V

Ni

W

N

Al

Nb

B

0.07

0.13

0.30

0.60

Max

0.50

Max

0.01

Max

0.020

8.50

9.50

0.30

0.60

0.15

0.25

Max

0.40

1.5

2.0

0.03

0.07

Max

0.04

0.04

0.09

0.001

0.006






2  SA335-P92钢室温主要力学性能

拉伸强度MPa

屈服强度(0.2% )

MPa

最小纵向延伸率

%

冲击功(室温)

J

硬度

HB

620

440

20

--

--






SA335-P92焊接及热处理工艺复杂,尤其焊后热处理温度范围窄,内壁温度不易达到规范要求。国内多家电力科研、建设单位工艺评定试验表明,当SA335-P92管道恒温过程中内壁温度小于740时,焊缝根部冲击功已低于41J,且焊缝组织也不是清晰的板条马氏体组织,不能满足标准要求。但焊接工艺评定采用的管道直径、厚度与现场主蒸汽管道的规格差距很大,厚度差达50-60mm。据相关研究表明,随着管道壁后的增加,管道对缺陷的敏感系数增加,缺陷允许尺寸大小的控制更加严格,焊接工艺控制亦更加严格,其加热循环及温度场与实际工程条件差异较大,实际工程条件下的焊接接头性能,国内外的文献资料尚无公开。而且SA335-P92钢随着厚度的增加焊后热处理难度不断增大。国内个别单位采用与主蒸汽管道同规格的SA335-P92钢进行热处理工艺研究,但对现场主蒸汽管道焊缝进行热处理工艺研究未见报道。

我们曾于201010月采用与主蒸汽管道同规格(Φ563.2×96.8)、长度为7100mmSA335-P92钢管模拟施工现场环境进行热处理工艺试验研究,采用柔性陶瓷履带式加热器进行SA335-P92钢厚壁管道(δ=96.8mm)的热处理,可以使管道内壁温度达到740℃,取得了较好的试验效果。现以宁夏灵武电厂二期4#机组8.5m夹层一焊口焊后热处理作为工程实例进行工艺验证。

现场基本条件:主厂房已封闭,环境温度在7-10℃。施工时间:2010.12.1-2010.12.3。该主蒸汽管道焊口一侧从煤仓间水平段至8.5m夹层已全部连通,焊口另一侧管道长度为8m,管道的加热、传热环境非常复杂。




1  焊接工艺控制

1.1焊接方法:采用GTAW+SMAW方法焊接

1.2焊接材料:选用Thermanit MTS616焊条,直径Φ2.5mm、Φ3.2mm

1.3坡口型式:采用U型坡口

1.4焊接层道数:氩弧焊共2层、3道,手工电弧焊36层。其中采用Φ2.5mm焊条2层、5道,采用Φ3.2mm焊条34层、162道。

氩弧焊的焊层厚度控制在2.4~2.8mm范围内,手工电弧焊的焊层厚度控制在2.5~2.8mm




                             

                         



3 焊接参数表

焊层

单层焊缝尺

寸宽×

焊接

方法

焊丝

规格(mm)

极性

电流(A)

电压范围(V)

焊接速度(mm/min)

层间温度()

1-2

9×2.5

Ws

MTS616

Ф2.4

直流

正接

110130

1114

3060

180200

3-4

9×22.5

Ds

MTS616

Ф2.5

直流

反接

8090

2125

100180

200250

5-8

10×2.8

Ds

MTS616

Ф3.2

110130

2427

110180

200250

9-36

11×2.8

Ds

MTS616

Ф3.2

110130

2427

110180

200250






1.5预热及焊接层间温度

加热方式及控温:采用电加热,热电偶控温、辅以红外测温仪测温,以坡口底部温度为准。

氩弧焊预热温度为100200℃,电弧焊层间温度为200250℃。

预热加热宽度:以焊缝中心线为加热中心,每侧为300mmm

2  热处理技术方案的确定

依据主蒸汽管道的规格,确定采用柔性陶瓷电阻加热方式进行焊缝焊后热处理。采用加热器布置在外管壁的加热方式,分为主加热器和辅助加热器两部分。采取主加热器与辅助加热器同时加热、同时控温,储能式热电偶测温。其中主加热器:规格为440×520,数量为4片,每片功率10Kw;辅助加热器:规格800×260,数量4片,每片功率10 Kw,加热功率总计80 Kw。辅助加热器2片一组,共2组,分别对称布设在主加热器两侧。

以焊缝的几何中心位置确定为焊后热处理加热中心,在以焊缝几何中心向管道两端各1m部位采用硅酸铝棉密实封堵。

2.1热电偶选择和布置

采用K点焊式热电偶。

管道外壁设置4只热电偶控温,内壁设置4只热电偶测温,辅助加热器设置2只控温热电偶控温,共设置10只热电偶。

管道外壁:主加热器每片下焊缝边缘布设一个热电偶控温并起测温作用,分别在焊缝周向外壁12369点位置分别布置一只热电偶。辅助加热器加热分中心每侧布设一个热电偶作为辅助控温使用,辅助加热器控温热电偶布置在距加热中心290mm处。

管道内壁:在管道内壁焊缝边缘沿周向12点、9点、6点、3点位置分别布设一只测温热电偶。











1热电偶布置示意图








2.2热处理工艺

主加热器设定温度为760±10,辅助加热器设定为750

升温速度:64/h,降温速度:80/h300℃以下空冷

恒温时间:11h






750~770






2  焊接热处理曲线示意图





2.3 热处理设备及补偿导线

热处理设备选用DWK-E-360Kw电脑温控仪  

选用与热电偶相匹配的带屏蔽层的精密级补偿导线,K型补偿导线 (镍铬镍硅)。

2.4加热宽度选择

柔性陶瓷电阻加热器宽度的选择应符合以下关系:

HB=SB+4

其中: HB---加热区(加热器布置宽度)

R---管道内径

T---管道的名义壁厚

SB---均温区宽度

经测算SB数值为151mm,HB数值为909mm,考虑管道加热时温度梯度影响,选定加热器宽度为1100mm




2.5保温宽度确定

采用上述加热器宽度的最小保温宽度的选择应符合以下关系:

GCB=HB+4

其中: GCB----保温宽度

经测算GCB数值为1667mm,综合考虑管道轴向温度梯度及减小热量损失,选定为保温宽度1840mm

保温厚度:单层50mm,两层合计100mm

3.热处理实施过程

3.1焊接完毕,进行焊缝外观质量检查合格,管道降至室温。

3.2内外壁点焊热电偶、绑扎加热器,覆盖保温棉,将管道封堵完毕。

3.3主加热器与辅助加热器同时开始对管道进行加热。

3.4管道外壁温度达到设定值,开始恒温。记录外壁、内壁温度。

3.5恒温结束,开始降温。

3.6管道降至室温,进行内、外壁硬度测试、外壁微观金相检测。

4热处理相关数据

4.1管道热处理恒温段数据见表4

4.2恒温阶段焊缝内外壁温度见图3



4管道热处理恒温段温度值

测点位置

时间

12

9

3

6

1

2

9

3

12

6

恒温0h

769

768

768

769

752

750

724

724

729

733

0.3 h

768

769

769

769

749

749

740

741

744

746

1 h

769

769

769

769

750

750

743

746

750

753

2 h

768

769

769

769

745

744

747

748

752

753

3h

770

769

769

769

745

744

742

770

753

755

4h

768

769

769

769

740

740

747

748

753

754

5 h

769

769

768

769

741

739

747

748

750

752

6 h

768

769

769

769

741

740

749

750

753

754

7h

769

768

769

769

741

741

749

749

751

752

8h

769

769

769

769

741

740

750

750

752

754

9h

769

769

769

769

736

735

750

750

752

753

10h

768

769

769

768

736

736

748

750

752

753

11h

769

769

769

769

735

734

749

750

752

754

降温0h

762

761

761

761

724

723

750

752

753

754




3恒温阶段焊缝内外壁温度折线图






4.3热处理曲线图如图4







4辅助加热器与内壁温度曲线





4.4恒温阶段各测点温度显示数据如图5







5恒温段各测点温度数据



4.5焊缝内外壁硬度值见表5



5焊缝内外壁布氏硬度值

序号

3

9

12

6

9

1

224

222

226

217

245

2

205

225

221

210

242

3

223

231

217

219

230

平均值

217

226

221

215

239



4.6焊缝微观金相组织如图6



母材组织100×                                     外壁焊缝组织500×

             图6母材与焊缝金相组织






5  数据分析

5.1 从管道焊缝整个热处理过程分析,升温阶段内壁温度随外壁温度均匀上升,并保持一个不断放大的温度差,在恒温开始0.3h,内壁4个测温点温度均达到740℃

5.2 恒温2 h时,调降辅助加热器设定温度至745℃,恒温4 h时,调降辅助加热器设定温度至740℃,恒温9 h时,调降辅助加热器设定温度至735℃,内壁温度值变化不明显。

5.3 内壁温度最大达到755℃,内外壁最小温度差为15℃,最大温度差为29℃,可以满足SA335-P92钢焊后热处理里要求。  

5.4 管道内壁热量的传递主要依靠热传导来进行,传播速度未因材质的不同、壁厚的增大而显著降低。

5.5检测焊缝内外壁硬度,外壁硬度值分布范围均匀,数值无突变。内壁硬度检测9点钟、6点钟两个位置,硬度值均小于250HB

5.6焊接接头经焊后高温回火处理,金相组织均为回火马氏体,碳化物成粒状或球状分布




6  结束语

6.1采用柔性陶瓷履带式加热器进行SA335-P92钢厚壁管道焊缝的焊后热处理,可以使焊缝内壁温度达到750℃及以上,最高温度温度达到755℃,内外壁温度差可控制在15℃以内,达到了SA335-P92钢焊后热处理内壁最低温度要求。

6.2在管道恒温2h时,逐步调整辅助加热设定温度至最低735℃,对内壁温度值影响较小,可以忽略不计。

6.3在距焊缝中心一定距离采用硅酸铝棉密实封堵,封堵效果对管道热传播方式、热量散失影响较大,应作为今后研究需要重视的主要方向。

6.4在保证内壁温度符合要求的前提下,可以缩短恒温时间的长度,以减小能源的消耗。

6.5该热处理工艺的实施作为SA335-P92钢主蒸汽管道焊后热处理的工程实践,具有较高的实用价值,可为同类型管道的焊后热处理提供借鉴。




参考文献:

[1] 郭军,常建伟,章亚林等《火力发电厂焊接热处理规程》[S].

[2] 周荣灿,陈平,范长信等 《P91P92钢管道现场焊后热处理工艺导则》[S].

[3] 杨富,章应霖,任永宁等. 新型耐热钢焊接[M].中国电力工业出版社,2006.1

[4] 韩道永,吕铁,张晓东等百万千瓦空冷燃煤机组SA335P92钢超大壁厚管道焊后热处理[A].超超临界机组技术交流2011年会论文集[C].汕头:2011

作者简介:

[1] 韩道永:(1971-, ,河南柘城人,大学本科,高级工程师,多年从事电站焊接工艺、热处理工艺研究工作,发表论文十余篇。  



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