P91管道热处理过程控制及常见问题控制

P91管道热处理过程控制及常见问题控制摘要：本文针对乙烷制乙烯项目裂解炉超压蒸汽管线P91钢管进行了热处理工艺实践，制定合格的P91焊接工艺评定，过程中通过对预热和层间温度的严格监控，焊后马氏体转变、合格的后热处理以及焊后热处理的控制，得到优质合格性能的P91焊接接头。关键词：P91钢管；热处理工艺；预热；马氏体转变；焊后热处理引言：P91我国于1995年将该钢列入GB5310标准中，牌号为10Cr9MolVNb。该钢的特点是在9Cr1Mo钢中加入少量V、Nb,控制N和Al含量，降低C含量。该钢具有高温强度高、抗氧化性能和抗蠕变性能好等特点，在我国石化行业和电力行业得到广泛的应用。该钢进行焊后热处理的目的是降低焊接接头的残余应力，改善焊缝及热影响区组织，使淬硬组织得到回火处理，从而提高焊缝及热影响区的性能。焊后热处理温度过高会促使碳化物积聚和长大，降低焊接接头的强度，热处理温度过低达不到回火的效果，因而严格的热处理工艺控制是确保P91焊接接头性能的保障。1、P91钢焊接热处理原理P91钢作为新型马氏体耐热钢，具有良好的高温持久强度、热稳定性和高温抗蠕变能力，经过焊接后的P91钢焊接接头，要达到和保留P91钢优良的综合性能非常困难，由于火电焊接作业大部分在施工现场进行，焊缝熔池金属的加热熔化和冷却结晶属于“焊接小冶金”，没有该钢材在制造过程中的“提纯冶炼、控轧控冷加工”等条件。为了保障P91钢的焊接后性能达到优质合格的焊接接头，必须严格执行经过焊接工艺评定确定的施工程序和工艺参数，加强过程监控措施。焊前预热是防止P91钢产生焊接冷裂纹的最有效措施之一。预热可降低焊接应力，减缓焊后冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免产生氢导致裂纹。同时，也可减少焊缝及热处理影响区的淬硬程度，提高焊接接头的抗裂性。层间温度控制从防止冷裂纹产生、细化晶粒、提高韧性等诸方面考虑。为避免过热组织出现，有效保障P91钢焊接接头综合力学性能。P91钢焊接层间温度为手工钨极氩弧焊时150-200°C，焊条电弧焊时为200-300°C2、P91钢管焊接热处理操作要点2.1、 热处理设备质量及材料质量控制2.1.1、 热处理设备主要包括加热设备、测温设备、检验设备以及各种操作与维修工具等。这些设备质量控制是指温度控制的准确度及温度分布的均匀性。焊接热处理质量控制正是通过对加热设备的控制来实现的，因而设备质量控制是热处理生产中的控制要点之一。2.1.2焊接热处理材料分为主用材料和辅助材料。主用材料是保证加热过程顺利进行而必须使用和消耗的材料，包括保温材料、热电偶、电缆导线以及加热装置所用的材料，如感应加热铜线，远红外加热器等。辅助材料是指协助主用材料共同完成热处理过程耳必须消耗的材料，包括铁丝、绝缘胶带、接插件、记录纸以及设备维修所需的各种消耗材料。对这些材料必须认真进行入厂检验，检查质量证明文件，入库必须堆放合理，符合要求。2.2、焊前预热2.2.1、 P91钢管焊前预热采用柔性陶瓷电阻加热器进行，预热宽度从对口中心算起，每侧不小于管壁厚的5倍，不小于100mm。2.2.2、 预热时应缓慢升温，尽管珠光体、马氏体钢在300C以下无组织变化,但局部升温过快，会造成组织应力增加，一般来讲，远红外加热器以自然升温为宜。为方便GTAW打底，一般预热温度150-200C。SMAW填充时，预热温度在200-300C，达到预热温度时至少恒温30min,保证内外壁温差均匀，预防冷裂纹的产生，保证冲击韧性。2.2.3、预热和层间温度不能过高，过高的预热和层间温度不仅对防止裂纹没必要，相反会危害焊缝金属的韧度。因此，在控制预热和层间温度时，应注意温度测量的准确性。2.2.4、在预热时，热电偶测定的温度只是作为升温的依据，实际预热温度测量采用远红外测温仪测量。当温度升至设定温度时，用元红外测温仪对坡口根部进行测量，如根部温度已达到预热温度，则可以开始施焊；如果根部未达到预热温度，则应进行保温处理，直至根部温度达到预热温度。垂直管（2G）热电偶对称分布于坡口两侧，且不得少于两个；水平管（5G）则在坡口上、下对称布置。热电偶距离坡口25-35mm。加热时，加热器包扎应空出焊缝部位，保温材料包扎时，也同样空出焊缝部位，但必须覆盖整个加热器。2.2.5、用红外线测温仪进行测量，测量点应均匀分布，如下图（DN150以下测量1和3点；DN200/DN450测量1-4点）。2.2.7、当达到预热温度后，应立即进行氩弧焊打底焊接，且应一次连续焊2.3、焊后热处理工艺要求2.3.1、热电偶安装和布置（1） 热电偶安装和布置包括热电偶的选择，安装数量、位置和方法。（2） 热电偶安装前，应确保热处理部位及周围表面的杂物和焊接接头处的焊渣、飞溅已清理干净；（3）预热、全过程控温及脱氢处理时热电偶距离焊缝坡口边缘25-35mm；（4）最终热处理时控温热电偶应设在焊缝中间，监控热电偶应设在焊缝边缘；（5）热电偶布置于管道外侧采用捆扎式或压焊式固定；（6）热电偶采用其端部与工件接触固定的方式，其端部与加热器之间采用保温棉隔离，热电偶安装应紧贴焊缝，并安装牢固。（7）热电偶的数量应符合下表规定。管道公称直径测温点数量DNV3001300WDNV5002500WDNV7503DN27504（8）采用K型热电偶测温。测温点在焊缝中心沿圆周均匀分布，焊口水平放置应优先在底部布置。2.3.2、 加热器安装加热器在安装前应进行认真检查，确认各部件无损坏，连接无松动，处于良好状态。2.3.3、 补偿导线（1）补偿导线布置应远离供电线路，尽可能将补偿导线布置在温度较低的环境，采用带屏蔽层的精密级补偿导线。（2）补偿导线与热电偶以及仪表端子的接头必须采用连接座，连接可靠，不得将2根导线拧在一起。（3）使用和储存中应避免补偿导线损伤，补偿导线不允许有小曲率半径弯曲、冷加工和过度绕卷。2.3.4、加热范围要求以焊缝中心为基准。管道名义厚度小于等于50mm时，均温带宽度为焊缝宽度加2t（t为管道的壁厚）；管道名义厚度大于50mm时，均温带宽度为100mm。加热宽度为均温带宽度加50mm，且不少于5t（t为管道的壁厚）。（1） 保温材料采用硅酸铝保温棉。（2） 根据温度梯度的分布及传导情况，保温材料包扎时应做到上部和下部从薄件往厚件，逐渐加厚，且包扎紧密、牢固。（3） 保温宽度从焊缝坡口边缘算起，每侧不得少于管子壁厚的5倍，且每侧应比加热器的安装宽度增加不少于100mm。（4）保温厚度宜为40-60mm，保温层允许拼接，但接口处不允许有间隙。2.4、最终热处理2.4.1、 焊接完成后缓冷至80-100°C，恒温1-2小时后进行最终热处理，以确保热处理前获得100%马氏体组织。马氏体转变完成后进行后热处理，后热温度宜为300-350C，保温时间不少于2h。冷却到室温后，再进行焊后热处理。如直接热处理，可不进行后热。2.4.2、 焊后热处理温度为730-775C，按照壁厚不同恒温2-6小时。2.4.3、 焊后热处理的加热速率及冷却速率按以下规定执行：当温度升至300C以上时，加热速率不应大于[5125/壁厚(mm)]C/h且不得大于220C/h。恒温期间各测温点的温度都应在热处理温度规定的范围内，恒温期间最高与最低温差应低于50C。恒温后冷却速率不应大于[6500/壁厚(mm)]C/h且不大于260C/h，300C以下可自然冷却。2.4.4焊后热处理曲线图如下：2.5、硬度检测热处理完成后应对焊接接头进行硬度检测，检测比例100%，检测部位包括焊缝、热影响区，每个焊接接头硬度检测根据管径的不同按照方法进行：管道公称直径小于等于DN300时，每个焊接接头的焊缝和两侧热影响区各不少于一处，每处不少于三点，取平均值。B）管道公称直径大于DN300时，每个焊接接头的焊缝和热影响区应各不少于两处，每处不少于三点，取平均值。C） 热影响区的测定区域紧邻熔合线。异种钢焊接时，焊缝金属硬度值可按照合金成分较高母材的合格指标进行考核。D） 焊接接头的硬度应小于等于241HBW。硬度值高于规定值，应重新进行焊后热处理。焊后热处理恒温温度超标或焊后热处理不足而导致硬度值低于母材规定值的80%的，除非可以实施正火加回火热处理，否则应割除该焊接接头、重新焊接。2.6、 返修热处理要求对于P91钢的返修，DL/T869-2012《火力发电厂焊接技术规程》明确规定：焊接接头有超标准的缺陷时，可采取挖补方式返修，但同一位置的挖补次数不得超过二次，返修应对整口进行预热，预热温度较原工艺提高50°C补焊，补焊完成后按照原焊后热处理工艺执行。P91钢热处理不宜超过3次，超次热处理将使得热处理区域金属硬度降低、抗拉强度降低，焊缝力学性能无法满足使用要求。2.7、 热处理文件要求2.7.1、 每一次焊后热处理都必须有温度-时间记录。2.7.2、 热处理在300C以上，均应有自动记录。每一次焊后热处理都必须有温度及时间记录。温度-时间记录，应采用图表形式，应标明走纸速度，焊口编号，热处理日期和热处理人员签字。3、支管角焊缝的热处理（1） 支管、吊耳等于管道的焊接接头热处理，应尽可能采取整圈环形加热的方式。如果接管的尺寸较小，应将整个接管包括在均热区内。（2） 支管的热处理，加热器很难完全贴合在管壁的表面，导致该部分加热强度降低，需要在这些区域增加监测热电偶，而控温热电偶安装在预期温度比较高的区域。或者在接管、主管上布置各自独立的加热器和控温热电偶。(3)支管角焊缝及承插焊接头焊接完成后缓冷至80-100C，恒温1-2小时后进行后热处理，后热处理完成后立即进行热处理。4.热处理注意事项焊后热处理施工尽可能保证在晴好的天气进行，如果在雨雪大风天气实施热处理施工时必须采取有效的保护措施，保证热处理对象不被雨淋。热处理前应检查热处理设备及供电情况，保证热处理设备处于完好状态，保证热处理期间不断电。焊后热处理之前，应对测温点固定及数量、温度记录仪、加热器的布置及接线、保温温度等热处理参数进行检查确认，确保温度指示准确无误，热处理参数符合规范要求。如果采用加热绳，加热绳沿着焊缝环向逐圈缠绕，不允许有重叠。履带式电加热片或加热绳应与焊件表面贴紧，采用钢带或铁丝进行固定。4.6保温层外表面温度不宜超过60C，多层铺设时，两层之间的接缝应错开。管道焊缝进行热处理前时，对于自重较大、风力较大(6级或以上等级风力)时，应采取加固、支撑措施，防变形措施。热处理操作人员应能熟练操作热处理设备，熟悉热处理工艺要求。热处理过程中，操作人员不得擅自离开工作岗位，以避免设备故障时发生事故。热处理控制器应放在干燥、通风的绝缘物上，接头处需有良好的绝缘，防止输出短路。热处理工作结束后，操作人员、热处理责任师和监理的见证人员应及时在温度记录曲线的结束位置进行签字确认。4.11每次热处理工作完成后，应将保温棉和加热器放置好，避免雨淋后无法使用。5、结束语随着我国市场对乙烯需求的增加，我国现正在增加建设几套乙烯装置。乙烯装置中P91钢的使用较广泛，因而对于P91的焊接及热处理控制尤为重要。合格的热处理工艺能够避免P91焊接过程中出现裂纹，并能够得到优质性能的焊