至德鋼業(yè)F91鋼管與不銹鋼管焊接接頭的熱處理

 為了解決浙江至德鋼業(yè)有限公司擴(kuò)建工程機(jī)組低壓旁路蒸汽管道低旁閥F91鋼管與閥后不銹鋼管異種鋼接頭直接焊接無法進(jìn)行熱處理的問題，通過分析F91鋼與12Cr1MoVG鋼、12Cr1MoVG鋼與不銹鋼兩組異種鋼焊接接頭的焊接熱處理性能，采用在F91鋼與不銹鋼異種鋼焊接接頭中間增加12Cr1MovG過渡段的方法進(jìn)行處理。對焊接及熱處理完成后的兩組異種鋼接頭進(jìn)行無損檢測和硬度檢驗，結(jié)果均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。證明了采用增加12Cr1MoVG過渡段處理F91與異種鋼焊接接頭的熱處理問題的可行性。

 在超超臨界火力發(fā)電機(jī)組的安裝中，由于各種碳素鋼、低合金鋼、熱強(qiáng)鋼、不銹鋼的廣泛使用，經(jīng)常不可避免地出現(xiàn)異種鋼焊接接頭。由于異種鋼焊接接頭兩側(cè)母材合金成分、金相組織、力學(xué)性能的差異，使得其比同種鋼焊接接頭的焊接、熱處理要復(fù)雜的多。因此異種鋼焊接接頭是焊接和熱處理質(zhì)量的薄弱部位，是火力發(fā)電廠機(jī)組安裝焊接施工中的重點和難點，其焊接熱處理質(zhì)量對火力發(fā)電廠運行的穩(wěn)定性和安全性有著重要的影響。

  江蘇華電句容二期（2×1000MW）擴(kuò)建工程機(jī)組為1000MW超超臨界二次再熱燃煤機(jī)組。機(jī)組設(shè)計圖紙要求為低壓旁路蒸汽管道低旁閥前為A335P92鋼管道，后為不銹鋼管道，低旁閥為組合件。甲供低壓旁路蒸汽管道低旁閥前為A335 P92鋼管道，后為不銹鋼管道，低旁閥進(jìn)口接管材質(zhì)為F92鋼，出口接管材質(zhì)為F91鋼，閥后低壓旁路蒸汽管道材質(zhì)為不銹鋼，鋼管規(guī)格為1219mm×14.27mm。

一、F91鋼的主要性能

 F91鋼是一種改進(jìn)的9cr1Mo鍛鋼，是在9Cr1Mo鋼的基礎(chǔ)上添加了釩、鈮等元素形成的，具有較低的熱膨脹系數(shù)和良好的導(dǎo)熱性，同時抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高，特別是在高溫下具有較高的蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度及許用應(yīng)力。但F91鋼淬硬趨向大，焊縫及熱影響區(qū)容易產(chǎn)生高硬度馬氏體組織，使焊接接頭脆性增大，導(dǎo)致產(chǎn)生冷裂紋。

 F91鋼為馬氏體熱強(qiáng)鋼，不銹鋼管為珠光體熱強(qiáng)鋼，根據(jù)兩者化學(xué)成分及力學(xué)性能可選擇TIG-R30焊絲和R307焊條，采用氬電聯(lián)焊。但F91鋼熱處理溫度為750~770℃，不銹鋼熱處理溫度為670~700℃。

 F91鋼管最低熱處理溫度750℃高于不銹鋼管最高熱處理溫度700℃，且相差達(dá)50℃。若采用不銹鋼最高熱處理溫度700℃進(jìn)行熱處理，則使得F91側(cè)母材、熱影響區(qū)以及熔合區(qū)達(dá)不到高溫回火的效果，無法有效改善該側(cè)金相組織，無法有效提高焊接接頭的塑性、韌性等力學(xué)性能，無法有效降低該側(cè)硬度，使得其焊縫在今后運行中極易產(chǎn)生裂紋等缺陷，存在安全隱患。若采用F91鋼最低熱處理溫度750℃進(jìn)行熱處理，則造成不銹鋼側(cè)母材、熱影響區(qū)以及熔合區(qū)金屬超過其Aa溫度740℃，發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，冷卻后使得組織晶粒過大，碳化物聚集長大，使該側(cè)母材、熱影響區(qū)以及熔合區(qū)金屬力學(xué)性能和硬度都偏低。若采用700~750℃之間的溫度進(jìn)行熱處理，則上述兩種熱處理溫度的缺點均無法完全避免。

 由上可知，無論采取上述哪種熱處理溫度，均無法使F91鋼管與不銹鋼管焊接接頭達(dá)到有效改善金相組織，提高焊接接頭的塑性、韌性等力學(xué)性能，降低硬度的效果。因此，必須對F91鋼管與不銹鋼管接頭考慮其他可行且經(jīng)濟(jì)的處理方案。

二、處理方案

針對F91鋼管與不銹鋼管焊接接頭無法選擇合適熱處理溫度的問題，采取在F91鋼管與不銹鋼管之間增加長度大于500mm的12Cr1MoVG鋼管作為過渡段。以替代F91鋼與不銹鋼的直接焊接，從而解決F91鋼與不銹鋼焊接接頭無法選擇合適熱處理溫度的問題。

12Cr1MoVG鋼的主要性能12Cr1MoVG鋼為國標(biāo)鍋爐用鋼，屬于珠光體熱強(qiáng)鋼，在550℃以下具有較高的耐高溫持久強(qiáng)度。采取在F91鋼管與不銹鋼管之間增加長度大于500mm的12Cr1MoVG鋼管作為過渡段的處理方式，即以F91鋼與12Cr1MoVG鋼焊接接頭、12Cr1MoVG鋼與不銹鋼焊接接頭取代F91鋼與不銹鋼的焊接接頭。

F91鋼管與12Cr1MoVG鋼焊接接頭可選擇TIG-R31焊絲和R317焊條，采用氬電聯(lián)焊。F91鋼熱處理溫度為750~770℃，12Cr1MoVG鋼熱處理溫度為720~750℃，F(xiàn)91鋼與12Cr1MoVG鋼焊接接頭焊后熱處理溫度可選擇750℃。12Cr1MoVG鋼與不銹鋼焊接接頭可選擇TIG-R30焊絲和R307焊條，采用氬電聯(lián)焊。12Cr1MoVG鋼熱處理溫度為720~750℃，不銹鋼熱處理溫度為670~700℃，因不銹溫度為740℃，12Cr1MoVG鋼與不銹鋼焊接接頭熱處理溫度仍可選擇720℃。

熱處理溫度720℃與不銹鋼管溫度740℃僅相差20℃，考慮到熱處理過程中熱電偶的誤差，周圍射頻信號對熱處理機(jī)數(shù)字顯示的干擾以及同一施工電源中其他大功率設(shè)備啟停對于熱處理設(shè)備電流電壓的影響。因此熱處理過程中應(yīng)使用校驗準(zhǔn)確精度高的熱電偶，恒溫過程中應(yīng)盡可能避免周圍不利因素對于熱處理設(shè)備的影響，專人嚴(yán)格監(jiān)控?zé)崽幚磉^程中的最高加熱溫度，以保證熱處理的質(zhì)量。

三、焊接接頭熱處理及檢驗

 1. 焊接

  選擇TIG-R31焊絲和R317焊條，采用氬電聯(lián)焊焊接F91鋼與12Cr1MoVG鋼。氬弧焊打底前用柔性陶瓷電阻預(yù)熱150℃，加熱寬度100mm，并在管道內(nèi)壁做氣室充滿氬氣對根部進(jìn)行保護(hù)。氬弧焊打底時焊絲直徑2.5mm，電流90~105A，電壓10~14V，焊接速度50~65mm/min。手工電弧焊時采用多層多道焊，焊條直徑3.2mm，電流110~125A，電壓23~25V，焊接速度100~130mm/min。

  選擇TIG-R30焊絲和R307焊條，采用氬電聯(lián)焊焊接12Cr1MoVG鋼與不銹鋼。氬弧焊打底前用柔性陶瓷電阻預(yù)熱150℃，加熱寬度100mm。氬弧焊打底焊時，焊絲直徑為2.5mm，電流為90~115A，電壓為11~13V，焊接速度為50~65mm/min。手工電弧焊時，采用多層多道焊，焊條直徑為3.2mm，電流為115~130A，電壓為23~25V，焊接速度為110~130mm/min。

 2. 熱處理

  F91鋼與12Cr1MoVG鋼焊接接頭采用柔性陶瓷電阻加熱進(jìn)行熱處理。在焊接完成后，焊件溫度降至80~100℃，保溫1~2小時后立即進(jìn)行。采用4只K分度鎧裝熱電偶進(jìn)行控溫，沿管道間隔90°均勻布置，其中相隔180°的兩只布熱電偶布置在焊縫中心上，另兩只相隔180°熱電偶布置在焊縫邊緣靠12Cr1MoVG側(cè)50mm內(nèi)，采用點焊機(jī)固定，并使用KCA型補(bǔ)償導(dǎo)線，以嚴(yán)格準(zhǔn)確監(jiān)控加熱溫度。加熱寬度焊縫兩側(cè)各150mm，保溫寬度兩側(cè)各200mm。熱處理溫度為750℃，升降溫時300℃以上升降溫速度控制在150℃/h以下，恒溫時間為2h。熱處理過程中有專人嚴(yán)格監(jiān)控溫度，以保證熱處理的質(zhì)量。

 12Cr1MoVG鋼與不銹鋼管焊接接頭采用柔性陶瓷電阻加熱進(jìn)行熱處理，焊接完成后立即進(jìn)行。采用4只K分度鎧裝熱電偶進(jìn)行控溫，沿管道間隔90°均勻布置，其中相隔180°的兩只布熱電偶布置在焊縫中心上，另兩只相隔180熱電偶布置在焊縫邊緣靠A691G.1-1/4CrCL22側(cè)50mm內(nèi)，采用點焊機(jī)固定，并使用KCA型補(bǔ)償導(dǎo)線，以嚴(yán)格準(zhǔn)確監(jiān)控加熱溫度。加熱寬度焊縫兩側(cè)各150mm，保溫寬度兩側(cè)各200mm。熱處理溫度為720℃，升降溫時300℃以上升降溫速度控制在300℃/h以下，恒溫時間為1h。

 由于熱處理控溫要求高，考慮到熱處理過程中熱電偶的誤差，周圍射頻信號對熱處理機(jī)數(shù)字顯示的干擾以及同一施工電源中其他大功率設(shè)備啟停對于熱處理設(shè)備電流、電壓的影響。因此，熱處理安排在夜間進(jìn)行，過程中盡可能避免周圍不利因素對于熱處理設(shè)備的影響，并有專人嚴(yán)格監(jiān)控溫度，以保證熱處理的質(zhì)量。熱處理完成后，進(jìn)行了射線探傷，均達(dá)到Ⅱ級合格標(biāo)準(zhǔn)。

 焊接接頭硬度檢驗沿焊縫圓周五個部位的0點、3點、6點、9點4個方向進(jìn)行，每一部位的每一方向均打五點硬度。硬度檢驗結(jié)果見表。由表可以看出，焊縫硬度均大于兩側(cè)母材，且兩側(cè)異種鋼焊縫硬度均未超過母材硬度較高側(cè)平均值的130%，硬度檢測結(jié)果符合要求。

四、結(jié)論

 在F91鋼管與不銹鋼管之間增加長度大于500mm的12Cr1MoVG鋼管過渡段后，F(xiàn)91鋼與12Cr1MoVG鋼、12CrlMovG鋼與不銹鋼焊接接頭質(zhì)量完全合格。因此采用此種方式處理F91鋼與不銹鋼焊接接頭是可行的，可以避免F91鋼與不銹鋼焊接接頭無法選擇合適熱處理溫度的問題，保證了焊接質(zhì)量。