CN102605158B - 现场工况厚壁p92管道局部热处理方法 - Google Patents

现场工况厚壁p92管道局部热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种现场工况下厚壁P92管道的局部热处理工艺，首先根据实验和数据模拟相结合的方法，根据内径好壁厚计算得到相应的加热宽度和保温宽度，然后利用柔性陶瓷电阻加热器对管道进行局部加热，当温度降到80-100℃范围内时，通电进行加热恒温2h，以150℃/h加热升温至300℃，温度达到300℃后，以80℃/h升温至765℃，保温时间按壁厚每毫米5min计算最低不能低于4h，控制降温速度100℃/h至300℃，断电，缓冷至室温。采用本发明的技术方案可达到有效降低P92管道焊后热处理恒温过程中的内外壁温差(小于25℃)及热处理后焊接接头处的残余应力，保证材料的使用性能。

Description

现场工况厚壁P92管道局部热处理方法
技术领域
本发明涉及一种高等级耐热钢的局部热处理工艺，具体地说，是涉及一种现场工况下大厚壁P92长管道的局部热处理工艺。
背景技术
目前，电力工业正面临着前所未有的巨大挑战。要加快电力发展的步伐，就面临着要加快电力结构调整的速度。而最现实、最可行的途径就是加快建设超超临界机组。超超临界压力参数火力发电是有效利用能源的一项新技术，通过对其蒸汽的压力和温度进行一定程度的提高，来提高机组热效率。要保证机组在较高温度与压力下稳定运行，就必须使用更高高温强度的钢材，否则构件的壁厚就必须成倍地增大才能满足服役要求。目前P92钢允许锅炉主蒸汽温度提高到610℃，再热温度高达625℃，在USC机组的高温集箱和主蒸汽管道等部件得到广泛应用。P92钢国外无使用经验，而在我国得到大范围使用。目前我国的华能玉环发电厂、华电邹县发电厂、上海外高桥发电厂等单机容量为1000MW以及600MW USC机组的主蒸汽管道的设计上均采用P92管道。
通常在P92钢管焊接后进行焊后热处理，目的之一是消除焊接残余应力。研究表明整体热处理确实能有效地消除部分焊接残余应力。然而，在P92管的实际生产运用中，钢管长度远远长于焊接工艺评定用钢管的长度，并且在电厂现场工况下，不可能采用整体热处理方法，因此，工程上通常采用局部热处理来代替整体热处理。ASME仅规定局部热处理时均热宽度为焊缝最大宽度处两端各加50mm(ASME Boiler and Pressure VesselCode，Rules for Construction of Pressure Vessels：Alternative Rules，Section VIII，Division 2As aminimum，the soak band shall contain the weld，heat affected zone，and a portion of base metaladjacent to the weld being heat treated.The minimum width ofthis volume is the widest widthof weld plus the nominal thickness defined in paragraph 6.4.2.7or 50mm(2in.)，whichever isless，on each side or end of the weld.)，而没有给出加热宽度和保温宽度的具体公式。对于P92钢焊后热处理的加热带宽度及保温宽度的选择公式，国内外有多个标准。然而，不同标准对于P92管道的焊后热处理加热宽度及保温宽度的规定不统一，在现场施工过程当中不同的施工单位选择不同的参数，势必会对热处理的结果产生影响。多家公司仅针对实验室小试样确定了热处理的加热带宽度及保温宽度，而没有考虑现场工况下大壁厚长管道的实际情况，因此具有局限性。目前发现多个经过局部热处理的P92服役管道焊接接头处出现裂纹，与局部热处理工艺不合适有关。因此选择合适的局部热处理工艺对于保障P92管道安全运行具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对现场工况下的特殊高等级耐热钢(P92管道)，通过试验与有限元相结合的方法，给出了局部热处理工艺，采用该工艺，恒温过程中内外壁温差在25℃以内，热处理后残余应力消除效果好，局部热处理取得良好的效果。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
现场工况厚壁P92管道局部热处理方法，按照下述步骤实施：
步骤1，计算加热区宽度和保温区宽度，加热宽度(HB)的选择应符合以下关系
HB = 15.6 × Rt - 3.556 × R - 372
其中R为管道内径(mm)，t为管道壁厚(mm)
保温宽度(GCB)的确定应符合以下关系
GCB＝1.4×HB+226
步骤2，按照P92钢焊接工艺对P92管道进行焊接；
步骤3，待焊接结束后，P92管道自然缓慢冷却到120-150℃时，根据步骤1计算的结果在P92管道外安装相应的加热装置、保温装置，并布置热电偶，当温度降到80-100℃范围内时，通电进行加热，使其在80-100℃范围内恒温2h；
步骤4，以150℃/h加热升温至300℃；待温度达到300℃后，以80℃/h升温至765℃并进行保温，保温时间按壁厚每毫米5min计算，但最低不能低于4h；
步骤5，控制降温速度100℃/h至300℃，然后断电，自然冷却至室温后拆除加热器即可。
在本发明的技术方案中，采用柔性陶瓷电阻加热器(例如WDK-6360型柔性陶瓷电阻加热器)对管道钢进行加热，并采用控温热电偶、保温棉和电阻加热器相互配合实施温度、升温速度和降温速度的控制，以满足热处理方法的需求。
在现场完成P92管道焊接后，采用X射线法测试距离焊缝中心不同距离处的残余应力；待完成局部热处理之后，再利用相同的办法进行测试；两者对比即可分析得到局部热处理工艺对残余应力的影响。
在焊缝中心的外壁圆周的1点钟、11点钟和6点钟位置分别设置控温热电偶；在外壁焊缝中心12点钟的位置设置监控热电偶，并在外壁方向上距离焊缝边缘50mm、1.5t、2t、3t的位置上分别设置监控热电偶；在外壁6点钟方向上，距离焊缝边缘t、1.5t、2t、3t的位置上分别设置监控热电偶；在内壁焊缝中心12点钟位置上设置监控热电偶，并在内壁方向上距离焊缝边缘50mm、2t的位置上分别设置监控热电偶；在内壁焊缝中心6点钟位置设置监控热电偶，并在内壁方向上距离焊缝边缘t、2t的位置上分别设置监控热电偶。具体来说，在进行温度的监控时，本发明设置三个控温区，1#、2#、3#为控温热电偶，布置于焊缝中心，分别位于1点钟、11点钟、6点钟，其余为监控热电偶，其中12点钟的5#位于外壁焊缝中心，9#、11#、13#、15#距离焊缝边缘分别为50mm、1.5t、2t、3t，6点钟的10#、12#、14#、16#距离焊缝边缘分别为t、1.5t、2t、3t(t为管道壁厚，mm)，6#、17#、19#布置于内壁12点钟，与外壁的5#、9#和13#对应，内壁6点钟位置的4#、18#、20#与外壁的3#、10#、14#对应，上述监控热电偶用于测定热处理过程中的轴向温度梯度分布。
本发明为现场工况下的厚壁P92管道提出一种局部热处理方法，以达到较好的效果。为此，本方法利用试验与数值模拟相结合的方法，得到了针对现场工况下的厚壁P92管道一种局部热处理工艺，即如何根据管道的内径和壁厚，以确定加热宽度和保温宽度，并得到了较好的热处理效果(较好的温度场分布和消除残余应力效果)。与现有技术相比，本发明可达到有效降低P92管道焊后热处理恒温过程中的内外壁温差(小于25℃)及热处理后焊接接头处的残余应力，保证材料的使用性能；同时该方法属于不同厚度及管径规格的通用规范，扩大了局部热处理工艺的应用范围。
附图说明
图1试样的应力测点布置图，其中在焊缝区测试点间隔为3mm(靠近热影响区的3个点，见8、9、10、11、12、13共计6个点)，热影响区内三个测试点间隔1.5mm(5、6、7、14、15、16共计6个点)，母材前3点间隔为3mm(靠近热影响区的三个点，2、3、4、17、18、19共计6个点)，最外面的一个点距熔合线50mm(1、20两个点)。
图2加热带及保温层的布置方式图。
图3热电偶安装位置及分布示意图，其中1#、2#、3#为控温热电偶，布置于外壁焊缝中心，分别位于1点钟、11点钟、6点钟位置；其余为监控热电偶，其中12点钟的5#位于外壁焊缝中心，9#、11#、13#、15#距离外壁焊缝边缘分别为50mm、1.5t、2t、3t(t为管道壁厚，mm)，6点钟的10#、12#、14#、16#距离外壁焊缝边缘分别为t、1.5t、2t、3t，6#、17#、19#布置于内壁12点钟，与外壁的5#、9#和13#对应，内壁6点钟位置的4#、18#、20#与外壁的3#、10#、14#对应。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细说明本发明的技术方案，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
首先利用ID538(内径)×94.5(壁厚)mm的P92主蒸汽管道按照P92钢焊接工艺进行焊接，焊前在管道内壁安装监控热电偶。
计算加热区宽度HB＝1230mm，保温区宽度GCB＝1950mm，根据计算数据定制加热器及保温棉规格(即长度)，选用WDK-6360型柔性陶瓷电阻加热器。
采用X射线法测试距离焊缝中心不同距离处的残余应力，考虑到管接头的焊接残余应力的分布特点，在焊缝区测试点间隔为3mm(靠近热影响区的3个点)，热影响区内三个测试点间隔1.5mm，母材前3点间隔为3mm(靠近热影响区的三个点)，最外面的一个点距熔合线50mm，如附图1所示(均在外壁上)。
在完成现场焊接之后进行残余应力测试，再按图2所示安装加热装置和保温装置，以确保保温宽度和加热宽度。在本发明的热处理过程中进行温度的监视和控制，设置三个控温区，1#、2#、3#为控温热电偶，布置于外壁焊缝中心，分别位于1点钟、11点钟、6点钟位置；其余为监控热电偶，其中12点钟的5#位于外壁焊缝中心，9#、11#、13#、15#距离外壁焊缝边缘分别为50mm、1.5t、2t、3t(t为管道壁厚，mm)，6点钟的10#、12#、14#、16#距离外壁焊缝边缘分别为t、1.5t、2t、3t，6#、17#、19#布置于内壁12点钟，与外壁的5#、9#和13#对应，内壁6点钟位置的4#、18#、20#与外壁的3#、10#、14#对应，上述监控热电偶用于测定热处理过程中的轴向温度梯度分布，如附图3所示。
对钢管进行局部热处理：P92管道自然缓慢冷却(即在空气中室温冷却)到120℃时，根据计算结果在P92管道外安装相应的加热装置、保温装置，并布置热电偶，当温度降到80℃时，通电进行加热，使其在80℃恒温2h；以150℃/h加热升温至300℃，温度达到300℃后，以80℃/h升温至765℃，保温时间为8小时(按壁厚每毫米5min计算最低不能低于4h)。控制降温速度100℃/h至300℃，断电，缓冷至室温，拆除加热器。
采用X射线法测试距离焊缝中心不同距离处的残余应力，仪器为iXRD-便携式残余应力测量仪。
测量恒温期间对距焊缝不同距离与内壁的温差(12点钟位置)，结果如下
Figure BDA0000147505470000051
Figure BDA0000147505470000061
测量热处理前后距离焊缝不同位置处的残余应力分布(MPa)，结果如下
Figure BDA0000147505470000062
实施例2
利用ID538×91mm的P92主蒸汽管道按照P92钢焊接工艺进行焊接，焊前在管道内壁安装监控热电偶。
计算加热区宽度HB＝1167mm，保温区宽度GCB＝1859mm，根据计算数据定制加热器及保温棉规格。
对钢管进行局部热处理：P92管道自然缓慢冷却(即在空气中室温冷却)到150℃时，根据计算结果在P92管道外安装相应的加热装置、保温装置，并布置热电偶，当温度降到100℃时，通电进行加热，使其在100℃恒温2h；以150℃/h加热升温至300℃，温度达到300℃后，以80℃/h升温至765℃，保温时间为8小时。控制降温速度100℃/h至300℃，断电，缓冷至室温，拆除加热器。
采用X射线法测试距离焊缝中心不同距离处的残余应力，仪器为iXRD-便携式残余应力测量仪，残余应力测试点的分布与实施例1相同，如附图1所示。采用和实施例相同，如附图3所示的控温区布置，用于测定热处理过程中的轴向温度梯度分布。
测量恒温期间对距焊缝不同距离与内壁温差(12点钟位置)，结果如下
Figure BDA0000147505470000071
测量热处理前后距离焊缝不同位置处的残余应力分布(MPa)，结果如下：
Figure BDA0000147505470000072
实施例3
利用ID550×80mm的P92主蒸汽管道按照P92钢焊接工艺进行焊接，焊前在管道内壁安装监控热电偶。
计算加热区宽度HB＝944mm，保温区宽度GCB＝1548mm，根据计算数据定制加热器及保温棉规格。
对钢管进行局部热处理：P92管道自然缓慢冷却到130℃时，根据计算结果在P92管道外安装相应的加热装置、保温装置，并布置热电偶，当温度降到90℃时，通电进行加热，使其在90℃恒温2h；以150℃/h加热升温至300℃，温度达到300℃后，以80℃/h升温至765℃，保温时间为8小时。控制降温速度100℃/h至300℃，断电，缓冷至室温，拆除加热器。
采用X射线法测试距离焊缝中心不同距离处的残余应力，仪器为iXRD-便携式残余应力测量仪，残余应力测试点的分布与实施例1相同，如附图1所示。采用和实施例相同，如附图3所示的控温区布置，用于测定热处理过程中的轴向温度梯度分布。
测量恒温期间对距焊缝不同距离与内壁温差(12点钟位置)，结果如下
Figure BDA0000147505470000091
测量热处理前后距离焊缝不同位置处的残余应力分布(MPa)，结果如下：
Figure BDA0000147505470000092
实施例4
利用ID433×72mm的P92主蒸汽管道按照P92钢焊接工艺进行焊接，焊前在管道内壁安装监控热电偶。
计算加热区宽度HB＝843mm，保温区宽度GCB＝1406mm，根据计算数据定制加热器及保温棉规格。
对钢管进行局部热处理：P92管道自然缓慢冷却(即在空气中室温冷却)到140℃时，根据计算结果在P92管道外安装相应的加热装置、保温装置，并布置热电偶，当温度降到95℃时，通电进行加热，使其在95℃恒温2h；以150℃/h加热升温至300℃，温度达到300℃后，以80℃/h升温至765℃，保温时间为8小时。控制降温速度100℃/h至300℃，断电，缓冷至室温，拆除加热器。
采用X射线法测试距离焊缝中心不同距离处的残余应力，仪器为iXRD-便携式残余应力测量仪，残余应力测试点的分布与实施例1相同，如附图1所示。采用和实施例相同，如附图3所示的控温区布置，用于测定热处理过程中的轴向温度梯度分布。
测量恒温期间对距焊缝不同距离与内壁温差(12点钟位置)，结果如下
Figure BDA0000147505470000101
测量热处理前后距离焊缝不同位置处的残余应力分布(MPa)，结果如下：
Figure BDA0000147505470000111
实施例5
利用ID355×42mm的P92主蒸汽管道按照P92钢焊接工艺进行焊接，焊前在管道内壁安装监控热电偶。
计算加热区宽度HB＝270mm，保温区宽度GCB＝605mm，根据计算数据定制加热器及保温棉规格。
对钢管进行局部热处理：P92管道自然缓慢冷却(即在空气中室温冷却)到120℃时，根据计算结果在P92管道外安装相应的加热装置、保温装置，并布置热电偶，当温度降到80℃时，通电进行加热，使其在80℃恒温2h；以150℃/h加热升温至300℃，温度达到300℃后，以80℃/h升温至765℃，保温时间为8小时。控制降温速度100℃/h至300℃，断电，缓冷至室温，拆除加热器。
采用X射线法测试距离焊缝中心不同距离处的残余应力，仪器为iXRD-便携式残余应力测量仪，残余应力测试点的分布与实施例1相同，如附图1所示。采用和实施例相同，如附图3所示的控温区布置，用于测定热处理过程中的轴向温度梯度分布。
测量恒温期间对距焊缝不同距离与内壁温差(12点钟位置)，结果如下：
Figure BDA0000147505470000112
Figure BDA0000147505470000121
测量热处理前后距离焊缝不同位置处的残余应力分布(MPa)，结果如下：
Figure BDA0000147505470000122
有上述实施例的测试效果可知，本发明的局部热处理方法可以广泛适用于不同管径和壁后的P92管道钢在现场工况下焊接后的局部热处理，且都能够有效降低轴向和周向的残余应力，并且能够在ASME规范下实现有效降低P92管道焊后热处理恒温过程中的内外壁温差(小于25℃)。

Claims (3)

1.现场工况厚壁P92管道局部热处理方法，其特征在于，按照下述步骤实施：
步骤1，计算加热区宽度和保温区宽度，加热宽度(HB)的选择应符合以下关系
HB = 15.6 × Rt - 3.556 × R - 372
其中R为管道内径mm，t为管道壁厚mm
保温宽度(GCB)的确定应符合以下关系
GCB＝1.4×HB+226
步骤2，按照P92钢焊接工艺对P92管道进行焊接；
步骤3，待焊接结束后，P92管道自然缓慢冷却到120-150℃时，根据步骤1计算的结果在P92管道外安装相应的加热装置、保温装置，并布置热电偶，当温度降到80-100℃范围内时，通电进行加热，使其在80-100℃范围内恒温2h；
步骤4，以150℃/h加热升温至300℃；待温度达到300℃后，以80℃/h升温至765℃并进行保温，保温时间按壁厚每毫米5min计算，但最低不能低于4h；
步骤5，控制降温速度100℃/h至300℃，然后断电，自然冷却至室温后拆除加热器即可。
2.根据权利要求1所述的现场工况厚壁P92管道局部热处理方法，其特征在于，采用柔性陶瓷电阻加热器对管道钢进行加热，并采用控温热电偶、保温棉和电阻加热器相互配合实施温度、升温速度和降温速度的控制，以满足热处理方法的需求。
3.根据权利要求1所述的现场工况厚壁P92管道局部热处理方法，其特征在于，利用如下设置方法来布置热电偶，以实现测定热处理过程中的轴向温度梯度分布，在焊缝中心的外壁圆周的1点钟、11点钟和6点钟位置分别设置控温热电偶；在外壁焊缝中心12点钟的位置设置监控热电偶，并在外壁方向上距离焊缝边缘50mm、1.5t、2t、3t的位置上分别设置监控热电偶；在外壁6点钟方向上，距离焊缝边缘t、1.5t、2t、3t的位置上分别设置监控热电偶；在内壁焊缝中心12点钟位置上设置监控热电偶，并在内壁方向上距离焊缝边缘50mm、2t的位置上分别设置监控热电偶；在内壁焊缝中心6点钟位置设置监控热电偶，并在内壁方向上距离焊缝边缘t、2t的位置上分别设置监控热电偶。
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