CN111992855A - 马氏体耐热钢g115大径厚壁管道焊接及组合热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及G115大径厚壁管道技术领域，具体涉及新型马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接及组合热处理方法。本发明针对新型马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接过程中易产生质量缺陷的问题，优化坡口设计形式、焊道分布设计，明确焊接及热处理工艺参数选择，保证焊接及热处理质量，解决了新型马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接及热处理工艺不明的问题。

Description

马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接及组合热处理方法

技术领域

本发明涉及G115大径厚壁管道技术领域，具体涉及新型马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接及组合热处理方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2006年起，钢铁研究院依托国际合作项目“650℃蒸汽参数超超临界火电机组锅炉钢品种研发和性能研究”，开展了9％Cr～12％Cr～15％Cr含量650℃耐热钢的成分优化和品种筛选的探索研究，并确定了发展9％Cr含量650℃马氏耐热钢的方向和基本化学成分体系。2009年起，依托国家科技部973计划“耐高温马氏体钢的组织稳定性基础研究”课题，开展了9％Cr含量650℃马氏体耐热钢的高温组织稳定性的基础研究，提出了650℃马氏体耐热钢的“选择性强化设计理论”，成功开发出10Cr9W3Co3VNbCuBN原型钢。2012年起，依托科技部863计划“先进超超临界火电机组关键锅炉管开发”项目，开展了G115钢厚壁大口径管的研发。

G115作为国家目前为630℃-650℃高参数超超临界机组研发的新材料，与SA-335P92相比各项性能指标优异，因此成为当前我国(也是世界)首台630℃超超临界机组主蒸汽管道的唯一候选材料。

目前国内外相关对9Cr-3W-3Co系列马氏体耐热钢研究及基本处于研发阶段的性能研究。G115作为首批我国(也是世界)首台630℃超超临界二次再热机组示范工程主蒸汽管道候选材料，目前处于推广前的试验验证阶段，对于G115钢的焊接及热处理工艺也处于研究阶段。

目前，新型马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接及热处理主要有热丝TIG焊、窄间隙自动焊、焊后单独的中频感应热处理等焊接及热处理工艺。本发明人研究发现：G115钢的焊接及热处理工艺工艺存在以下不足：

(1)坡口制备未充分考虑焊接过程中焊接操作，易损坏焊材且易出现夹杂质量缺陷。

(2)焊缝易产生冷、热裂纹、根部未熔合、夹钨等质量缺陷；

(3)采用中频感应加热方式预热，设备易损坏且容易产生磁场影响焊接质量。

(4)热处理工艺参数不明确，只能借鉴参考执行。

发明内容

针对上述问题，本发明提供马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接及组合热处理方法，该工艺适用于630℃参数超超临界机组新型马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊后热处理，解决了新型马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接过程中焊缝易产生冷、热裂纹、根部未熔合、夹钨等质量缺陷的问题以及焊材易损坏、熔合区易出现夹杂的问题。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接及组合热处理方法，包括步骤：

(1)坡口制备：对焊缝开坡口，然后组对形成U形坡口。

(2)焊前预热：焊接前采用柔性陶瓷电阻加热的方式进行预热，每侧加热宽度每侧不少于4倍壁厚且不少于100mm，预热速度为每小时6250℃/壁厚且不大于150℃/h，预热温度到达后恒温0.5h后，待温度至150℃～250℃时，进入定位焊工序。

(3)定位焊：采用氩弧焊(GTAW)焊接工艺在坡口根部进行定位焊，定位焊不少于4点，定位长度在10～15mm之间，厚度在2.5～3mm之间。

(4)填充及盖面焊接：定位焊完毕后，确认无缺陷后开始根部焊道焊接，继续采用氩弧焊填充一层，电流80～120A，电压12～15V，氩弧焊枪气体保护流量8～12L/min，焊接速度60～100mm/min，根部焊道厚度控制在2.5～3mm，层间温度控制在150～250℃；次层焊道焊接过程中，气室内继续正常充氩气保护根部焊道，保护气体流向调大至15～20L/min，防止出现根部焊道氧化或造内凹等缺陷。

焊接完毕后，预热温度继续升温至200～300℃后，采用手工电弧焊(SMAW)填充焊接，电流110～130A，电压20～22V，焊接速度80～120mm/min。手工电弧焊填充焊接时，严格控制每层的厚度在2.8～3.2mm，宽度控制在焊条直径Φ的3～4倍、焊条熔覆比大于50％；焊接过程中，采用多层多道焊接，接头错开10～15mm，焊条运行至坡口两侧时，调整焊条角度使焊条与焊缝成75°～80°夹角。

(5)焊后低温保护：将焊接接头加热至100℃～120℃，然后用保温部件将接头焊缝包覆在其中进行低温保温。

(6)第一次高温回火：所述低温保温完成后，立即对焊缝进行第一次高温回火，加热宽度以焊缝为中心每侧不少于5倍壁厚，回火温度为740℃～760℃，保温时间为2.5-3.3min/mm，保温完成后降温，即完成第一次高温回火。

(7)对焊缝处进行无损探伤检测，确认焊缝无缺陷，清理干净焊接接头表面，进行第二次高温回火，工艺同步骤(2)。

进一步地，步骤(5)中，所述保温部件为保温棉，其兼具良好的柔软性和保温性能，能够将圆环形焊缝包裹在其中使焊缝进行保温。

进一步地，步骤(5)中，所述加热采用柔性陶瓷电阻加热器进行，低温保温时间为1.8～2.1小时。采用柔性陶瓷电阻的加热方式可使环形焊缝能够同时被均匀加热，确保焊缝各处同时达到设定温度。

进一步地，步骤(6)中，所述第一次高温回火采用中频感应加热装置加热至740℃～760℃，升温速度不大于60℃/h。

进一步地，所述中频感应加热装置的感应线圈与管道间隙为10mm～80mm控制范围内。

进一步地，步骤(6)中，所述保温采用的方式为用保温棉将接头焊缝包覆在其中。

进一步地，步骤(6)中，所述保温棉厚度不小于40mm，保温宽度为焊缝中心每侧不少于7倍壁厚。

进一步地，步骤(6)中，所述降温速度不大于60℃/h。

进一步地，步骤(6)中，低温保温完成后如果无法立即进行第一次回火处理，则在后续需要进行第一次回火处理时，需进行后热工艺，优选地，所述后热工艺的加热温度为300℃～400℃，保温时间为2h。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明针对新型马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接过程中易产生质量缺陷的问题，优化坡口设计形式、焊道分布设计，明确焊接及热处理工艺参数选择，保证焊接及热处理质量，解决了新型马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接及热处理工艺不明的问题。

(2)本发明针对焊后焊缝根部存在的韧性不足、中频感应加热预热不便且易产生磁场影响焊缝质量的问题，采用了柔性陶瓷电阻加热和中频感应加热组合焊后热处理的方式，保证了G115钢大径厚壁管道热处理质量，提高两种热处理设备利用率保证焊缝热处理质量。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1为本发明实施例中马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接的坡口结构示意图。

图2为本发明实施例中马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接时中频感应线圈及保温棉布置示意图；其中，1为管道，2为中频感应线圈，3为保温棉。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。本发明中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。现根据具体实施例对本发明进一步说明。

正如前文所述，目前，G115钢的焊接及热处理工艺工艺存在以下不足：(1)坡口制备未充分考虑焊接过程中焊接操作，易损坏焊材且易出现夹杂质量缺陷。(2)焊缝易产生冷、热裂纹、根部未熔合、夹钨等质量缺陷；(3)采用中频感应加热方式预热，设备易损坏且容易产生磁场影响焊接质量。(4)热处理工艺参数不明确只能借鉴参考执行。为此，本发明提出了一种新型马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接及组合热处理方法，现结合说明书附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

第一实施例

一种马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接及组合热处理方法，以直径530mm，壁厚115mm的G115钢管道1为例，施焊环境温度不低于5℃，施焊区域风速≤2m/s。具体地，所述方法包括如下步骤：

(1)坡口制备：按照图1加工U形坡口，然后组对形成坡口。

(2)焊前预热：焊接前采用柔性陶瓷电阻加热的方式进行预热，每侧加热宽度每侧不少于4倍壁厚，预热过程中控温热电偶应布置在加热区以内，监测热电偶应尽可能靠近待焊坡口，预热速度为60℃/h，采用测温笔测定预热温度到达后恒温0.5h后，待温度至150℃～180℃时，进入定位焊工序。

(3)定位焊：采用GTAW焊接工艺在坡口根部进行定位焊，定位焊不少于4点，定位长度为15mm，厚度为2.5mm。

(4)填充及盖面焊接：定位焊完毕后，确认无缺陷后开始根部焊道焊接，继续采用氩弧焊填充一层，电流100A，电压14V，氩弧焊枪气体保护流量8L/min，焊接速度60mm/min，根部焊道厚度控制在3mm，层间温度控制在150℃；次层焊道焊接过程中，气室内继续正常充氩气保护根部焊道，保护气体流向调大至20L/min，防止出现根部焊道氧化或造内凹等缺陷。

焊接完毕后，预热温度继续升温至270～300℃后，采用SMAW填充焊接，采用Φ3.2mm CHH767焊条，电流125A，电压20V，焊接速度100mm/min。手工电弧焊填充焊接时，严格控制每层的厚度在2.8～3.2mm之间，宽度控制在焊条直径Φ的3～4倍、焊条熔覆比大于50％；焊接过程中，采用多层多道焊接，接头错开15mm，焊条运行至坡口两侧时，根据焊接深度适当调整焊条角度，使焊条与焊缝成75°～80°夹角。

(5)焊接完成立即对焊缝进行焊后低温保护：采用柔性陶瓷电阻加热器环绕焊缝一圈，在焊缝处设置测控温热电偶，将焊缝加热至115℃～120℃之间，然后用保温棉3将焊缝包裹在其中进行低温保护，时间2小时。

(6)步骤(1)的低温保护后，拆除保温棉3、柔性陶瓷电阻加热器、测控温热电偶，然后在焊缝处布置中频感应加热装置，感应线圈与管道间隙为50mm，管道1的两头用铁皮封堵以减少散热，感应线圈2和保温棉3位置如图2所示，完成后准备进入第一次高温回火工序。

(7)开始第一次高温回火处理：中频感应加热装置的加热宽度以焊缝为中心每侧不少于5倍壁厚δ，升温速度不大于60℃/h，将焊缝处加热至740℃～760℃之间，然后用40mm厚度的保温棉将焊缝包裹在其中进行保温，保温时间按照3min/mm(焊缝周长)计算，保温宽度每侧不少于7倍壁厚δ。

(8)第一次高温回火热处理完毕后，进行无损探伤检测，确认焊缝无缺陷。

(9)清理干净焊接接头表面，进行第二次高温回火处理，处理工艺同步骤(3)，完成后即得。

第二实施例

一种马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接及组合热处理方法，以直径530mm，壁厚115mm的G115钢管道1为例，施焊环境温度不低于5℃，施焊区域风速≤2m/s。具体地，所述方法包括如下步骤：

(1)坡口制备：按照图1加工U形坡口，然后组对形成坡口。

(2)焊前预热：焊接前采用柔性陶瓷电阻加热的方式进行预热，每侧加热宽度每侧不少于4倍壁厚，预热过程中控温热电偶应布置在加热区以内，监测热电偶应尽可能靠近待焊坡口，预热速度为55℃/h，采用测温笔测定预热温度到达后恒温0.5h后，待温度至230℃～250℃时，进入定位焊工序。

(3)定位焊：采用GTAW焊接工艺在坡口根部进行定位焊，定位焊不少于4点，定位长度为12mm，厚度为3mm。

(4)填充及盖面焊接：定位焊完毕后，确认无缺陷后开始根部焊道焊接，继续采用氩弧焊填充一层，电流80A，电压12V，氩弧焊枪气体保护流量12L/min，焊接速度100mm/min，根部焊道厚度控制在3mm，层间温度控制在250℃；次层焊道焊接过程中，气室内继续正常充氩气保护根部焊道，保护气体流向调大至15L/min，防止出现根部焊道氧化或造内凹等缺陷。

焊接完毕后，预热温度继续升温至250～280℃后，采用SMAW填充焊接，采用Φ3.2mm CHH767焊条，电流110A，电压22V，焊接速度80mm/min。手工电弧焊填充焊接时，严格控制每层的厚度在2.8～3.2mm之间，宽度控制在焊条直径Φ的3～4倍、焊条熔覆比大于50％；焊接过程中，采用多层多道焊接，接头错开12mm，焊条运行至坡口两侧时，根据焊接深度适当调整焊条角度，使焊条与焊缝成75°～80°夹角。

(5)焊接完成立即对焊缝进行焊后低温保护：采用柔性陶瓷电阻加热器环绕焊缝一圈，在焊缝处设置测控温热电偶，将焊缝加热至105℃～110℃之间，然后用保温棉3将焊缝包裹在其中进行低温保护，时间2小时。

(6)步骤(1)的低温保护后，拆除保温棉3、柔性陶瓷电阻加热器、测控温热电偶，然后在焊缝处布置中频感应加热装置，感应线圈与管道间隙为80mm，管道1的两头用铁皮封堵以减少散热，感应线圈2和保温棉3位置如图2所示，完成后准备进入第一次高温回火工序。

(7)开始第一次高温回火处理：中频感应加热装置的加热宽度以焊缝为中心每侧不少于5倍壁厚δ，升温速度不大于60℃/h，将焊缝处加热至740℃～760℃之间，然后用40mm厚度的保温棉将焊缝包裹在其中进行保温，保温时间按照3min/mm(焊缝周长)计算，保温宽度每侧不少于7倍壁厚δ。

(8)第一次高温回火热处理完毕后，进行无损探伤检测，确认焊缝无缺陷。

(9)清理干净焊接接头表面，进行第二次高温回火处理，处理工艺同步骤(3)，完成后即得。

第三实施例

一种马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接及组合热处理方法，以直径530mm，壁厚115mm的G115钢管道1为例，施焊环境温度不低于5℃，施焊区域风速≤2m/s。具体地，所述方法包括如下步骤：

(1)坡口制备：按照图1加工U形坡口，然后组对形成坡口。

(2)焊前预热：焊接前采用柔性陶瓷电阻加热的方式进行预热，每侧加热宽度每侧不少于4倍壁厚，预热过程中控温热电偶应布置在加热区以内，监测热电偶应尽可能靠近待焊坡口，预热速度为80℃/h，采用测温笔测定预热温度到达后恒温0.5h后，待温度至190℃～220℃时，进入定位焊工序。

(3)定位焊：采用GTAW焊接工艺在坡口根部进行定位焊，定位焊不少于4点，定位长度为10mm，厚度为3mm。

(4)填充及盖面焊接：定位焊完毕后，确认无缺陷后开始根部焊道焊接，继续采用氩弧焊填充一层，电流120A，电压15V，氩弧焊枪气体保护流量10L/min，焊接速度90mm/min，根部焊道厚度控制在3mm，层间温度控制在180℃；次层焊道焊接过程中，气室内继续正常充氩气保护根部焊道，保护气体流向调大至18L/min，防止出现根部焊道氧化或造内凹等缺陷。

焊接完毕后，预热温度继续升温至200～230℃后，采用SMAW填充焊接，采用Φ3.2mm CHH767焊条，电流110A，电压22V，焊接速度120mm/min。手工电弧焊填充焊接时，严格控制每层的厚度在2.8～3.2mm之间，宽度控制在焊条直径Φ的3～4倍、焊条熔覆比大于50％；焊接过程中，采用多层多道焊接，接头错开10mm，焊条运行至坡口两侧时，根据焊接深度适当调整焊条角度，使焊条与焊缝成75°～80°夹角。

(5)焊接完成立即对焊缝进行焊后低温保护：采用柔性陶瓷电阻加热器环绕焊缝一圈，在焊缝处设置测控温热电偶，将焊缝加热至100℃～110℃之间，然后用保温棉3将焊缝包裹在其中进行低温保护，时间2小时。

(6)步骤(1)的低温保护后，拆除保温棉3、柔性陶瓷电阻加热器、测控温热电偶，然后在焊缝处布置中频感应加热装置，感应线圈与管道间隙为10mm，管道1的两头用铁皮封堵以减少散热，感应线圈2和保温棉3位置如图2所示，完成后准备进入第一次高温回火工序。

(7)开始第一次高温回火处理：中频感应加热装置的加热宽度以焊缝为中心每侧不少于5倍壁厚δ，升温速度不大于60℃/h，将焊缝处加热至740℃～760℃之间，然后用40mm厚度的保温棉将焊缝包裹在其中进行保温，保温时间按照3min/mm(焊缝周长)计算，保温宽度每侧不少于7倍壁厚δ。

(8)第一次高温回火热处理完毕后，进行无损探伤检测，确认焊缝无缺陷。

(9)清理干净焊接接头表面，进行第二次高温回火处理，处理工艺同步骤(3)，完成后即得。

经过测试，上述实施例制备的焊缝质量良好，焊缝没有产生冷、热裂纹以及根部未熔合、夹钨等质量缺陷，能够满足新型马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接的质量要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.马氏体耐热钢G115大径厚壁管道焊接及组合热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)坡口制备：对焊缝开坡口，然后组对形成U形坡口；

(2)焊前预热：焊接前采用柔性陶瓷电阻加热的方式进行预热；

(3)定位焊：采用氩弧焊焊接工艺在坡口根部进行定位焊；

(4)填充及盖面焊接：定位焊完毕后，确认无缺陷后开始根部焊道焊接；焊接完毕后进行填充焊接；

(5)焊后低温保护：将焊接接头加热至100～120℃，然后用保温部件将接头焊缝包覆在其中进行低温保温；

(6)第一次高温回火：所述低温保温完成后，立即对焊缝进行第一次高温回火，回火温度为740～760℃，保温时间为2.5-3.3min/mm，保温完成后降温；

(7)对焊缝处进行无损探伤检测，确认焊缝无缺陷，清理干净焊接接头表面，进行第二次高温回火，工艺同步骤(2)。

2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤(2)中，每侧加热宽度每侧不少于4倍壁厚且不少于100mm，预热速度为每小时6250℃/壁厚且不大于150℃/h，预热温度到达后恒温0.5h后，待温度至150～250℃时，进入定位焊工序。

3.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤(3)中，定位焊不少于4点，定位长度在10～15mm之间，厚度在2.5～3mm之间。

4.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤(4)中，进行根部喊道焊接时，继续采用氩弧焊填充一层，电流80～120A，电压12～15V，氩弧焊枪气体保护流量8～12L/min，焊接速度60～100mm/min，根部焊道厚度控制在2.5～3mm，层间温度控制在150～250℃；次层焊道焊接过程中，气室内继续正常充氩气保护根部焊道，保护气体流向调大至15～20L/min。

5.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤(4)中，预热温度继续升温至200～300℃后，采用手工电弧焊填充焊接，电流110～130A，电压20～22V，焊接速度80～120mm/min；手工电弧焊填充焊接时，严格控制每层的厚度在2.8～3.2mm，宽度控制在焊条直径Φ的3～4倍、焊条熔覆比大于50％；焊接过程中，采用多层多道焊接，接头错开10～15mm，优选地，焊条运行至坡口两侧时，调整焊条角度使焊条与焊缝成75°～80°夹角。

6.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤(5)中，所述保温部件为保温棉。

7.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤(5)中，所述加热采用柔性陶瓷电阻加热器进行，低温保温时间为1.8～2.1小时。

8.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤(6)中，所述第一次高温回火采用中频感应加热装置加热至740～760℃，升温速度不大于60℃/h。

9.根据权利要求8所述的热处理方法，其特征在于，所述中频感应加热装置的感应线圈与管道间隙为10～80mm控制范围内。

10.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤(6)中，加热宽度以焊缝为中心每侧不少于5倍壁厚。

11.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤(6)中，所述保温采用的方式为用保温棉将接头焊缝包覆在其中。

12.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤(6)中，所述保温棉厚度不小于40mm，保温宽度为焊缝中心每侧不少于7倍壁厚。

13.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤(6)中，所述降温速度不大于60℃/h。

14.根据权利要求1-13任一项所述的热处理方法，其特征在于，步骤(6)中，低温保温完成后如果无法立即进行第一次回火处理，则在后续进行第一次回火处理时，进行后热工艺。

15.根据权利要求14所述的热处理方法，其特征在于，所述后热工艺的加热温度为300～400℃，保温时间为2h。

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