SA335-P92钢焊后数字式照度计热处理方法及工艺研究
本文对大口径厚壁管道焊后数字式照度计热处理工艺进行了较为深入的研究。研究中对比了电阻加热数字式照度计设备与电感应加热设备在对大口径厚壁管数字式照度计热处理时造成内外壁温差的试验，试验数据表明目前电站广泛使用的数字式照度计电阻加热设备热处理时会造成局部内外壁温差过大的现象，这对热处理温度特别敏感的数字式照度计P92钢十分不利，而采用先进的电感应加热设备内外壁温差<20℃,可确保P92钢焊后热处理整个焊接接头性能的均匀性，特别是焊缝根部的冲击韧性。本文还重点介绍了Proheat35型电感应加热设备在外高桥三期工程中对数字式照度计P92钢热处理的应用及工艺的改进。
关键词：P92钢、热处理、电阻加热、数字式照度计电感应加热
1．大口径厚壁管数字式照度计热处理工艺研究
1．1现电站安装施工中大口径厚壁管道焊后数字式照度计热处理设备应用情况
自上世纪八十年代起，电站安装施工中大口径厚壁管道焊后热处理设备，由原工频、中频电感应热处理设备逐渐被柔性陶瓷数字式照度计电阻加热设备所取代，现使用的柔性陶瓷电阻加热设备又配备了微电脑控温装置，目前已是电站安装单位热处理的主力设备。
原工频或中频热处理设备，由于其加热块笨重，操作不便，中频热处理后局部有集肤效应现象，加热块又为裸露件，操作时很不安全，加上设备结构复杂、成本高、维修困难，逐渐被淘汰。而柔性陶瓷加热设备操作便捷、通用性强，并配有微电脑控温装置、能自动控制热处理设备的输出电流，使工件热处理符合规范要求，所以施工单位现场热处理全部采用柔性陶瓷电阻加热设备。
柔性陶瓷电阻加热设备 DWK系列示意图见图1、图2，原工频电感应加热设备见图3。
1.2 柔性陶瓷电阻加热法与电感应加热法的原理及其对P92钢大口径厚壁管道焊后热处理时可能存在的问题
（1）柔性陶瓷电阻加热法是辐射加热。其加热原理是从加热器发出的热能以辐射的形式传到工件的外表面，依靠金属导热，从外表面向内部传导。
（2）电感应加热是钢材在交变磁场中产生感应电势，感应电势在金属内部产生涡流和磁滞，在涡流和磁滞的作用下，使钢材发热。
（3）P92钢的最佳热处理温度为760±10℃，也就是说，热处理温度的上限为770℃，下限为750℃。热处理温度范围相对比较窄，在这一温度范围内，P92钢焊接接头焊后数字式照度计热处理才能获得良好的综合性能，特别是焊缝的冲击韧度。
（4）目前，现场焊后热处理广泛采用的柔性陶瓷电阻加热设备，从原理上分析，这种从外表面向内部传导热能的方法，对大口径厚壁管很可能会造成内、外壁温差过大的现象，而这种过大的温差对温度特别敏感的P92钢而言，是对冲击韧度不利的。而电感应加热法，从原理上讲，它的热源来自由金属内部产生的涡流和磁滞作用使材料发热，这种数字式照度计热处理法对大口径厚壁管造成的内、外壁温差应该小，对温度敏感的P92钢焊接接头热处理应该有利，见图4。
图4 电感应加热原理
1.3柔性陶瓷电阻加热和工频电感应加热在Φ420×70mm、长680mm的P22管上热处理试验
（1）试验目的
a. 测两种加热方法的内、外壁温差
b. 测等效点的温度
注：等效点 — 根据shifrin的研究结果，只要加热带的宽度在5倍壁厚以上，外表面距焊缝中心线的轴向距离为t的位置大致与内表面焊缝根部的温度相等。（t为壁厚）
（2）热电偶布置
在试验管的同一截面上共布置了七个测温点，在离截面一倍壁厚70mm处设一等效点、50mm和90mm处再各设一个点，共10个测温点。测温点布置示意图见图5所示，实际的热电偶布置情况如图6所示。
图6 Φ420×70mm管上热电偶的布置情况
（3）柔性陶瓷电阻加热法
a. 工件加热至770℃×4h，测得的各点温度如表1所示。加热宽度500mm，管两端用保温棉堵上。
表1：加热至770℃×4h，各点的温度值
测点编号 温度（℃） 测点编号 温度
17706740
27707740
37708738
47709738
572010738
b. 测得的管内、外壁温差及等效点（#8）与内壁（#5）的温差：
#1点 - #5点 = 770℃ - 720℃ = 50℃
#3点 - #6点 = 770℃ - 740℃ = 30℃
等效点#8点 - 内壁#5点 = 738℃ - 720℃ = 18℃
柔性陶瓷电阻加热实际情况照片如图7所示。
图7 柔性陶瓷电阻加热设备 DWK系列
（4）工频电感应加热
a. 工件加热至765℃×4h，测得的各点温度如表2所示。加热宽度500mm，13匝，管两端用保温棉堵上。
表2：加热至770℃×4h，各点的温度值
测点编号 温度（℃） 测点编号 温度
17656760
27657749
37658759
47709760
574710760
b. 测得的管内、外壁温差及等效点（#8）与内壁（#5）的温差：
#1点 - #5点 = 765℃ - 747℃ = 18℃
#3点 - #6点 = 765℃ - 760℃ = 5℃
等效点#8点 - 内壁#5点 = 759℃ - 747℃ = 12℃
工频电感应加热实际情况照片 图8
图8 工频电感应加热实际情况
（5）结论
a. 两种加热法在水平固定位置上测得的同一截面周向外壁温度基本相同（#1～#4点的温度），而径向方向上的内壁温度处于不均匀状态，其内、外壁温差因加热方法不同相差悬殊。
b. 在试验条件相同的情况下，工频电感应加热法测得的内外壁温差明显小于柔性陶瓷数字式照度计电阻加热法。工频电感应加热法测得的内外壁温差﹤20℃，这对焊后数字式照度计热处理温度要求特别敏感的数字式照度计P92钢十分重要。
c. 等效点#8点的温度与管内壁#5点的温差，工频电感应法比柔性陶瓷电阻加热法温差值小，但均大于10℃以上。
d. 试验测得的数据证明，电感应加热法无论从理论还是实践上，该方法在大口径厚壁管的热处理效果要优于目前广泛使用的柔性陶瓷电阻加热法。
1.4 Proheat 35型电感应加热设备与柔性陶瓷电阻加热设备在Φ558×90mm P22管上的热处理试验
（1）前一轮的热处理试验，由于是在Φ420×70mm、长680mm的一段短管上进行的，与外高桥三期工程主蒸汽管Φ546×92mm相差甚远，所得的数据代表性还不够强。同时，采用的工频电感应加热设备极其落后，无法在工程中加以应用。但前一轮试验有一点是可以肯定的，那就是电感应加热法对大口径厚壁管测得的内外壁温差要比现在广泛使用的柔性陶瓷数字式照度计电阻加热设备来得小，对焊后热处理温度特别敏感的数字式照度计P92钢十分有利。
（2）Proheat 35型电感应加热设备
Proheat 35型电感应加热设备是由美国米勒公司生产的，当今世界上最先进的热处理设备之一。该设备是电感应加热，其原理是：热源从工件的近表面发热，向工件内部传导。其功率为35kW，频率0.5～3万HZ，属高频感应加热。加热时，输出电流、电压、频率和功率通过微电脑自动匹配，所有数据均为电脑储存。加热导线为柔性线，内通水冷却。保温棉为耐高温、可重复使用的环保型产品，见图9。
图9 Proheat 35型电感应加热设备
（3）为了使这一轮的对比试验更接近实际，测得的数据更具有代表性，我们从现场运来了一根长3.15m，规格为Φ558×90mm的P22材质大口径管。该试验管的规格与外高桥三期工程主蒸汽管Φ546×92mm非常接近，试验所测得的数据应该很有说服力，见图10。
热电偶的布置：在试验管Φ558×90mm，长3.15m的一端800mm处的截面上，在平焊和仰焊位置的内、外壁各布置一个测温点。距截面一倍壁厚90mm处布置一个等效测温点。热
电偶布置示意图如图11所示，实际的热电偶布置情况见图12。
图10 Φ558×90mm、3.15m P22大口径管
e. 重复试验测得的各点数据，参见表4。
表4：加热至770℃×2h 时，测得各点的数据
测温点 #1#2#3#4#5
温度 770℃770℃754℃756℃768℃
f. 管内、外壁温差：
#1点 - #3点 = 770℃ - 754℃ = 16℃
#2点 - #4点 = 770℃ - 756℃ = 14℃
g. 等效点#5与#3点的温差：
#5点 - #3点 = 768℃ - 754℃ = 14℃ #5点 - #3点 = 769℃ - 750℃ = 19℃
实际测得的数据照片见图13。
e. 重复试验测得的各点数据，参见表4。
表4：加热至770℃×2h 时，测得各点的数据
测温点 #1#2#3#4#5
温度 770℃770℃754℃756℃768℃
f. 管内、外壁温差：
#1点 - #3点 = 770℃ - 754℃ = 16℃
#2点 - #4点 = 770℃ - 756℃ = 14℃
g. 等效点#5与#3点的温差：
#5点 - #3点 = 768℃ - 754℃ = 14℃
（5）柔性陶瓷电阻加热设备（DWK-180）在Φ558×90mm管上测得的各点数据
a. 加热宽度为640mm，管两端用保温棉堵住，中间形成1400mm长的小室。
b. 当试验加热至769℃×3h时，测得各点的数据如表5所示。
表5：加热至769℃×3h 测得各点的数据
测温点 #1#2#3#4#5
温度 769℃ 769℃ 736℃ 715℃ 769℃
c. 管内、外壁温差：
#1点 - #3点 = 769℃ - 736℃ = 33℃
#2点 - #4点 = 769℃ - 715℃ = 54℃
d. 等效点#5点与#3点的温差：
#5点 - #3点 = 769℃ - 736℃ = 33℃
（6）结论
a. Proheat 35型电感应加热设备与柔性陶瓷电阻加热设备，在Φ558×90mm管水平固定位置上测得的同一截面上周向外壁温度相同，温度属均态分布。而径向方向（壁厚方向）内壁温度处于不均匀状态，其内外壁温差因加热方法不同相差悬殊，电感应加热，管内外壁温差远比柔性陶瓷电阻加热小。这一现象与第一轮试验结果完全吻合。
b．Proheat 35型电感应加热设备在Φ558×90mm管上试验所测得的内外壁温差﹤20℃，而柔性陶瓷电阻加热设备在相同试验条件下测得的内外壁温差最小为33℃，最大为54℃。
c. 试验表明如在外高桥三期工程主蒸汽管Φ546×92mm的P92钢焊后热处理时，采用Proheat 35型电感应加热设备，能有效地保证P92大口径厚壁管热处理温度控制在760±10℃范围之内，从而确保P92钢整个焊接接头内外部的力学性能，特别是焊缝根部的冲击韧度。
d. Proheat 35型电感应加热设备属高频感应加热，其集肤效应现象在试验中并不明显。
e. 试验结果表明，等效点的测试温度值与内壁测试温度值存在着较大的差距，等效点的温度实际上是受多种因素影响，如加热方法、管径、壁厚、管内气流等。所以这一点与理论上有差异，实际施工中该点不能真正等效内壁的温度。
2．Proheat 35型电感应加热设备在P92钢管中的应用
2．1 P92钢焊后热处理的敏感温度
P92钢的含Cr量为9%、含W量为1.7%左右，由于该材料合金成分含量高，而且有一定量的W元素，有可能导致该钢材对焊后热处理温度特别敏感。在对现场P92钢Φ456×65mm口径焊接接头焊后热处理时发现，当Proheat 35型电感应加热设备温度升至740℃至748℃时，升温速度减慢，该温度范围可能就是P92钢焊后热处理的敏感温度区域。那么，Proheat 35型电感应加热设备能否应用于P92钢的焊后热处理呢？为此，在试验室对Φ360×56mm P92钢管用35型电感应设备做热处理试验见图14。试验结果证明，使用Proheat 35型电感应加热设备完全能将P92钢焊接接头温度升至770℃。但当温度升至740℃功率由35.1kw降至33kw，升温速度减慢，但持续一段时间后又开始升温，升至设定的770℃时，功率为19.1kw。
图14 试验室采用35型电感应设备对Φ360×56mm P92钢管热处理
2．2 Proheat 35型电感应加热设备在P92钢中的应用
安装现场的工况条件远比试验室来得恶劣，施工现场焊后热处理工件的散热状况比试验中的模拟件来得复杂，加上P92钢对焊后热处理温度的敏感性，安装现场使用Proheat 35型电感应加热设备对P92钢大口径厚壁管做焊后热处理远比想象中复杂，难度要大很多。
为了解决施工中恶劣条件给热处理造成的困难，充分发挥Proheat 35型电感应加热设备对大口径厚壁管热处理时可有效地控制管内外壁温差﹤20℃这一优势，并针对P92钢对740℃至748℃温度敏感这一特点，在对大口径厚壁管P92钢焊后热处理时，在热处理工艺上进行了改进。
（1）Φ420×85mmP92钢的焊后热处理工艺
在对三级过热器出口端Φ420×85mmP92钢焊后热处理时，在焊缝区400mm范围内采用Proheat 35型电感应加热设备作为主加热区，在紧靠主加热区旁两侧附以小功率电阻加热块筑起一道热坝（Heat Dam）与主加热设备同步进行加热或迟后加热，并使热坝区温度严格控制在670℃至680℃范围内，当主加热区温度达到765℃恒温2小时时，可切断两侧热坝区电源，热坝区停止加热，完成使命。以后完全依靠Proheat 35型电感应加热设备加热，使主加热区温度有效地控制在765℃。这种热处理方法在对Φ420×85mmP92钢焊接接头热处理时，取得了很好的效果。
加热区 610
85
热坝区 主加热区 400
主加热区 采用Proheat 35型电感应加热设备 加热宽度 400mm 12匝
热坝区 采用电阻加热块 加热宽度 每侧85mm 5kw
（2）热坝区的布置及温度的设置
a. 热坝区位置的布置：
热坝区位置布置在主加热区旁距焊缝边缘200～250mm左右处，与主加热区的外侧线圈留出一定的距离，以避免加热块加热时损坏线圈的绝缘层。
b. 热坝区温度的设置：
热坝区温度设置在670示意图" hspace=12 src="file:///C|/Documents and Settings/Administrator/Application Data/Adobe/Dreamweaver CS4/zh_CN/OfficeImageTemp/clip_image054_0001.gif" width=350 align=left>
主加热区 采用Proheat 35型电感应加热设备 加热宽度 400mm 12匝
热坝区 采用电阻加热块 加热宽度 每侧85mm 5kw
（2）热坝区的布置及温度的设置
a. 热坝区位置的布置：
热坝区位置布置在主加热区旁距焊缝边缘200～250mm左右处，与主加热区的外侧线圈留出一定的距离，以避免加热块加热时损坏线圈的绝缘层。
b. 热坝区温度的设置：
热坝区温度设置在670℃至680℃范围内效果明显。热坝区可以与主加热区同步进行加热，也可以迟后于主加热区，或当主加热区温度升至740℃时，再启动热坝区加热，这三种情况均可以。当主加热区温度升至765℃时，热坝区可以在2小时后切断电源，以后由Proheat 35型电感应加热设备继续工作。
（3）主加热区Proheat 35型电感应加热设备使用情况
主加热区的加热宽度为400mm，共绕12匝，升温速度﹤150℃/h，温度升至740℃至765℃时主要参数如下：
温度 主 要 参 数
电流（A） 电压（V） 功率（kw） 频率（kHz）
740℃ 29870022.711.5
755℃ 29970022.311.5
765℃ 30070020.311.6
在Φ420×85mm P92钢焊接接头焊后热处理时，温度从740℃升至755℃，再到765℃时，整个升温过程十分平稳，特别是进入敏感温度区域没有出现升温速度减慢的现象，整个焊接接头设置的三个测温点均按设定温度达到765℃。在切断热坝区电源后，电感应加热设备按设定的765℃保温8小时的程序正常工作。保温期间加热设备显示仪上显示的电流、电压、功率和频率自动匹配，并始终使工件的温度稳定在设定的765℃范围内，见图15。
图15 现场采用35型电感应设备附热坝对Φ460×85mm P92钢管热处理
经该工艺热处理后，Φ420×85mm P92钢焊接接头的硬度检验值：
焊缝区 HB231 HB230 HB221平均值 HB227
母材一侧 HB197 HB199 HB210平均值 HB202
母材另一侧 HB190 HB198 HB196平均值 HB195
（4）Φ546×92mm P92钢的焊后热处理
采用类似工艺在主蒸汽管规格为Φ546×92mm（实测壁厚为100mm）的焊口焊后热处理时，主加热区的加热温度为760℃，恒温8小时，此时电感应加热设备的功率为22kw。见图16和图17
经该工艺热处理后，Φ546×92mm P92钢焊接接头的硬度检验值（2G）：
焊缝区 HB239 HB227 HB224平均值 HB230
母材一侧 HB201 HB196 HB205平均值 HB201
母材另一侧 HB208 HB202 HB210平均值 HB207
经该工艺热处理后，Φ546×92mm P92钢焊接接头的硬度检验值（5G）：
焊缝区 ED后，业主对此十分重视，还要求我们施工单位在再热热段P92钢管Φ747×40mm管系上也使用该设备进行焊后热处理。
2．5 结论
（1）P92钢大口径厚壁管道焊后热处理采用Proheat 35型电感应加热设备并附以热坝区可有效地解决P92钢热处理敏感温度区域导致升温速度减慢的问题，使主加热区在加热宽度比较窄的情况下，可充分发挥Proheat 35型电感应加热的作用，使大口径厚壁管内外壁温差严格控制在﹤20℃的范围，从而确保P92钢焊接接头的质量，特别是焊缝根部韧性指标。
（2）这种热处理工艺对复杂结构的大口径厚壁管件如大容量机组的三通构件和特殊钢材对热处梨6.jpg" width=283>
图16 Φ546×92mm P92钢 2G焊口 图17 Φ546×92mm P92钢 5G焊口
2．3 P92钢大口径厚壁管采用Proheat 35型电感应加热设备附热坝区热处理工艺的优点
（1）在主加热区采用Proheat 35型设备的周围筑起一道热坝（Heat Dam）可以使大厚壁工件在加热过程中减缓热量沿管道轴向和径向方向上的散热速度，减小管内空气流动时的热量损耗。这种热处理工艺对P92钢热处理敏感温度的作用特别有效，可避免P92钢加热温度到达敏感温度区域时使升温速度减慢的现象，从而确保主加热区的热量更加集中。
（2）可减小整个焊接接头加热区宽度的范围，在此宽度范围内充分发挥Proheat 35型电感应加热使厚壁管内外壁温差﹤20℃的优势，确保焊接接头的热处理质量。
（3）可以取消以往大口径厚壁管热处理时在管道内安装隔离小室所使用的封堵器具，使操作便捷，工艺简化。
2．4 Proheat 35型电感应加热设备在其他管线上的应用
除P92钢外其他钢种热处理时，使用Proheat 35型电感应加热设备不需要设热坝区，如Proheat 35型设备在本工程中应用于Φ726×90mm 的碳钢下降管、Φ610×65mmWB36主给水管道的焊口就是很好的例子。Proheat 35型电感应加热设备在施工现场受到热处理工们的青睐，因为它热处理效果好，操作简便无污染。该设备成功应用于Φ420×85mm P92钢主蒸汽管焊后热处理后，业主对此十分重视，还要求我们施工单位在再热热段P92钢管Φ747×40mm管系上也使用该设备进行焊后热处理。
2．5 结论
（1）P92钢大口径厚壁管道焊后热处理采用Proheat 35型电感应加热设备并附以热坝区可有效地解决P92钢热处理敏感温度区域导致升温速度减慢的问题，使主加热区在加热宽度比较窄的情况下，可充分发挥Proheat 35型电感应加热的作用，使大口径厚壁管内外壁温差严格控制在﹤20℃的范围，从而确保P92钢焊接接头的质量，特别是焊缝根部韧性指标。
（2）这种热处理工艺对复杂结构的大口径厚壁管件如大容量机组的三通构件和特殊钢材对热处理温度具有敏感性的材料的现场热处理开创了一条新的热处理途径。同时可取消以往对大口径厚壁管热处理时管内设置封堵器具。
（3）Proheat 35型电感应加热设备热处理时的加热宽度可适当减少，同样可获得优质的热处理焊接接头，这种设备操作简便，属于环保和节能型热处理设备