P91炉管焊接热处理后硬度值偏低的分析处理

P91炉管焊接热处理后硬度值偏低的分析处理

柳森

内蒙古第一电力建设工程有限责任公司 内蒙古包头 014030

摘要：电站锅炉受热面管屏失效类型多种多样，其中异种钢焊接接头开裂泄漏是受热面管屏泄漏的一种常见原因。异种钢焊接接头出现失效较多的是铁素体钢与奥氏体钢的焊接接头，此类焊接接头多采用镍基焊丝。其成分与焊接接头两侧的母材差异较大，尤其铁素体一侧的熔合线两侧会形成一种异质界面。该异质界面两侧由于相成分的差异，其结合力较弱；两侧材料的热膨胀系数不同，机组热负荷变化时会产生较大的热应力；两侧材料化学电位存在差异，在腐蚀性环境中易产生电化学腐蚀。

关键词：P91炉管焊接；硬度值低；原因分析

引言

火电厂锅炉和汽机管道都存在异种钢的焊接，异种钢焊接最关注的是可靠性和使用寿命问题。相对于同种钢焊接而言，其焊接热处理规范对异种钢焊接接头的组织、残余应力等会带来更复杂的影响，热处理不当会加速火电站异种钢焊接接头的早期失效，甚至造成事故。

1发现问题

某石化企业乙烯装置2#裂解炉管烧焦时出现燃烧，导致对流段部分P91（φ73mm×9.5mm）炉管损坏需要焊接更换。检维修单位经过10多天抢修，62道焊缝焊接完成经焊接热处理后，硬度检测发现有7道焊接接头热影响区硬度值偏低，不能满足DL/T869—2012《火力发电厂焊接技术规程》硬度在180～270HBW的要求。（最好换成电力的内容）

2硬度检验的意义

在电建施工中，硬度检验是验证热处理施工质量的一种最基础的检验手段，但在实际检验中因检验人员对硬度检测的重要性认识不足，硬度检测往往不被重视，存在较大的安全风险。即使进行了硬度检验，对检验结果也往往缺乏必要的分析和判定，导致实际检验中硬度检验失去了应有的作用和意义。焊接接头硬度值偏高，使金属材料变得硬而脆，塑性和冲击韧性均会降低，抵抗可能因温度变化、应力集中、冲击荷载作用力下的抗断裂能力也会降低。焊接接头硬度值过低，塑性很好，但是强度就变得很差，在机组运行过程中由于温度、压力较高，可能会出现鼓包现象，严重会引起爆管，造成泄露，机组停炉。

3原因分析

3.1施工前准备

检维修单位焊接施工前，依据相关标准规范和现场实际制定了详细的焊接施工方案。从下料、坡口制备、原材料硬度检测、焊口组对、背面充氩保护、预热、焊接顺序编排、焊接、层间温度控制、后热、RT检测、焊后热处理及硬度检测等方面制定了严格的施工顺序，全部采用手工钨极氩弧焊焊接。施工方案的制定符合标准要求和现场实际需要。报审并得到业主批准的焊接工艺评定能够覆盖实际焊接施工要求。检维修单位根据审批合格的焊接工艺评定报告编制了《焊接工艺卡》及《焊接热处理工艺卡》，满足现场实际焊接施工的需要。拟选用的焊接材料、焊接热处理设备、硬度检测仪、焊工资质都符合焊接施工质量要求。

3.2现场焊接

在焊接之前，坡口会完全按照焊接流程所决定的形状进行磨削，并会进行干涉检查以确保坡口的质量。在比较炉膛总成之前，应采取透水球性检查、压缩空气湿度等措施，以消除管坯和污染。分组配对时，应特别注意焊缝中的间隙、缺陷边数的差异以及组完成后焊缝的位置。对于炉焊前预热，管道内不得有龙卷风，层之间的温度受到严格控制，焊接由短弧进行，摆动减少以减小焊线强度。焊接后紧接着热处理曲线进行热处理，并确定硬度值。钎焊接头需要重新加热。完成焊接后未进行及时热处理的焊接，应在加工后立即进行处理。最后使用射线确定焊缝仅限于缺陷，且不能加工两次以上。

3.3炉管坡口加热次数

由于第一次使用库存180°回弯头更换，焊接及热处理完成后，硬度检测发现180°回弯头侧热影响区及母材硬度都很低，个别部位最低至103HBW。经全部检测，库存的180°头硬度全部低于标准值，导致已经焊接完成的焊口全部割除，重新采购180°回弯头更换。因上述出现180°回弯头原材料硬度值低不符合标准要求而导致割口更换新的180°回弯头，这样割口后的炉管至少被重复加热3次（2次焊接、1次焊接热处理），如包括割口前的焊接热处理以及可能出现的焊接返修，有些焊口被重复加热了5～6次。热影响区硬度值最低的34#焊口就是焊接返修焊口。炉管P91材质属于中合金Cr-Mo钢，回火状态供货，其直径小、壁厚薄对温度敏感性强，多次重局部焊接和热处理不均匀加热一定会破坏原有的金相组织，从而影响其强度、硬度等机械性能。

3.4强度试验

锅炉管道及相关管道温度较高，大多由合金钢制成，墙壁较厚。管道系统的密封面呈环形连接，需要高导盲层。该试验介质通常与在低于5℃的温度和大于25×10-6℃的氯浓度下设计的清洁水混淆。水压试验是控制加热水箱安装的重要质量控制措施，主要步骤:打开排气阀，将进气阀充入管，空气净化装置，安装符合规范的压力清单，关闭排气阀，关闭进气阀。测试泵投入使用后，缓慢地施加设计压力，压10分钟，检查低压、泄漏等偏差，降低设计压力，30分钟压后对射流软管和焊缝进行彻底检查，检查低压、无泄漏、无焊接和无变形。

4影响里氏硬度计检验结果的因素

基建期现场施工影响里氏硬度检验因素较多，主要由以下几方面:（1）数据换算产生的误差。里氏硬度换算为布氏硬度时误差包括两个方面:一方面是里氏硬度本身测量误差较大，按此方法进行试验时分散和对于多台同型号里氏硬度计的测量误差较大;另一方面是比较不同硬度试验方法所测硬度产生的误差。（2）试样重量、表面粗糙度、厚度的影响。（3）受试件周围磁场的影响。（4）人员操作因素的影响。如现场单手操作致使硬度计未放平稳。（5）探头支撑环的影响。小管径焊缝因打磨面较小，硬度计应采用小直径的支撑环。由于以上影响因素，再加上里氏硬度计检验原理可以确定里氏硬度计现场检验确实存在一定的不稳定性。

5原因总结

综上分析，导致部分焊接接头热影响区硬度低的原因如下：1）原材料硬度低，部分已不符合标准要求。2）焊接接头炉管侧经过重复加热（至少加热过3次）。3）焊接位置狭窄、可焊到性差，焊工焊接速度慢，单位时间焊接线能量输入超出焊接工艺评定范围，焊接接头高温停留时间长，导致焊接完成没有做焊接热处理前的焊接接头热影响区硬度已经下降。4）位置狭小、管径小，导致热电偶绑扎不牢固。5）没有针对焊接接头施焊条件的不同及时调整焊接热处理工艺。6）焊丝中Mn+Ni=1.68%>1.5%及全部氩弧焊焊接时，其焊接接头金属的Ac1线温度比正常值大约下降10°以上。选择热处理温度、恒温时间时没有考虑这因素。

6优化措施

（1）在原保温基础上增加集箱一侧的保温层厚度，多敷一层厚度为25mm的保温棉以减少集箱侧热量散失。（2）对于集箱吊杆附近的焊口在缝隙处填实保温棉，在吊杆外侧增加一层保温棉，确保保温宽度和厚度达到规范要求。（3）提高热处理操作人员及焊接人员的素质，热电偶布置要规范、牢固，严格按照工艺卡施工，确保焊缝焊接质量。（4）对于硬度值低于标准规定下限值的用便携式布氏硬度计进行了复验，复验硬度值低于标准规定下限值的，为确保焊接质量，进行了切口换管处理。

结束语

综上所述，以对管道选择恰当的热处理工艺为基础，管道焊接完成通过热处理去掉金属工件在冷热加工阶段里所制造的残余应力，可以有效保障管道的具体强度、抗疲劳度，最终防止变形、应力腐蚀还有脆性断裂现象的发生。

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