管道长度对9%Cr热强钢管道焊后热处理温度场的影响研究

王开印

（上海电力安装第一工程有限公司，上海 200090）

不论是P91还是P92钢，都属于耐高温高压钢材，符合超超临界机组大于600℃以及高于31MPa的应用要求，而其在高温蒸汽以及潮湿环境下的抗氧化性很好，具有较强的抗腐蚀性能，因此其在相应工程建设中应用比较广泛。此类钢管在应用过程中需要采用氩弧焊结合电弧焊的方式进行焊接加工，而单纯焊接状态下由于焊缝处理过程中产生高温，焊接热循环会导致焊接残余应力产生，这不仅会导致管材焊缝处的组织性能下降，而且也会影响更大范围的管材性质，在焊接过程中为了进一步消除这种不利应力，必须进行焊后热处理。而温度场作为重要的焊后热处理控制参数，影响这一参数的因素相对较多，管道长度是影响焊接热循环情况的主要因素之一，为进一步分析管道长度对9%Cr热强钢管道焊后热处理温度场的影响情况，本文将采取试验分析的方式进行研究。

1 试验方法

焊接工艺评定必须在满足相关规程的基础上，完全符合相应材料在实践应用中的情况。这就对9%Cr热强钢管道在焊接工艺评定中长度的选择提出了较高的要求，取较长的管道则建设成本大幅升高，而取较短管道进行焊接工艺评定又因管道过短焊接热循环与实际焊接中的情况差异较大而不满足要求。所以在进行焊接工艺评定时，选择合适的管道长度进行焊接工艺评定是保障实际建设中管道焊接质量的关键。

本次实验分别选择了P91钢管、P92钢管，四种不同规格的9%Cr热强钢管，其中1号管材为P91管，规格为外径575mm、壁厚35mm、长度为1250mm。2号管材为P92管，内径580mm、壁厚110mm、长度1350mm。3号管为P92管，内径605mm、壁厚51mm、长度2000mm。4号管为P92管内径710mm、壁厚35mm、长度1200mm。采取外置加热器的方式进行焊后热处理，采取平均升温法将升温速度控制在6250/δ℃/h，换算加热温度为300℃/h，热电偶恒温控制开关参数调整至760℃。当焊缝中心的恒温热电偶将温度控制在760℃后，开始计时，5h后，利用测温热电偶来测量管壁内外不同点的温度场参数。在进行热电偶排布的过程中，注意区分温度控制热电偶和测温热电偶，温度控制热电偶应在焊缝中心上每隔90°布置一个，共计布置四个。剩余测温热电偶根据需求以焊缝中心为参照点，在内外壁不同距离上进行布置，测温热电偶共布置20个，其中8枚安排在内壁，10枚安排在外壁，外壁除与内壁对应的8枚以外，还有4枚

用于测量轴向温度梯度变化情况。内外壁进行测温电偶排布时，安装位置均为竖直安装，也就是6点及12点方向。内外壁对照放置的16枚测温热电偶以焊缝中心点为参照向外每隔25mm布置一枚。注意加热过程中保温棉长度不低于790mm，加热器不能低于490mm，避免受热和温度影响区域的差异。在进行温度场分布试验的过程中，确保所有管材在焊接工艺上不存在差异，保障所有管材均为合格品，保障试验精度。

2 实验结果

根据试验所得结果来看，不同规格的9%Cr热强钢管道在不同长度上的外壁温度并无明显差异，这得益于温控热电偶的有效控制，另外，外壁由于HB长度相同且完整覆盖温度测量区域，因此外壁测量范围内的温差不明显，而从测得的内壁不同区域温度来看，其差异就比较大了，这其中包括热传导方面的因素同时也与管材本身有很大关系。从管材与内壁温度之间的关系上来看，管材的管径以及管壁厚度都与内壁温度差之间有直接关系，虽然内壁温度都随距离焊缝的位置增加而降低，但是，不同管壁厚度以及管径的管材其下降度差异是比较大的。所以不同点的内外壁温度差也不同，如果在这种情况下不能确定最佳有效长度，则会导致焊接工艺评定所得参数与实际不符。

结合试验所得参数可知，580×110管材的内壁温度随距离增加下降幅度最大，在100mm处其内壁温度已经跌落700℃以下。而575×35的管材内壁温度随距离下降幅度相对比较小但100mm处的内壁温度也下降至745℃，与760℃的温度仍有较大落差。为进行变量归化，本次实验对内径和壁厚进行了归一化计算。通过计算归一化矢量来进一步了解管道长度对焊后热处理温度场的影响。β=DN/505×δ/35.其中DN为内径，δ是壁厚，归化量区外径575以及壁厚35。计算随β值不断增加内外比温差情况下，除605×51的管材外，其余三种管材的实验值和拟合值都比较贴近。这其中还需要计算内外壁温差值，该值在计算过程中取平均值进行计算，根据实验数据可知内外壁温差与归一化矢量有直接关系，而据此计算内外壁温差再结合β值可知拟合值与实际值的偏差，之所以605×51与拟合值偏差较大主要是因为其与三个管材样本其整体长度差异相对较小，而605×51的管材样本其长度达2000mm与其他几个管材样本有较大差异。

3 分析与讨论

从本次试验的实际结果上来看，管道长度对于9%Cr热强钢管道焊后热处理温度场有较为明显的影响作用，而内壁在焊后热处理过程中对温度也有相应的要求，这样才能在焊后热处理解除焊接残余应力、降低硬度，有效增加焊缝及其他焊接受影响区域的结构韧性，这样才能保障焊接处理后管道应用于超超临界机组处于高温高压状态下能够满足运行要求。根据试验结果可知，要想让内外壁经过热处理后都达到较好的组织性能，内壁温度不能低于740℃，而在确认760℃为最佳恒定温度的前提下，可以了解到不论是距离焊缝中心的哪一区域都不应与外壁有超过20℃的温差，这样才能够有效保障内壁也能够得到良好的焊后热处理效果。根据试验结果可知，随着管道长度的不断增加，管壁轴向温度差梯度逐渐趋近于稳定而在这条轴向温度梯度与管道长度的函数关系上，必然有既符合实际应用情况同时又能保障最小长度的最佳点，本文进行相关试验目的就在于寻找这个最佳点，既降低焊接工艺评定的成本同时也满足实际需求。分析研究最小管道长度L与管壁厚度δ之间的关系，可以发现二者之间函数关系不明确，进一步分析但L与logδ之间的关系相对比较明确，二者之间有线性关系。分别区分不同长度管材最小长度值与lgδ之间的关系，可知最终L=（2.12DN+127）lgδ-1.97D+186。据此公式可应用于不同内径、壁厚的P91及P92管材在焊接工艺评定中可选的最小长度。

4 结语

本文针对9%Cr热强钢管道在进行焊接工艺评定中可选的最小长度进行了研究，分析了管道长度对焊接后热处理内壁温度场的影响，对不同长度的管材内壁温度进行了详细分析，所得结果说明了管材长度直接影响内壁温度场，而在这种情况下，要想确保试验参数与实际适用参数相吻合同时降低焊接工艺评定的成本就必须计算最小长度，本文经过一系列试验分析最终得出了最小值计算公式。希望对相关行业的发展起到一定推动作用。