1、.華能電廠P91、P92管道現場焊后熱處理工藝導則華能國際電力股份有限公司二八年一月*;目 次前 言II1.范圍12.規范性引用文件13.術語24.管道整圈局部焊后熱處理的技術條件35提高溫度均勻性的措施66.溫度的測量87加熱器與保溫材料148.熱循環149.質量控制與技術文件14I前 言火力發電廠承壓管道在制作、安裝和檢修過程中存在大量的焊接接頭，其中很大一部分受到各種因素的限制只能在現場進行局部熱處理，熱處理的質量直接影響焊接接頭的性能和服役壽命。國內已有幾個相應的焊接熱處理規程，但在這些技術規程中對許多控制熱處理質量的重要因素沒有嚴格加以規范，在實施過程中難以保證質量。近些年機組建設中

2、大量采用P91、P92等馬氏體耐熱鋼，其焊接接頭的性能對熱處理工藝非常敏感，而局部熱處理與爐內熱處理相比溫度均勻性較差，沒有嚴格的規范無法保證接頭的性能。為此參照國際上相關規程和對P91、P92鋼焊接以及使用過程中積累的經驗，制定出本導則作為華能國際電力股份有限公司所屬電廠P91、P92鋼管道在制作、安裝和檢修過程中進行焊后局部熱處理的要求。本導則更充分地體現了現場局部熱處理的特點和可操作性，其它材料的管道局部熱處理也可參照本標準相關條款執行。本標準由華能國際電力股份有限公司工程部提出并歸口。本標準由西安熱工研究院有限公司負責解釋。本標準的起草單位：華能國際電力股份有限公司工程部、西安熱工研究

3、院有限公司、華能浙江分公司本標準的起草人：周榮燦 范長信 陳 平 邵天佑 蔣雁II華能電廠P91、P92管道現場焊后熱處理工藝導則1. 范圍本導則規定了華能國際電力股份有限公司所屬電廠P91、P92鋼管道在制作、安裝和檢修過程中進行焊后局部熱處理的要求。其它材料的重要管道在進行局部熱處理時可參照本導則有關條款的技術要求執行。2. 規范性引用文件GB/T 2614-1998 鎳鉻鎳硅熱電偶絲GB 2974-1982 工業用熱電偶絲檢驗方法GB/T 4989-1994 熱電偶用補償導線GB/T 16839.1-1997 熱電偶 第1部分：分度表GB-T 16839.2-1997 熱電偶 第II部分

4、：允差GB/T 18591-2004 焊接預熱溫度、道間溫度及預熱維持溫度的測量指南DL/T 776-2001火力發電廠保溫材料技術條件DL/T 819-2002 火力發電廠焊接熱處理技術規程DL/T 869-2004 火力發電廠焊接技術規程JB T 6046-1992 碳鋼、低合金鋼焊接構件焊后熱處理方法ASME鍋爐壓力容器規范B31.12004 動力管道ASME鍋爐壓力容器規范B31.32004 工藝管道ASME 鍋爐壓力容器規范 第3節2004：核設施元部件制造規則，第1分冊第NB子節，1級元件BS 26331987 Standard Specification for Class I

5、Arc Welding of Ferritic Steel Pipework for Carrying FluidsAPI 5701998，Piping Inspection Code: Inspection, Repair, Alteration, and Rerating of In-Service Piping SystemsAWS D10.10/D10.10M1999 Recommended Practices for Local Heating of Welds in Piping and tubing3. 術語3.1 焊后熱處理 postweld heat treatment (P

6、WHT)焊接工作完成后，將焊件以一定的升溫速率加熱到某一溫度(通常是材料的相變溫度AC1以下)，保溫一定時間，然后使焊件以一定速率冷卻下來，以改善焊接接頭的金相組織、性能或消除殘余應力的一種焊接熱處理工藝。3.2 局部焊后熱處理local post weld heat treatment局部焊后熱處理是采用各種加熱方式對焊件的局部（包括焊縫、熱影響區以及一部分母材）加熱到一定溫度保溫一定的時間，然后冷卻，以達到焊后熱處理的目的和效果。圖1是對管道焊接接頭進行局部熱處理的示意圖。管道局部焊后熱處理的控制參數如圖2所示。圖1 管道局部焊后熱處理示意圖圖2 管道局部焊后熱處理控制參數示意圖在圖2中，

7、各參數的定義如下：W widest width of butt or attachment weld，焊縫的最大寬度HAZ heat-affected zone，熱影響區；SB soak band，均溫區（恒溫溫度在要求溫度范圍之內的區域）；HB heated band，加熱區，是為了保證均溫區內材料達到所需的溫度且限制焊縫相鄰區域產生應力在一定范圍所需的加熱器接觸的表面；GCB gradient control Band，溫度梯度控制區，即保溫寬度，是由保溫層和附加加熱源所覆蓋的表面，包括均溫區、加熱區以及足夠的相鄰母材以保證在加熱區內的軸向溫度梯度在許可范圍內； CZ control zo

8、ne，控溫加熱區，一個控溫加熱區由一個或多個加熱器組成，并由同一個溫度測量傳感器（通常是一支熱電偶）所控制。在管道的焊后熱處理中可能沿軸向或圓周方向有一個或多個控溫加熱區。L 溫度降至均溫區邊緣溫度一定百分數的最短距離；t 管道的名義壁厚；R 管道的內徑。4. 管道整圈局部焊后熱處理的技術條件4.1均溫區寬度均溫區寬度SB是為了保證所需體積的金屬達到設定的溫度范圍，實現焊后熱處理的目的。推薦的焊后熱處理均溫區最小寬度：從焊縫最寬處的邊緣算起，每側增加t或50mm二者中的最小值，其中t為管道的名義厚度。4.2加熱區寬度加熱區寬度的確定出于兩方面的考慮，其一是由于從管道外部加熱，必然存在徑向溫度梯

9、度，為了使均溫區域內的金屬在厚度方向達到所需的最低溫度，加熱區必須達到一定的寬度；其次管道的局部加熱會產生接頭變形和殘余應力，應力的大小和分布受到加熱帶寬度和軸向溫度分布的影響。推薦的最小加熱區寬度取下面三式的最大值：HB0SB50mm (1) (2) (3)式中：Hi為管道加熱帶面積與散熱面積之比，HiAe/(2Acs+Ai)；OD：管道的外徑；ID：管道的內徑；SB：均溫區寬度;t：管道的名義壁厚；R：管道的內徑；Ae：外表面加熱帶的面積；Acs：管壁的橫截面積；Ai：均溫區內表面積（假定為4t范圍內，以焊縫為中心）上述三式中，HB0是為了避免均溫區的邊緣過于接近加熱區的邊緣致使溫度降低過

10、快，顯然只有當管道的直徑很小時，加熱區的寬度才可能由HB0決定。HB1是誘導應力判據所確定的最小加熱區寬度；HB2是由徑向溫度差判據確定的最小加熱區寬度。HB2的計算的依據是經驗性的徑向溫度差判據，因此Hi的選擇與管道的布置位置、控溫區的數量、加熱溫度均有關系。對水平布置的、公稱直徑在150DN以下的管道，且只有一個周向加熱控制區時其Hi可取5；對公稱直徑150DN以上的管道、尺寸150DN以下但有兩個以上周向加熱控制區的水平管道以及所有的垂直管道，Hi可取3。4.3溫度梯度控制區寬度（保溫寬度）該區域的主要功能是控制管道軸向的溫度梯度，同時還可以減小加熱區的熱損失。保溫材料的技術參數（包括厚

11、度和隔熱性能）直接影響加熱元件所需的功率，保溫層的寬度直接影響軸向溫度梯度。推薦的最小溫度梯度控制寬度： (4)式中：HB為加熱區域寬度。保溫層的隔熱性能也影響溫度的分布，推薦的保溫層最小的熱阻：0.35-0.70m2/W，熱阻可表示為保溫層的導熱性的倒數，即保溫層的厚度與熱導率之比（t/k）。可以通過各種不同的保溫材料類型和厚度組合來滿足推薦的熱阻值。如果在溫度梯度控制區內有法蘭、閥門等，還需要在該區域增加額外的加熱器來彌補“冷阱”帶來的熱損失。4.4 軸向溫度梯度軸向溫度的分布決定PWHT過程中誘導應力的大小。事實上，前面介紹的一些參數確定后，軸向溫度梯度也就確定了。推薦的最大軸向溫度梯度

12、：在升溫、保溫和降溫過程中加熱區邊緣的溫度不低于均溫區邊緣溫度的一半。4.5 加熱帶與保溫層安裝如果選用電阻加熱方式進行加熱，若采用一片電加熱帶時，加熱帶的中心應布置在管道的下部（如管道是水平布置），而將接口間隙留在管道上部；若采用多片加熱帶，應使加熱帶間的間隙均勻分布。應選擇合適尺寸的加熱帶以減小加熱帶之間的間隙（但應有足夠的熱膨脹余量），間隙的最大允許值為管道壁厚與50mm二者間的較小值，否則間隙處應加裝監視熱電偶。加熱帶應綁扎固定。保溫層允許拼接，但接口處不允許有間隙。5 提高溫度均勻性的措施5.1水平布置的管道對接接頭對水平布置的管道，由于對流的存在，必然會導致管子上部12:00位置的

13、溫度比下部6:00位置的溫度更高，如采用只有一個控溫加熱區（控溫熱電偶在12:00位置）的電阻加熱方式時，6:00位置特別是內壁的溫度將可能低得多，造成這些部位回火不充分。可以采取以下方法減小這種溫度不均勻性：a） 當管道直徑較大時增加周向控溫加熱區的數量；b） 采用能夠彌補對流和其它熱損失的最小加熱區寬度計算方法（如HB2等）；c） 控制12:00點的溫度在許可溫度范圍的上限；d） 在6:00位置增加額外的保溫；e） 采用偏心加熱器（6:00位置比12:00位置更寬）；f） 可能時增加內部保溫。通常采用的方法是增加加熱帶控制區的周向分布數量來減小這種溫度偏差。對水平布置的管道，焊后熱處理時推

14、薦的控溫區的數量和熱電偶的布置如表1所示。表1 水平布置管道PWHT的推薦控溫加熱區數量和熱電偶的布置管道公稱尺寸（DN）推薦的控溫區數量和熱電偶的位置150以下1個控溫區，控溫熱電偶位于12:00200-3002個控溫區，控溫熱電偶位于12:00和6:00350-4503個控溫區，熱電偶位于11:00、1:00和6:005007004個控溫區，熱電偶位于12:00、3:00、6:00和9:00750以上控溫區的數量和熱電偶由加熱器的周向寬度確定控溫熱電偶一般位于相應控溫區預期溫度最高的地方以防止超過最高的允許溫度，不管采用上述何種途徑，必須同時對12:00和6:00位置的溫度進行監測。5.2

15、 垂直布置管道的對接接頭由于對流的存在，位于焊縫上半側的垂直管道的溫度將高于下半側的溫度，可以采取以下方式減小上下區域的溫度偏差：a） 采用4.2中的推薦方式確定加熱帶的寬度， Hi取3；b） 在焊縫的上下部采用獨立的控溫加熱區；c） 對電阻加熱方式加熱帶的中心向下側偏移以平衡熱流，如加熱帶的60布置在焊縫的下部；d） 保溫向焊縫下部偏移。不管采取上述哪種方式，應在焊縫的上部和下部區域安裝監測熱電偶，確定溫度是否達到設定值。5.3 管道與法蘭、閥門的焊接接頭在管道與法蘭或閥門等的對接接頭的焊后熱處理中，在焊縫兩側將產生不對稱的熱傳導，法蘭或閥門等部件將吸收大量的熱量，即產生“冷阱效應”。應在壁

16、厚不同的部件采用各自獨立的控溫加熱區。當這種方法無法實現時，可將加熱區向壁厚大的部件偏移，但對管道/閥門、管道/法蘭的焊接接頭，往往達不到所需的偏移量。若上述幾種方法均無法實現，且不能在厚壁部件上布置額外的加熱器時，必須通過加裝監控熱電偶來保證薄壁部件不能過熱。同時可根據部件壁厚的不同來調整保溫層厚度，使均溫區正好落在預定的溫度范圍之內。根據4.2中計算加熱區寬度的方法可以確定加熱帶的偏移量。以焊縫為中心，每一側所需的加熱區寬度為： (5)計算得到的HB2(1/2)需要與以式（2）計算的HB1的一半進行比較，取HB2(1/2)和HB1半值中較大的作為該側的加熱區寬度。圖3 接管座的焊后熱處理5

17、.4 接管座焊縫對接管、吊耳等與管道的焊接接頭的熱處理，宜采取整圈環形加熱的方式（圖3陰影部分）。圖3中所有的參數定義與圖2相類似，其中帶下標“b”的參數為接管的參數，計算時同樣按第4節推薦的公式，但壁厚、直徑等參數取接管的。同時根據接管的尺寸，盡可能將整個接管包括在均熱區內。對接管座的熱處理，加熱器很難完全貼合在管壁的表面，導致該部分加熱強度降低，需要在這些區域增加監測熱電偶，而控溫熱電偶安裝在預期溫度比較高的區域。或者在接管、主管道上布置各自獨立的加熱器和控溫熱電偶。6. 溫度的測量溫度的測量中，表計能正確反映工件的真實溫度非常重要，特別是P91、P92等高合金材料，與傳統的碳鋼和低合金鋼

18、不同，如果溫度計量上帶來10的誤差，這些材料的熱處理效果和性能就可能難以滿足要求。溫度的準確測量與熱電偶、補償導線、溫度控制和記錄儀表組成的系統設計是否合理有很大的關系。6.1 熱電偶的選擇根據加熱方式和熱處理溫度的不同，可以選擇接觸式或非接觸式測溫。在管道的焊后熱處理中，通常采用K型熱電偶作為溫度檢測元件。一般可選用工業用I級、II級熱電偶絲。新熱電偶絲使用前要經過具有溫度計量資質單位的檢定并提供溫度或熱電勢偏差值，設定溫度時需將熱電偶的偏差扣除。熱電偶在使用過程中會產生熱電勢的漂移，因此熱電偶絲每半年或每累計使用200小時后需重新進行檢定。重要部件的焊后熱處理建議采用已經使用200小時以上

19、并重新檢定或者廠家已經進行時效處理的熱電偶。設定溫度時需將熱電偶的偏差扣除。熱電偶絲的使用溫度和壽命與偶絲直徑有關，偶絲粗使用壽命高，可靠性高，但靈敏度降低。根據電廠部件焊后熱處理的溫度范圍，一般以0.8mm左右為宜。6.2 熱電偶的安裝和拆卸推薦采用儲能焊接的方法將熱電偶絲直接壓焊在管道外表面（圖4）。焊接前必須將熱電偶線和/或補償導線與所有溫度監控儀表斷開，管道表面以砂輪、鋼絲刷等打磨除去油污、氧化層等，形成一小塊露出金屬光澤的表面。焊接時能量<125J，兩個結點的距離為6mm左右，焊接需要制定工藝，但不需要進行工藝評定，焊接操作人員根據工藝在與管道相同的材料上進行焊接練習，熟練后方

20、能在工件上進行焊接。通過輕拽熱電偶絲來檢查結點是否焊接可靠。離測量結點150mm內的熱電偶絲需用2mm以上厚度的隔熱材料覆蓋以避免熱量從加熱帶沿著熱偶絲向結點傳遞。隔熱材料需要有足夠的強度和厚度，推薦采用硅酸鋁纖維紙，并固定可靠，避免在安裝加熱元件時碰落和移位。熱電偶絲之間需要電絕緣，除了測量結點外，熱電偶絲與其它導體如管壁電絕緣。熱處理完畢后，用記號筆在每個結點周圍以圓圈作記號，剪除熱偶絲，用銼刀或砂輪機輕輕磨去結點，然后進行目視檢查同時進行滲透或磁粉檢測。圖4 儲能焊安裝熱電偶示意圖 6.3 熱電偶的布置熱電偶的合理布置是正確反映部件溫度的前提。根據其作用，可以分為控溫熱電偶和監測熱電偶。

21、控溫熱電偶是為了控制對應的控溫加熱區的溫度在設定范圍之內。通常控溫熱電偶布置在相應控溫區域中的溫度最高處，除非是為解決壁厚差異大等問題特意增加的控溫熱電偶。對以焊縫為中心布置的環向電阻加熱帶，控溫熱電偶通常沿著焊縫中心線布置（表5）。表5 管道整圈熱處理時熱電偶的布置位置目的焊縫中心保證沒有超過最高允許溫度均溫區邊緣確定整個均溫區內都達到了最低允許溫度加熱區邊緣確定是否超過最大的允許軸向溫度梯度每個圓周平面上布置的熱電偶的數量取決于部件的具體尺寸、空間布置和幾何形狀等。圖5圖8為不同名義直徑的水平布置管道對接接頭PWHT時推薦的控溫熱電偶的數量和布置。為防范控溫熱電偶出現故障，要求在每支控溫熱

22、電偶的附近安裝一支備用熱電偶。監測熱電偶主要是為了及時反映所關心的區域內溫度、溫度梯度是否超出預定范圍，同時可反映控溫熱電偶是否工作正常。通常監測熱電偶布置在焊縫中心線、均溫區的邊緣、加熱帶邊緣。一般可將備用熱電偶接入溫度儀表作為監測熱電偶以反映控溫熱電偶是否工作正常，如果對溫度梯度的控制要求較高時，建議安裝監測熱電偶，圖5 水平布置管道（150DN）對接焊縫焊后熱處理熱電偶數量和分布圖6 水平布置管道（200-300 DN）對接焊縫焊后熱處理熱電偶數量和分布圖7水平布置管道（350-450DN）對接焊縫焊后熱處理熱電偶數量和分布圖8水平布置管道（500-750DN）對接焊縫焊后熱處理熱電偶數

23、量和分布*根據Shifrin的研究結果，只要加熱帶的寬度在5倍壁厚以上，外表面距焊縫中心線的軸向距離為t的位置大致與內表面焊縫根部的溫度相等。由于在現場熱處理中在內表面安裝監測熱電偶通常無法實現，因此可通過外表面安裝一只“等效熱電偶”間接監測內壁溫度是否達到最低的設定溫度范圍（圖9）。上述“等效熱電偶”的位置是在一定條件下試驗獲得的，對重要部件可根據其實際熱處理條件、部件尺寸等通過有限元模擬或試驗的方式更精確地確定部件的熱場分布以及“等效熱電偶”的安裝位置。圖9 等效熱電偶布置方式6.4 補償導線補償導線分為延長型和補償型兩種。延長型導線合金絲的名義化學成分及熱電動勢標稱值與配用熱電偶偶絲相同

24、，它用字母X附加在熱電偶分度號之后表示。補償型導線又稱補償型補償導線，其合金絲的名義化學成分與配用熱電偶偶絲不同，但其熱電動勢值在0-100或0-200時與配用熱電偶的熱電動勢標稱值相同，它用字母C附加在熱電偶分度號之后表示。選用的補償導線必須與熱電偶絲相匹配。宜采用帶屏蔽層的精密級補償導線。在設計補償線系統時，需要選擇合適的直徑，使一定長度的回路電阻盡可能小。通常20號（0.965mm）K型補償導線允許最大長度為183米。補償導線的布置應遠離供電線路，以避免產生干擾。同時應盡可能將補償導線布置在較低溫度的環境，最高環境溫度不得超過補償導線的允許使用溫度范圍。補償導線與熱電偶的兩個接頭以及與儀

25、表端子的兩個接頭必須分別處于相同的環境溫度。使用和儲存中避免對補償導線產生機械、熱、潮濕環境造成的損傷，補償導線不允許有小曲率半徑彎曲、冷加工和過度的繞卷。補償導線與熱電偶線連接時，必須保證極性正確。補償導線與熱偶絲連接必須采用接線座連接可靠，不得將兩根導線直接擰接在一起。6.5 溫度控制和記錄儀表熱電偶絲、補償導線必須與溫度控制和記錄儀表型號相匹配。溫度控制和記錄儀表的顯示精度要求在±0.3%之內，冷端補償精度±2以內。要求設備運行可靠，并按規定定期對儀表進行檢定。控溫系統中的變送器還應該設有斷偶保護電路，避免出現超溫。6.6 系統誤差在條件許可的情況下，用高精度的電子電位差計、溫度檢定儀表對包括補償導線、溫度控制和記錄儀表在內的系統誤差進行標定，溫度設定時扣除相應的差值。7加熱器與保溫材料加熱器可根據工件的形狀、大小、材料、周圍環境等選擇電阻加熱、感應加熱和火焰加熱等方式。加熱器的功率能滿足熱處理升溫、恒溫等的要求，同時要求可靠、安全。對同一控溫加熱區內的加熱器其單位面積功率相差不得大于5。具體的技術要求參見DL/T 8192002 火力發電廠焊接熱處理技