SA335-焊后方法及工艺研究
林志华朱顺聚顾文彬
（上海电力建设有限责任公司，上海市高邮路68号，200231）
摘要：本文对大口径厚壁管道焊后工艺进行了较为深入的研究。研究中对比了设备与电感应加热设备在对大口径厚壁管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设备时会造成局部内外壁温差过大的现象，这对温度特别敏感的十分不利，而采用先进的电感应加热设备内外壁温差<20℃,可确保焊后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的应用及工艺的改进。
关键词：、、、电感应加热
1．大口径厚壁管工艺研究
1．1现电站安装施工中大口径厚壁管道焊后设备应用情况
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设备，由原工频、中频电感应设备逐渐被柔性陶瓷设备所取代，现使用的柔性陶瓷设备又配备了微电脑控温装置，目前已是电站安装单位的主力设备。
原工频或中频设备，由于其加热块笨重，操作不便，中频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、能自动控制设备的输出电流，使工件符合规范要求，所以施工单位现场全部采用柔性陶瓷设备。
柔性陶瓷设备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柔性陶瓷法与电感应加热法的原理及其对大口径厚壁管道焊后时可能存在的问题
（1）柔性陶瓷法是辐射加热。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）的最佳温度为760±10℃，也就是说，温度的上限为770℃，下限为750℃。温度范围相对比较窄，在这一温度范围内，焊接接头焊后才能获得良好的综合性能，特别是焊缝的冲击韧度。
（4）目前，现场焊后广泛采用的柔性陶瓷设备，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，对温度敏感的焊接接头应该有利，见图4。
图4电感应加热原理
1.3柔性陶瓷和工频电感应加热在Φ420×70mm、长680mm的P22管上试验
（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6Φ420×70mm管上热电偶的布置情况
（3）柔性陶瓷法
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℃
柔性陶瓷实际情况照片如图7所示。
图7柔性陶瓷设备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法。工频电感应加热法测得的内外壁温差﹤20℃，这对焊后温度要求特别敏感的十分重要。
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效果要优于目前广泛使用的柔性陶瓷法。
1.4Proheat35型电感应加热设备与柔性陶瓷设备在Φ558×90mmP22管上的试验
（1）前一轮的试验，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设备来得小，对焊后温度特别敏感的十分有利。
（2）Proheat35型电感应加热设备
Proheat35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9Proheat35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10Φ558×90mm、3.15mP22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.Proheat35型电感应加热设备与柔性陶瓷设备，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小。这一现象与第一轮试验结果完全吻合。
b．Proheat35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的焊后时，采用Proheat35型电感应加热设备，能有效地保证P92大口径厚壁管温度控制在760±10℃范围之内，从而确保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.Proheat35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．Proheat35型电感应加热设备在管中的应用
2．1焊后的敏感温度
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温度特别敏感。在对现场Φ456×65mm口径焊接接头焊后时发现，当Proheat35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焊后的敏感温度区域。那么，Proheat35型电感应加热设备能否应用于的焊后呢？为此，在试验室对Φ360×56mm管用35型电感应设备做试验见图14。试验结果证明，使用Proheat35型电感应加热设备完全能将焊接接头温度升至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管
2．2Proheat35型电感应加热设备在中的应用
安装现场的工况条件远比试验室来得恶劣，施工现场焊后工件的散热状况比试验中的模拟件来得复杂，加上对焊后温度的敏感性，安装现场使用Proheat35型电感应加热设备对大口径厚壁管做焊后远比想象中复杂，难度要大很多。
为了解决施工中恶劣条件给造成的困难，充分发挥Proheat35型电感应加热设备对大口径厚壁管时可有效地控制管内外壁温差﹤20℃这一优势，并针对对740℃至748℃温度敏感这一特点，在对大口径厚壁管焊后时，在工艺上进行了改进。
（1）Φ420×85mm的焊后工艺
在对三级过热器出口端Φ420×85mm焊后时，在焊缝区400mm范围内采用Proheat35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块筑起一道热坝（HeatDam）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Proheat35型电感应加热设备加热，使主加热区温度有效地控制在765℃。这种方法在对Φ420×85mm焊接接头时，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Proheat35型电感应加热设备加热宽度400mm12匝
热坝区采用块加热宽度每侧85mm5kw
（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=12src="file:///C|/DocumentsandSettings/Administrator/ApplicationData/Adobe/DreamweaverCS4/zh_CN/OfficeImageTemp/clip_image054_0001.gif"width=350align=left>
主加热区采用Proheat35型电感应加热设备加热宽度400mm12匝
热坝区采用块加热宽度每侧85mm5kw
（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Proheat35型电感应加热设备继续工作。
（3）主加热区Proheat35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焊接接头焊后时，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管
经该工艺后，Φ420×85mm焊接接头的硬度检验值：
焊缝区HB231HB230HB221平均值HB227
母材一侧HB197HB199HB210平均值HB202
母材另一侧HB190HB198HB196平均值HB195
（4）Φ546×92mm的焊后
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
经该工艺后，Φ546×92mm焊接接头的硬度检验值（2G）：
焊缝区HB239HB227HB224平均值HB230
母材一侧HB201HB196HB205平均值HB201
母材另一侧HB208HB202HB210平均值HB207
经该工艺后，Φ546×92mm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管Φ747×40mm管系上也使用该设备进行焊后。
2．5结论
（1）大口径厚壁管道焊后采用Proheat35型电感应加热设备并附以热坝区可有效地解决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Proheat35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，从而确保焊接接头的质量，特别是焊缝根部韧性指标。
（2）这种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16Φ546×92mm2G焊口图17Φ546×92mm5G焊口
2．3大口径厚壁管采用Proheat35型电感应加热设备附热坝区工艺的优点
（1）在主加热区采用Proheat35型设备的周围筑起一道热坝（HeatDam）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。这种工艺对敏感温度的作用特别有效，可避免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Proheat35型电感应加热使厚壁管内外壁温差﹤20℃的优势，确保焊接接头的质量。
（3）可以取消以往大口径厚壁管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。
2．4Proheat35型电感应加热设备在其他管线上的应用
除外其他钢种时，使用Proheat35型电感应加热设备不需要设热坝区，如Proheat35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。Proheat35型电感应加热设备在施工现场受到工们的青睐，因为它效果好，操作简便无污染。该设备成功应用于Φ420×85mm主蒸汽管焊后后，业主对此十分重视，还要求我们施工单位在再热热段管Φ747×40mm管系上也使用该设备进行焊后。
2．5结论
（1）大口径厚壁管道焊后采用Proheat35型电感应加热设备并附以热坝区可有效地解决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Proheat35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，从而确保焊接接头的质量，特别是焊缝根部韧性指标。
（2）这种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温度具有敏感性的材料的现场开创了一条新的途径。同时可取消以往对大口径厚壁管时管内设置封堵器具。
（3）Proheat35型电感应加热设备时的加热宽度可适当减少，同样可获得优质的焊接接头，这种设备操作简便，属于环保和节能型设备。
作者简介：
林志华出生年月：1947年2月性别：男学历：大学本科职称：高级工程师研究方向：焊接
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