[摘要]本文對T91/P91鋼的發展概況、發展現狀、焊接過程后產生裂紋與沖擊韌性下降的問題進行了綜述和分析。就如何焊接缺陷和裂紋等問題進行了初步的討論,并且對國內T91/P91生產的現狀和存在的問題進行了總結,為如何獲得優質的焊接接頭進行了總結,希望為我國電力大直徑厚壁管的焊接提供參考。
[關鍵詞]T91/P91 焊接性 沖擊韌性
當今火力發電鍋爐機組以大容量、高參數、超臨界為發展趨勢。為確保機組設備安全、可靠運行,提高生產效率和經濟效益,滿足高溫、高壓管道的需要,但熱強性高、工藝性好、價格低廉材料的開發則是最關鍵的問題。P91鋼具有高溫持久強度和抗蠕變斷裂性能,與 T22(10CrMo910)鋼相比在相同使用溫度和壓力的條件下,管壁厚減薄50 %;與奧氏體鋼相比,膨脹系數較小、熱傳導性好,熱裂紋傾向小,價格也相對便宜,使得P91鋼成為高溫過熱器聯箱、主蒸汽管道等高溫、高壓管道的首選及替代鋼種。無論是使用性能,還是經濟性,P91都表現出了它的優越性,其使用量也正在不斷增加。但國內對其焊接工藝還處于研究和完善階段,其個別性能指標不理想,如常溫下的沖擊韌性偏低。因此,研究和開發適合的焊接工藝和焊后熱處理工藝,對指導焊工培訓和現場焊接需要,具有重要的現實意義和經濟價值。
一、 T91/P91鋼的主要性能
T91/P91鋼是一種改進的9Cr-1Mo鋼,它是在9Cr-1Mo鋼的基礎上通過添加 V、Nb、N等合金元素,采用純凈化、細晶化冶金技術。以及微合金化和控軋、控冷等工藝。開發出的新一代中合金耐熱馬氏體鋼。其常溫下屈服強度σs≥415MPa,抗拉強度σb≥585MPa,斷面收縮率δ≥20,硬度HB≤250。T91/P91鋼在正火并經730～760℃回火熱處理后,金相組織呈典型的馬氏體骨架結構,導致 M23C6 鉻碳化物沉淀在馬氏體骨架的邊緣,并形成MX形的V/Nb碳氮化物。在較粗的M23C6 碳化物及內部較細的沉淀轉換成細箔之后,會發現次微粒內較大的錯位密度,這種高位錯密度的細次晶粒結構是T91/P91具有高溫蠕變強度的決定因素。房娟、周愛軍通過對接焊縫、采用氬弧焊+埋焊(GTAW+SAW),經732～766℃,保溫時間240min熱處理獲得σb≥660MPa,焊縫維氏硬度HV10≥183。
二、 T91/P91鋼的發展背景與研究現狀
20世紀 70年代美國在實驗室改進原有的 9Crl-1Mo鋼,80年代初確定改良型鋼為 T91 /P91鋼。接著 1983年 T91 /P91鋼獲美國 AS ME認可 , 80年代末德國從 F12鋼轉向使用 T91 /P91鋼,90年代初日本大力推廣 T91 /P91鋼。目前世界主要生產鍋爐管和大直徑厚壁管的鋼廠,均已完成了T91 /P91鋼工業化生產研究。其中日本、德國、法國等國家的鋼廠已向全世界供應 T91 /P91鋼管。
到目前為止,國外進口的焊接材料主要品牌有:英國曼切特、日本神鋼、美國阿克斯、瑞典伊薩、美國華盛頓、法國沙福等。八十年代后期,我國也開始對P91的生產及焊接進行了初步的研究,并且取得一定進展,但與國外生產廠家相比還有一定的距離。經過20年多年對T91/P91鋼的研究和開發,證明工作溫度在550℃～650℃時,仍具有較好的綜合性能,所以,在相等內徑情況下,可顯著減少鋼管壁厚和重量。在550℃、25MPa壓力下鋼管壁厚及重量減少更為優良。由于壁厚及重量的減少,無論是鋼管的支撐部件、裝備總重量還是裝備所占用的空間都大為減少,具有良好的經濟性,因此,T91/P91鋼在火力發電機組工件使用中具有非常寬廣的應用前景。
目前,國內對T91/P91的研究主要集中在焊接工藝、焊接接頭沖擊韌性、焊接脆性、焊后熱處理和焊接熱影響區等方面。
1.T91/P91鋼的焊接性
(1)裂紋傾向
在實際生產中,焊接過程中產生的裂紋是焊件安全工作過程中最大的隱患。P91鋼具有較高的高溫蠕變斷裂強度,低的熱膨脹性,良好的導熱性,較好的加工性和抗氧化性能。但是P91鋼是中高合金,合金元素總含量大于 13%,導致Ms點升高,使焊縫組織即使在空冷條件下也會得到馬氏體,這說明該鋼材的淬硬傾向大,冷裂紋敏感性強。當P91鋼在不預熱條件下進行焊接時,不論用手工電弧焊或鎢極氬弧焊在焊接接頭的表面或內部,產生裂紋的機率是100%,可以說 P91具有較大的冷裂紋傾向。冷裂紋產生的因素有三個:一是 P91鋼屬于空冷馬氏體鋼,在組織上有敏感性;二是在焊后的馬氏體轉變中,氫以過飽和狀態殘留在馬氏體中,促使該區域進一步脆化;三是由于焊后的馬氏體相變,使接頭處的組織應力增大。這三個因素的共同作用,使 P91鋼對冷裂紋較為敏感。因此 ,P91鋼焊接時應采取相應的措施以減少焊接冷裂紋。但P91焊件具有較小的截面尺寸,有效地降低了焊件壁厚,減少了材料用量,同時相對高的熱傳導性與低的熱膨脹率,減小了熱裂紋傾向。
(2)減小裂紋產生措施
目前,國內 T91/P91鋼的焊接一般采用全氬弧焊(針對T91)或氬弧焊打底手工電弧焊蓋面,因此進口焊接材料主要是手工電焊條以及 TIG氬弧焊絲。一般的講合金過渡方式能有效地減少焊接裂紋傾向,手工電弧焊用焊條使焊縫金屬合金化有藥皮過渡和焊芯過渡兩種方式。目前,從國內進口的焊條來看,多采用藥皮過渡,這種過渡方式存在合金過渡損失和焊縫脫渣困難兩方面的問題,但這種將主要合金設計于藥皮的焊條的最大優點是制造成本低廉,因此,在實際生產中仍在大量使用。采用鋼芯過渡合金導致制造成本較高,但可以保證焊縫成分的均勻、可靠,減少合金元素的損失,更重要的是焊條的焊接工藝性能好。還有一個方面就是焊接實驗過程中,焊接工藝的實驗過程與現場實施存在的不同,因此應嚴格按有關標準制定焊接工藝,并確保工藝不折不扣地在現場實施。
(3)預熱與焊后熱處理
當預熱溫度提高到200℃～300℃時,就可避免冷裂紋的產生。但不能超過300℃,防止焊縫組織燒損和焊接缺陷的產生;焊后應及時進行高溫回火熱處理,防止產生冷裂紋。趙立通過實驗研究了P91焊接過程中產生焊接弧坑的原因以及控制弧坑產生的過程,認為選用工藝性能好的焊材,控制焊縫成形,注意層間清理,打磨焊縫的收弧弧坑,均是避免 P91層間焊接裂紋產生的有效手段。
2.焊縫的沖擊韌性與焊后處理
T91/P91馬氏體鋼的焊接技術,最近幾年才在有關單位進行較深入的試驗研究,在實際工程中P91鋼厚壁管焊接接頭存在常溫沖擊韌性低和沖擊韌性分散度大的問題。
例如:P91鋼厚壁管母材的沖擊韌性一般能達到180J以上,而焊接接頭的沖擊韌性有時只有5J,遠遠低于母材,但經過焊后回火熱處理焊接接頭的沖擊韌性可以得到改善。一些實驗證明 T91 鋼焊后熱處理對焊縫及母材組織性能的影響,結果表明,在 740～780℃之間回火,焊縫硬度為 264～237HV,回火馬氏體板條特征明顯,可以獲得優良的焊接接頭性能;回火溫度超過780℃,焊縫板條馬氏體特征消失,母材回火索氏體中碳化物產生偏聚,硬度、塑性明顯降低。賀振宇通過穩定焊接及熱處理電源,采用小參數多層多道焊保證晶粒細化,控制升降溫速度及道間溫度并延長熱處理保溫時間可保證焊縫沖擊韌性。
三、結語
總的來說,國內對 T91/P91鋼焊接材料的研究和應用還處于由引進和消化吸收國外技術和產品向自主開發研制的過渡階段,與工業發達國家相比,在產品質量的穩定性、產品的種類等方面尚存在很大的差距;焊接材料的生產和應用的規范化、標準化也有待加強;T91/P91異種鋼焊接專用材料及相應的焊接工藝是電力生產中急需解決的現實課題;同時,隨著以 T91/P91鋼為基礎成分的新的改良鋼種的進入市場,相應的焊接材料的開發和焊接工藝的研究是必不可少的。
從現實國情出發,我們只能認真分析國外已開發的新材料的性能與成本,對使用材料進行復核試驗,掌握其工藝及使用性能,通過進口鋼材在鍋爐上的使用,形成我國鍋爐用鋼系列,形成一定的標準,并促進冶金工業將先進的鍋爐耐熱鋼國產化,以實際的工程施工需要為前提,滿足我國電力行業現行標準規定。
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