论文部分内容阅读
[摘 要]对新型耐热钢材P91/T91焊接和热处理工艺进行了探讨，根据材质的特点定制了焊前和焊后热处理方案，分析焊接过程中的问题及产生原因，针对性的给出了解决问题的建议，指出了焊后热处理过程中应注意的问题，以供参考。
[关键词]P91钢；焊接；热处理；温度控制；热电偶
中图分类号：U416.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）38-0381-01
1 前言
SA335P91和SA213T91钢是一种改进型的9Cr-1Mo钢，是由美国橡树岭国家实验室和美国燃烧公司研究开发的，他是一类在9Cr-1Mo钢基础上加入了V，Nb，Ti，Al合金元素的改进型的新钢种。作为新型马氏体耐热钢，具有良好的高温强度、高温抗氧化性和抗腐蚀性，是锅炉完成主蒸汽温度由538℃向566℃过渡的首选材料，也是锅炉主蒸汽温度由566℃向593℃过渡的关键材料，T91钢种主要用于金属壁温小于650℃的锅炉再热器、过热器等受热面管。P91钢种主要用于主蒸汽管道，再热热段管道，高压旁路管道和高过，高在及屏过集箱等。黄岛发电公司三期5#，6#机组大量使用P91/T91钢，由于P91/t91钢使用历史较短，人们对其认识还不充分，在焊接及焊后热处理工艺操作中存在较多分歧，应用中也出现了一些问题。
2 焊接材料及方法
（1）焊接材料通常采用德国蒂森公司提供的，焊丝为9MV-N，Φ2.4mm；焊条为9MV-N，Φ2.5mm，Φ3.2mm，Φ4.0mm.其化学成分如表1：
（2） 焊接工艺T91钢为小径管，采用手工钨极焊，P91钢为大径管，采用手工钨极氩弧焊打底，电弧焊盖面，管内壁充氩保护，接头形式为双V形坡口对接焊缝，该坡口扩大了底层的焊接空间，易于焊丝摆动，熔合良好，使熔滴准确到位并焊透，以保证背面成型均匀性。
3 焊接操作工艺
3.1 双层TIG打底焊
采用双层TIG焊打底，这样做一是打底一层时焊层较薄容易击穿，影响根部质量，二是TIG焊接第二层时能降低对第一层的背面焊缝的氧化程度，此时应采取管内充氩保护措施。
3.2 多层多道焊
采用多层多道焊不仅可以控制焊接线能量，而且后层焊道对前层焊道的热处理能细化晶粒，改善焊接接头的性能。
3.3 双人焊接操作
大径壁厚P91管均应采取双人焊接，打底时一人焊接，另一人从另一侧进行监视打底焊的情况，如图1所示
通过实际操作法系，由于母材、焊材的合金元素含量高，液态金属的流动性差，因此焊接应注意以下几点：
（1）焊条必须按照说明书中规定的300-350℃，保温2小时要求进行烘焙。
（2）由于液态金属流动性较差，安装对口时应适当加大对口间隙3～4mm.
（3）焊条的引弧电流过小，易于粘条，过大则易于形成夹渣，选取适当的电流是保证焊接质量的关键。
（4）该焊条的焊渣不易清理，应注意层间清理，特别是接头部位。
（5）每层焊道不可过厚，应为焊条直径的厚度，焊道宽度以焊条直径3倍为宜。
4 焊接中的问题及建议
4.1 问题分析
a.P91/T91钢合金含量高，因此该种钢焊接时有强烈的淬硬倾向，焊后冷却时接头组织应力大也增加了冷裂纹倾向。
b.P91厚壁管在不预热的条件下焊接时，产生冷裂纹的概率是100%，而预热200-250℃时，可避免冷裂纹产生。
c.该种钢焊接工艺中的是层间温度。若层间温度低于150℃，造成焊接冷却速度过快，将产生淬硬马氏体组织，塑性和韧性降低，若层间温度高于350℃，焊接冷却速度过慢，在焊接接头中引起晶粒边界碳化物析出，形成铁素体，不能形成马氏体组织，从而室温强度降低。
d.对焊接接头性能的要求，最重要的是保证高温部件长期安全运行的持久强度及避免运行或检修中开裂的足够韧性。
4.2 建议
通过以上对焊接性的分析可知，该种钢在焊接过程中，若焊接工艺参数，措施选用不当，很容易导致焊接接头失效；所以对于P91/T91新型马氏体耐热钢的焊接必须认真进行焊接工艺评定，并及时发现和解决焊接过程中的各种偏差，同时在焊接过程中药严格执行工艺要求。
5热处理工艺
预热是当防止再热裂纹和冷裂纹产生的有效手段，采取200-250℃的预热温度，有利于焊工的操作，保证打底质量，同时还可以适当降低焊接电流，避免出现弧坑裂纹，并有利于防止冷裂纹和再热裂纹。
为了尽可能的降低焊接残余应力，应采取较高的焊后热处理温度，但温度过高，有可能降低钢材的抗老强度，破坏钢材的原有组织和性能，促进碳化物的聚集，根据规范，选取750-770℃的焊后热处理温度。
综合分析以上因素，最终确定的加热规范如图2所示，技術要求如下：
（1）升降温速度≤150℃；
（2）温度在300℃以下可不控制；
（3）恒温时间根据壁厚参照标准；
（4）对于小径管焊缝，焊后热处理必须在24小时内进行。
（5）对于大管径焊缝，若不能及时进行焊后热处理，则应立即进行脱氢出来，处理温度为300-350℃，恒温2h.
6 热处理应注意的问题
6.1 温度控制精度
早期温度控制装置大多采取20℃固定参考端补偿方式，导致实际热处理温度随室温波动，带来极大测温误差，应安装参考端补偿装置，减少测温误差。
6.2 热电偶安装
现场安装热电偶经常采用绑扎的方式，该方式造成热电偶与管壁表面很难达到牢固、持久和全面的接触，无法保证仪表显示温度真实反映热处理的实际温度，因此实际操作中应尽可能采用点焊式热电偶。
6.3 保温时间
由于现场热处理装置的热穿透力差，导致内外壁的温差大，焊缝根部热处理温度低，往往通过增加保温时间，来满足焊缝根部工艺要求，但在较高的回火温度下长时间加热会损失材料的持久强度，往往造成焊缝硬度偏高，而塑韧性较低。这就要求保温的宽度和厚度必须严格按照标准规范要求，使保温时间能够满足工艺要求。
7 结论
a.根据P91/T91钢焊接及热处理的工艺特点，对P91/T91钢等新型耐热钢的焊接及焊后热处理工作必须经过样的工艺评定，合格后方可实施。
b.P91/T91钢对焊后热处理要求严格，必须做到精确测量与控制。
参考文献
[1] P91/T91钢手册（瓦卢瑞克·曼内斯曼钢管公司）
[2] P91/T91钢手册焊接工艺导则 电源质[2002]100号
[3] DL/T869-2012火力发电厂焊接技术规程
[4] DL/T819-2010火力发电厂焊接热处理技术规程
[关键词]P91钢；焊接；热处理；温度控制；热电偶
中图分类号：U416.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）38-0381-01
1 前言
SA335P91和SA213T91钢是一种改进型的9Cr-1Mo钢，是由美国橡树岭国家实验室和美国燃烧公司研究开发的，他是一类在9Cr-1Mo钢基础上加入了V，Nb，Ti，Al合金元素的改进型的新钢种。作为新型马氏体耐热钢，具有良好的高温强度、高温抗氧化性和抗腐蚀性，是锅炉完成主蒸汽温度由538℃向566℃过渡的首选材料，也是锅炉主蒸汽温度由566℃向593℃过渡的关键材料，T91钢种主要用于金属壁温小于650℃的锅炉再热器、过热器等受热面管。P91钢种主要用于主蒸汽管道，再热热段管道，高压旁路管道和高过，高在及屏过集箱等。黄岛发电公司三期5#，6#机组大量使用P91/T91钢，由于P91/t91钢使用历史较短，人们对其认识还不充分，在焊接及焊后热处理工艺操作中存在较多分歧，应用中也出现了一些问题。
2 焊接材料及方法
（1）焊接材料通常采用德国蒂森公司提供的，焊丝为9MV-N，Φ2.4mm；焊条为9MV-N，Φ2.5mm，Φ3.2mm，Φ4.0mm.其化学成分如表1：
（2） 焊接工艺T91钢为小径管，采用手工钨极焊，P91钢为大径管，采用手工钨极氩弧焊打底，电弧焊盖面，管内壁充氩保护，接头形式为双V形坡口对接焊缝，该坡口扩大了底层的焊接空间，易于焊丝摆动，熔合良好，使熔滴准确到位并焊透，以保证背面成型均匀性。
3 焊接操作工艺
3.1 双层TIG打底焊
采用双层TIG焊打底，这样做一是打底一层时焊层较薄容易击穿，影响根部质量，二是TIG焊接第二层时能降低对第一层的背面焊缝的氧化程度，此时应采取管内充氩保护措施。
3.2 多层多道焊
采用多层多道焊不仅可以控制焊接线能量，而且后层焊道对前层焊道的热处理能细化晶粒，改善焊接接头的性能。
3.3 双人焊接操作
大径壁厚P91管均应采取双人焊接，打底时一人焊接，另一人从另一侧进行监视打底焊的情况，如图1所示
通过实际操作法系，由于母材、焊材的合金元素含量高，液态金属的流动性差，因此焊接应注意以下几点：
（1）焊条必须按照说明书中规定的300-350℃，保温2小时要求进行烘焙。
（2）由于液态金属流动性较差，安装对口时应适当加大对口间隙3～4mm.
（3）焊条的引弧电流过小，易于粘条，过大则易于形成夹渣，选取适当的电流是保证焊接质量的关键。
（4）该焊条的焊渣不易清理，应注意层间清理，特别是接头部位。
（5）每层焊道不可过厚，应为焊条直径的厚度，焊道宽度以焊条直径3倍为宜。
4 焊接中的问题及建议
4.1 问题分析
a.P91/T91钢合金含量高，因此该种钢焊接时有强烈的淬硬倾向，焊后冷却时接头组织应力大也增加了冷裂纹倾向。
b.P91厚壁管在不预热的条件下焊接时，产生冷裂纹的概率是100%，而预热200-250℃时，可避免冷裂纹产生。
c.该种钢焊接工艺中的是层间温度。若层间温度低于150℃，造成焊接冷却速度过快，将产生淬硬马氏体组织，塑性和韧性降低，若层间温度高于350℃，焊接冷却速度过慢，在焊接接头中引起晶粒边界碳化物析出，形成铁素体，不能形成马氏体组织，从而室温强度降低。
d.对焊接接头性能的要求，最重要的是保证高温部件长期安全运行的持久强度及避免运行或检修中开裂的足够韧性。
4.2 建议
通过以上对焊接性的分析可知，该种钢在焊接过程中，若焊接工艺参数，措施选用不当，很容易导致焊接接头失效；所以对于P91/T91新型马氏体耐热钢的焊接必须认真进行焊接工艺评定，并及时发现和解决焊接过程中的各种偏差，同时在焊接过程中药严格执行工艺要求。
5热处理工艺
预热是当防止再热裂纹和冷裂纹产生的有效手段，采取200-250℃的预热温度，有利于焊工的操作，保证打底质量，同时还可以适当降低焊接电流，避免出现弧坑裂纹，并有利于防止冷裂纹和再热裂纹。
为了尽可能的降低焊接残余应力，应采取较高的焊后热处理温度，但温度过高，有可能降低钢材的抗老强度，破坏钢材的原有组织和性能，促进碳化物的聚集，根据规范，选取750-770℃的焊后热处理温度。
综合分析以上因素，最终确定的加热规范如图2所示，技術要求如下：
（1）升降温速度≤150℃；
（2）温度在300℃以下可不控制；
（3）恒温时间根据壁厚参照标准；
（4）对于小径管焊缝，焊后热处理必须在24小时内进行。
（5）对于大管径焊缝，若不能及时进行焊后热处理，则应立即进行脱氢出来，处理温度为300-350℃，恒温2h.
6 热处理应注意的问题
6.1 温度控制精度
早期温度控制装置大多采取20℃固定参考端补偿方式，导致实际热处理温度随室温波动，带来极大测温误差，应安装参考端补偿装置，减少测温误差。
6.2 热电偶安装
现场安装热电偶经常采用绑扎的方式，该方式造成热电偶与管壁表面很难达到牢固、持久和全面的接触，无法保证仪表显示温度真实反映热处理的实际温度，因此实际操作中应尽可能采用点焊式热电偶。
6.3 保温时间
由于现场热处理装置的热穿透力差，导致内外壁的温差大，焊缝根部热处理温度低，往往通过增加保温时间，来满足焊缝根部工艺要求，但在较高的回火温度下长时间加热会损失材料的持久强度，往往造成焊缝硬度偏高，而塑韧性较低。这就要求保温的宽度和厚度必须严格按照标准规范要求，使保温时间能够满足工艺要求。
7 结论
a.根据P91/T91钢焊接及热处理的工艺特点，对P91/T91钢等新型耐热钢的焊接及焊后热处理工作必须经过样的工艺评定，合格后方可实施。
b.P91/T91钢对焊后热处理要求严格，必须做到精确测量与控制。
参考文献
[1] P91/T91钢手册（瓦卢瑞克·曼内斯曼钢管公司）
[2] P91/T91钢手册焊接工艺导则 电源质[2002]100号
[3] DL/T869-2012火力发电厂焊接技术规程
[4] DL/T819-2010火力发电厂焊接热处理技术规程