T91/P91鋼的發(fā)展應(yīng)用及其焊接性綜述

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當(dāng)今火力發(fā)電鍋爐機組以大容量、高參數(shù)、超臨界為發(fā)展趨勢。為確保機組設(shè)備安全、可靠運行,提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)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(fā)則是最關(guān)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(shù)較小、熱傳導(dǎo)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(lián)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(jīng)濟(jì)性,P91都表現(xiàn)出了它的優(yōu)越性,其使用量也正在不斷增加。但國內(nèi)對其焊接工藝還處于研究和完善階段,其個別性能指標(biāo)不理想,如常溫下的沖擊韌性偏低。因此,研究和開發(fā)適合的焊接工藝和焊后熱處理工藝,對指導(dǎo)焊工培訓(xùn)和現(xiàn)場焊接需要,具有重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟(jì)價值。

　　一、T91/P91鋼的主要性能

　　T91/P91鋼是一種改進(jìn)的9Cr-1Mo鋼,它是在9Cr-1Mo鋼的基礎(chǔ)上通過添加V、Nb、N等合金元素,采用純凈化、細(xì)晶化冶金技術(shù)。以及微合金化和控軋、控冷等工藝。開發(fā)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(jīng)730～760℃回火熱處理后,金相組織呈典型的馬氏體骨架結(jié)構(gòu),導(dǎo)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(nèi)部較細(xì)的沉淀轉(zhuǎn)換成細(xì)箔之后,會發(fā)現(xiàn)次微粒內(nèi)較大的錯位密度,這種高位錯密度的細(xì)次晶粒結(jié)構(gòu)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(jīng)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(fā)展背景與研究現(xiàn)狀

　　20世紀(jì)70年代美國在實驗室改進(jìn)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ASME認(rèn)可,80年代末德國從F12鋼轉(zhuǎn)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(chǎn)鍋爐管和大直徑厚壁管的鋼廠,均已完成了T91/P91鋼工業(yè)化生產(chǎn)研究。其中日本、德國、法國等國家的鋼廠已向全世界供應(yīng)T91/P91鋼管。

　　到目前為止,國外進(jìn)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(chǎn)及焊接進(jìn)行了初步的研究,并且取得一定進(jìn)展,但與國外生產(chǎn)廠家相比還有一定的距離。經(jīng)過20年多年對T91/P91鋼的研究和開發(fā),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(nèi)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(yōu)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(jīng)濟(jì)性,因此,T91/P91鋼在火力發(fā)電機組工件使用中具有非常寬廣的應(yīng)用前景。

　　目前,國內(nèi)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(qū)等方面。

　　1.T91/P91鋼的焊接性

　　(1)裂紋傾向

　　在實際生產(chǎn)中,焊接過程中產(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)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(dāng)P91鋼在不預(yù)熱條件下進(jìn)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(nèi)部,產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)變中,氫以過飽和狀態(tài)殘留在馬氏體中,促使該區(qū)域進(jìn)一步脆化;三是由于焊后的馬氏體相變,使接頭處的組織應(yīng)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(yīng)采取相應(yīng)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(dǎo)性與低的熱膨脹率,減小了熱裂紋傾向。

　　(2)減小裂紋產(chǎn)生措施

　　目前,國內(nèi)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(jìn)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(nèi)進(jìn)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(shè)計于藥皮的焊條的最大優(yōu)點是制造成本低廉,因此,在實際生產(chǎn)中仍在大量使用。采用鋼芯過渡合金導(dǎo)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(xiàn)場實施存在的不同,因此應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定焊接工藝,并確保工藝不折不扣地在現(xiàn)場實施。

　　(3)預(yù)熱與焊后熱處理

　　當(dāng)預(yù)熱溫度提高到200℃～300℃時,就可避免冷裂紋的產(chǎn)生。但不能超過300℃,防止焊縫組織燒損和焊接缺陷的產(chǎn)生;焊后應(yīng)及時進(jìn)行高溫回火熱處理,防止產(chǎn)生冷裂紋。趙立通過實驗研究了P91焊接過程中產(chǎn)生焊接弧坑的原因以及控制弧坑產(chǎn)生的過程,認(rèn)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(chǎn)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(shù),最近幾年才在有關(guān)單位進(jìn)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(dá)到180J以上,而焊接接頭的沖擊韌性有時只有5J,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于母材,但經(jīng)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(jié)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(yōu)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(chǎn)生偏聚,硬度、塑性明顯降低。賀振宇通過穩(wěn)定焊接及熱處理電源,采用小參數(shù)多層多道焊保證晶粒細(xì)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(jié)語

　　總的來說,國內(nèi)對T91/P91鋼焊接材料的研究和應(yīng)用還處于由引進(jìn)和消化吸收國外技術(shù)和產(chǎn)品向自主開發(fā)研制的過渡階段,與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比,在產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、產(chǎn)品的種類等方面尚存在很大的差距;焊接材料的生產(chǎn)和應(yīng)用的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化也有待加強;T91/P91異種鋼焊接專用材料及相應(yīng)的焊接工藝是電力生產(chǎn)中急需解決的現(xiàn)實課題;同時,隨著以T91/P91鋼為基礎(chǔ)成分的新的改良鋼種的進(jìn)入市場,相應(yīng)的焊接材料的開發(fā)和焊接工藝的研究是必不可少的。

　　從現(xiàn)實國情出發(fā),我們只能認(rèn)真分析國外已開發(fā)的新材料的性能與成本,對使用材料進(jìn)行復(fù)核試驗,掌握其工藝及使用性能,通過進(jìn)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(biāo)準(zhǔn),并促進(jìn)冶金工業(yè)將先進(jìn)的鍋爐耐熱鋼國產(chǎn)化,以實際的工程施工需要為前提,滿足我國電力行業(yè)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。