當今火力發(fā)電鍋爐機組以大容量、高參數、超臨界為發(fā)展趨勢。為確保機組設備安全、可靠運行,提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益,滿(mǎn)足高溫、高壓管道的需要,但熱強性高、工藝性好、價(jià)格低廉材料的開(kāi)發(fā)則是最關(guān)鍵的問(wèn)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(jià)格也相對便宜,使得P91鋼成為高溫過(guò)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(wú)論是使用性能,還是經(jīng)濟性,P91都表現出了它的優(yōu)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(gè)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(kāi)發(fā)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(chǎng)焊接需要,具有重要的現實(shí)意義和經(jīng)濟價(jià)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鋼的基礎上通過(guò)添加V、Nb、N等合金元素,采用純凈化、細晶化冶金技術(shù)。以及微合金化和控軋、控冷等工藝。開(kāi)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(huì )發(fā)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(ài)軍通過(guò)對接焊縫、采用氬弧焊+埋焊(GTAW+SAW),經(jīng)732～766℃,保溫時(shí)間240min熱處理獲得σb≥660MPa,焊縫維氏硬度HV10≥183。

　　二、T91/P91鋼的發(fā)展背景與研究現狀

　　20世紀70年代美國在實(shí)驗室改進(jìn)原有的9Crl-1Mo鋼,80年代初確定改良型鋼為T(mén)91/P91鋼。接著(zhù)1983年T91/P91鋼獲美國ASME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(chǎn)鍋爐管和大直徑厚壁管的鋼廠(chǎng),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(chǎng)已向全世界供應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(kāi)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(chǎng)家相比還有一定的距離。經(jīng)過(guò)20年多年對T91/P91鋼的研究和開(kāi)發(fā),證明工作溫度在550℃～650℃時(shí),仍具有較好的綜合性能,所以,在相等內徑情況下,可顯著(zhù)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(wú)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(shí)際生產(chǎn)中,焊接過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋是焊件安全工作過(guò)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(diǎn)升高,使焊縫組織即使在空冷條件下也會(huì )得到馬氏體,這說(shuō)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(jìn)行焊接時(shí),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(chǎn)生裂紋的機率是100%,可以說(shuō)P91具有較大的冷裂紋傾向。冷裂紋產(chǎn)生的因素有三個(gè):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(guò)飽和狀態(tài)殘留在馬氏體中,促使該區域進(jìn)一步脆化;三是由于焊后的馬氏體相變,使接頭處的組織應力增大。這三個(gè)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(shí)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(shí)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(chǎn)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(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(guò)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(guò)渡和焊芯過(guò)渡兩種方式。目前,從國內進(jìn)口的焊條來(lái)看,多采用藥皮過(guò)渡,這種過(guò)渡方式存在合金過(guò)渡損失和焊縫脫渣困難兩方面的問(wèn)題,但這種將主要合金設計于藥皮的焊條的最大優(yōu)點(diǎn)是制造成本低廉,因此,在實(shí)際生產(chǎn)中仍在大量使用。采用鋼芯過(guò)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(gè)方面就是焊接實(shí)驗過(guò)程中,焊接工藝的實(shí)驗過(guò)程與現場(chǎng)實(shí)施存在的不同,因此應嚴格按有關(guān)標準制定焊接工藝,并確保工藝不折不扣地在現場(chǎng)實(shí)施。

　　(3)預熱與焊后熱處理

　　當預熱溫度提高到200℃～300℃時(shí),就可避免冷裂紋的產(chǎn)生。但不能超過(guò)300℃,防止焊縫組織燒損和焊接缺陷的產(chǎn)生;焊后應及時(shí)進(jìn)行高溫回火熱處理,防止產(chǎn)生冷裂紋。趙立通過(guò)實(shí)驗研究了P91焊接過(guò)程中產(chǎn)生焊接弧坑的原因以及控制弧坑產(chǎn)生的過(guò)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(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(shí)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(wèn)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(shí)只有5J,遠遠低于母材,但經(jīng)過(guò)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(shí)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(yōu)良的焊接接頭性能;回火溫度超過(guò)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(guò)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(cháng)熱處理保溫時(shí)間可保證焊縫沖擊韌性。

　　三、結語(yǔ)

　　總的來(lái)說(shuō),國內對T91/P91鋼焊接材料的研究和應用還處于由引進(jìn)和消化吸收國外技術(shù)和產(chǎn)品向自主開(kāi)發(fā)研制的過(guò)渡階段,與工業(yè)發(fā)達國家相比,在產(chǎn)品質(zhì)量的穩定性、產(chǎn)品的種類(lèi)等方面尚存在很大的差距;焊接材料的生產(chǎn)和應用的規范化、標準化也有待加強;T91/P91異種鋼焊接專(zhuān)用材料及相應的焊接工藝是電力生產(chǎn)中急需解決的現實(shí)課題;同時(shí),隨著(zhù)以T91/P91鋼為基礎成分的新的改良鋼種的進(jìn)入市場(chǎng),相應的焊接材料的開(kāi)發(fā)和焊接工藝的研究是必不可少的。

　　從現實(shí)國情出發(fā),我們只能認真分析國外已開(kāi)發(fā)的新材料的性能與成本,對使用材料進(jìn)行復核試驗,掌握其工藝及使用性能,通過(guò)進(jìn)口鋼材在鍋爐上的使用,形成我國鍋爐用鋼系列,形成一定的標準,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(shí)際的工程施工需要為前提,滿(mǎn)足我國電力行業(yè)現行標準規定。