T91P91钢的发展应用及其焊接性综述

1T91/P91钢的发展应用及其焊接性综述[摘要]本文对T91/P91钢的发展概况及现状、焊后裂纹的产生与冲击韧性下降的问题进行了综述和分析。初步讨论了焊接缺陷和裂纹等问题,总结了国内T91/P91的生产现状和现存问题,为得到优质的焊接接头提供研究方向。,[关键词]T91/P91钢焊接性裂纹冲击韧性1.引言如今火力发电锅炉机组的发展趋势是大容量、高参数、超临界。所以确保机组设备安全可靠运行,提高生产效率和经济效益,满足高温、高压就是管道用钢要满足的基本的需要。热强性高、工艺性好、价格低廉材料的应用也是需要解决的关键问题。2.T91/P91钢的化学成分和力学主要物理性能，T91/P91钢是一种在9Cr-1Mo钢的基础上采用V、Nb、N等微合金化,并应用纯净化、细晶化冶金技术，以及控轧、控冷等工艺开发出的新一代中合金耐热马氏体钢。T91/P91钢在正火并经730～760℃回火热处理后,金相组织呈典型的马氏体骨架结构,导致M23C6铬碳化物沉淀在马氏体骨架的边缘,并形成MX形的V/Nb碳氮化物。在较粗的M23C6碳化物及内部较细的沉淀转换成细箔之后,会发现次微粒内较大的错位密度,这种高位错密度的细次晶粒结构是T91/P91具有高温蠕变强度的决定因素。其常温下屈服强度σs≥415MPa,抗拉强度σb≥585MPa,断面收缩率δ≥20,硬度HB≤250。T91/P91钢在550℃和600℃下时效，力学性能变化大。超过600℃，韧度还能保持在100J/cm²以上，强度与塑性也能满足标准要求。但现在各国都把T91/P91钢的使用温度定在593℃。3.T91/P91钢的焊接性目前,国内对T91/P91的研究主要集中在焊接工艺、焊接接头冲击韧性、焊接脆性、焊后热处理和焊接热影响区等方面。3.1.T91/P91钢的焊接工艺T91/P91钢多采用氩弧焊打底焊接，焊条电弧焊填充和盖面焊接工艺。焊前要对管道接口进行坡口制备，一般选用U型或V型坡口，并用角向打磨机打磨坡口表面及局坡口15~20mm范围，清除水，锈，油等赃物。打底焊选用碱性低氢型焊材，大管径预热温度200~250℃，层间温度200~300℃。若焊件应力较小且壁厚不大，预热温度可以低于200℃，壁厚小于80mm，焊后接头可以冷却至室温。氩弧焊打底焊采用直流正接，两人对称焊接，焊接速度不宜太快，焊层厚度不少于3mm。氩气流量正面为8~12L/min，T91背面为8~12L/min，P91背面第一遍打底10~25L/min，第二遍打底3~8L/min。焊条电弧焊填充和盖面焊接采用直流反接，两人对称焊接，第一二层采用直径3.2mm焊条，电流90~130A，中间层采用直径4.0mm焊条，电流110~150A。焊接过程中要注意药皮清除，焊接一段距离要进行脱氢及探伤处理。焊后要进行热处理。23.2.1.T91/P91钢的裂纹倾向P91钢具有较高的高温蠕变断裂强度和低的热膨胀性,良好的导热性,较好的加工性和抗氧化性能。但由于P91钢是中高合金钢,即合金元素总含量大于13%,Ms点较普通钢材有所升高,使焊缝组织在空冷条件下很容易会得到马氏体,总体而言，该钢材的淬硬倾向大,冷裂敏感性强。P91钢如果在不预热条件下进行焊接,不论使用手工电弧焊或哲钨极氩弧焊，焊接接头的表面和内部很容易产生裂纹,机率是100%,所以P91具有较大的冷裂纹倾向。冷裂纹产生的因素主要有如下三个:一是P91钢属于空冷马氏体钢,在组织上有敏感性;二是在焊后的马氏体转变中,氢以过饱和状态残留在马氏体中,促使该区域进一步脆化;三是由于焊后的马氏体相变,使接头处的组织应力增大。这三个因素的共同作用,使P91钢对冷裂纹较为敏感。因此,P91钢焊接时应采取相应的措施以减少焊接冷裂纹。但P91焊件具有较小的截面尺寸,有效地降低了焊件壁厚,减少了材料用量,同时相对高的热传导性与低的热膨胀率,减小了热裂纹倾向。3.2.2减小裂纹产生措施目前,国内T91/P91钢的焊接常用全氩弧焊(针对T91)或氩弧焊打底焊接，手工电弧焊盖面,因此焊接材料主要是手工电焊条以及TIG氩弧焊丝。采用合金过渡方式能有效地减少焊接裂纹倾向,焊缝金属合金化有药皮过渡和焊芯过渡两种方式。目前多采用药皮过渡,虽然这种过渡方式存在合金过渡损失和焊缝脱渣困难两方面的问题,但制造成本低廉，所以这种合金化方法得到了较为广泛的应用。药芯过渡合金可以保证焊缝成分的均匀、可靠,减少合金元素的损失,确保焊接工艺性，但是药芯焊丝制造成本较高。并且由于焊接实验过程中,实验现场与现场实施存在不同,因此应严格制定焊接工艺,确保工艺被严格执行。3.3预热在不进行焊后热处理的情况下，预热温度低于250℃时，有可能会出现冷裂纹，预热温度高于300℃时，则不会出现冷裂纹。随着预热温度的升高，焊接接头的抗拉强度下降，伸长率变化不明显。在预热和热处理的情况下，随着热处理温度的升高，焊缝的硬度下降，预热温度变化的影响不明显，而预热和热处理对热影响区的性能影响比较大。无论在任何预热温度下，随着热处理问的的提高，焊接接头的伸长率都呈稳定的上升趋势。当预热温度提高到200℃～300℃时,就可避免冷裂纹的产生。但不能超过300℃,防止焊缝组织烧损和焊接缺陷的产生;焊后应及时进行高温回火热处理,防止产生冷裂纹。赵立通过实验研究了P91焊接过程中产生焊接弧坑的原因以及控制弧坑产生的过程,认为选用工艺性能好的焊材,控制焊缝成形,注意层间清理,打磨焊缝的收弧弧坑,均是避免P91层间焊接裂纹产生的有效手段。4.焊缝的焊后处理与冲击韧性P91钢厚壁管母材的冲击韧性一般能达到180J以上,但是焊接接头的冲击韧3性有时只有5J,远远低于母材,但经过焊后回火热处理焊接接头的冲击韧性可以得到改善。焊接线能量较大时，焊缝的冲击韧度下降，焊接线能量降低，可有效提高焊缝金属的韧性。一些实验证明T91钢焊后热处理对焊缝及母材组织性能的影响,结果表明,在740～780℃之间回火,焊缝硬度为264～237HV,回火马氏体板条特征明显,可以获得优良的焊接接头性能;回火温度超过780℃,焊缝板条马氏体特征消失,母材回火索氏体中碳化物产生偏聚,硬度、塑性明显降低。贺振宇通过稳定焊接及热处理电源,采用小参数多层多道焊保证晶粒细化,控制升降温速度及道间温度并延长热处理保温时间可保证焊缝冲击韧性。5.结语总的来说,国内对T91/P91钢焊接材料的研究和应用还处于由引进和模仿国外技术向自主开发研制的过渡阶段,与发达国家相比,我国在T91/P91产品质量的稳定性、产品的种类等方面仍旧在很大的差距;焊接材料生产和应用的规范化、标准化也有待加强;T91/P91异种钢焊接专用材料及相应的焊接工艺方法是电力生产中急需解决的现实课题;同时,随着以T91/P91钢为基础成分的新的改良钢种的进入市场,相应的焊接材料的开发和焊接工艺的研究是必不可少的。致谢衷心地感谢我的老师王惜宝教授。王惜宝教授渊博的学问学识，严谨的治学态度和对焊接冶金学的深刻理解和深入浅出的教学方法使我受益匪浅参考文献:[1]王宝才,王志伟,焦荣格.P91钢焊接工艺研究[J].河北电力技术,2006,25(4).[2]娄洁云.T91/P91钢的性能分析及焊接工艺[J].华电技术，2010，32（4）：35-39.[3]王翱，朱伊普，白大鸣.关于T90/P91钢焊接的探讨[J].黑龙江电力，2009,31（1）：78-81[4]郑中甫,陈泉.工艺参数及焊接材料对T91/P91钢焊缝性能的影响[J].热加工工艺,2006,35(6):41-43.[5]付永生,李实,张春山.P91钢大径管焊接工艺[J].吉林电力技术,2002.16-18.