P91钢厚壁管多次热处理试验研究

P91钢厚壁管多次热处理试验研究

郭国均 张学锋 刘谋训

邮编：310016 电话：13757122737

摘要：SA335P91钢是目前广泛应用于亚临界和超临界火力发电机组中主蒸汽管道、再热热段管道及高中压导汽管道的高合金马氏体耐热钢。对于该材料焊缝的允许返修次数，DL/T 869-2004标准中已有明确的规定，但对于该材料焊缝允许的热处理次数，所涉及的标准都没有相关的内容和要求，本文对此进行了研究与分析。从试验方案的确定和实施入手，逐次完成了焊接试件多达五次的焊缝热处理，加工试样完成了一系列的理化试验，最后对各类数据进行分析并得出初步的结论。

关键词：P91钢，厚壁管，多次热处理，机械性能

0 前言

高温、高压管道材料是火力发电厂最重要的用材之一，它不仅对电厂的安全运行起着重要的作用，而且也影响电厂的建设投资。20世纪80年代，美国推出了SA335P91钢管材，用于替代A335P22 钢，目前已广泛应用于亚临界和超临界火力发电机组主蒸汽管道、再热热段管道及高中压导汽管道。与A335P22 钢相比较，SA335P91钢具有更好的耐高温强度和蠕变性能，在压力、温度、内

径相同的情况下，采用P91钢代替P22

钢，壁厚可减少一半左右，管道管件如直角三通的用量可降低约65%。

根据实践经验表明，SA335P91钢最适合

用于蒸汽温度在以内的（金属最高壁温）的锅炉本体（过热器、再热器），适用于锅炉外部的管道，蒸汽温度可达。其化学成分见下表1 ，其机械性能指标如下：

　　抗拉强度：≥585（MPa）；

　　屈服强度：≥415（MPa）；

　　伸 长 率：≥20（％）；

   冲 击 功：≥41（J）。

表1   P91材料成份

浙江浙能兰溪发电有限责任公司4台600MW机组主蒸汽管道、再热热段管道及高中导汽管道都采用了SA335P91钢材料。对于SA335P91的返修，DL/T 869-2004《火力发电厂焊接技术规程》明确规定：焊接接头有超过标准的缺陷时，可采取挖补方式返修，但同一位置上的挖补次数不得超过三次，耐热钢不得超过二次（需要进行热处理的焊接接头，返修后应重做热处理），但对于焊缝热处理的次数，确没有明确规定。为了保证SA335P91管焊缝质量，节约检修成本，浙能兰溪发电有限责任公司与浙江省火电建设公司联合成立了研究小组，对焊缝热处理次数进行了研究，因考虑到试验数据的准确性，所有理化试验委托浙江省电力试验研究院材料所完成。

1 焊接方案的制定和实施

1.1 SA335P91钢管采用规格为φ273×，日本川崎制铁株式会社生产，考虑到试验取样的需要，试件数量为2对。

1.2采用GTAW+SMAW焊接工艺，选择使用英国曼彻特焊材，牌号规格为：焊丝9CrMoV-N/φ；焊条9MV-N/φ2.5、φ3.2、φ，焊接工艺参数如下表2。

表2   焊接工艺参数一览表

1.3 采用二人对焊，焊接位置为（为保证每组试样焊接质量的一致性）。

1.4 焊接实施技术要求如下：

1）焊前应仔细将焊件坡口表面及其每侧各范围内的母材内、外壁以及焊丝表面的油、漆、垢、锈清理干净。

2）焊前应检查对接管口端面与管子中心线是否垂直。

3）对口时应检查是否有错口。

4）采用塞块进行点固，焊接工艺与本焊接工艺相同，不得有任何缺陷。

5）氩弧焊打底层焊后应检查并及时进行次层焊缝的焊接。

6）焊条电弧焊填充焊接时，双人对焊，并逐层进行检查，自检合格后，方可焊接次层，直至焊完。

7）填充焊接时，焊道厚度不大于所用焊条的直径，焊条摆动不大于焊条直径的3倍。

2 热处理方案的制定与实施

热处理过程包括焊前预热、层间温度控制和焊后（焊缝）热处理，其中焊前预热、层间温度控制和首次焊后热处理采用远红外温控柜进行加热控制，其余焊缝热处理采用箱式热处理炉进行，过程控制详见图1。

图1

2.1 焊前预热、层间温度控制

焊前预热、层间温度控制、后热处理时加热选用绳状加热器，上下各一支；热电偶布置位置根据加热器的位置进行，距离坡口边缘为宜，同时要保证热电偶测温点不得裸露。

工艺要求如下：

.1 预热温度控制GTAW为～、SMAW为～；考虑到层间温度的要求，实际控制GTAW为～、SMAW为～。

.2 层间温度控制为200。

注意事项如下：

2.1.2.1 预热温度及层间温度的测定，选用远红处测温仪。测温方法：预热温度在坡口内测量；层间温度在起焊点前处测量。

2.2 焊后热处理

焊后热处理温度控制见右图2，分成二个阶段。

第一阶段是焊接接头完成后冷却至80℃～，

保持2小时后的完全马氏体化热处理；第二阶段是

恒温750-770℃的焊后热处理，时间4.5小时。

2.3 焊缝热处理

   在焊后热处理的基础上，对焊件进行了切片，共5片，再用箱式热处理炉对其中四片进行了第二次焊缝热处理。以后每做一次焊缝热处理，焊件就少一片，直至完成。

2.4 热处理工艺参数

恒温温度：750；

恒温时间：4.5 h；

升降温速度：140℃/h。

注：考虑到施工中现场存在热处理实施后焊缝硬度不合格现象，因此我们对首次焊口的焊后热处理恒温时间设定为3.5 h（实际试验的结果表明首次热处理实施后焊缝硬度不合格，符合方案设定要求）。

3 理化试验要求和数量

该次试验由于试验的目的是热处理次数对焊缝机械性能的影响，因此，在取样前对二个试件进行了RT检验，目的是试验试样避开焊接超标缺陷。

试样共分五组，每组加工2处拉伸试样，6个冲击试样，1个微观试样和1个硬度试样，试样如图3。

图3

4 试样检验结果统计

4.1 试样的拉伸强度和断后伸长率见表3，断口位置位于在母材处。

表3  拉伸强度和断后伸长率试验数据汇总表

4.2 每组冲击韧性试验样有6个，焊缝3个，热影响区3个，焊缝冲击值要求大于41J，详细的试验数据见下表4。

表4 焊缝冲击韧性试验数据汇总表

4.3  焊缝硬度值按标准要求不大于250HB且不低于母材硬度，硬度检验数据见下表5。

表5 焊缝硬度数据汇总表

4.4 焊接接头的微观金相显示，母材、热影响区和焊缝都是回火马氏体组织，详见图4-

图6。

1               2                 3               4                5

图4  母材组织（放大倍数100×）

1               2                 3               4                5

图5  热影响区组织（放大倍数100×）

1               2                 3              4                5

图6  焊缝组织（放大倍数100×）

4检验数据分析

4.1 从拉伸强度的强度指标数据可知，每组拉伸试样的强度值都随着热处理次数的增加而减少，但减少的数值不大且远大于材料的许用强度。

4.2从断后延伸率指标数据可知，每组的断后延伸率值随着热处理次数的增加而增加，当第五次热处理后则急剧下降，从五组数据可知第一组和第五组数据为不合格。

4.3 从冲击试验的韧性指标数据可知，焊缝与母材的冲击韧性随着热处理次数的增加而增加，表明热处理可改善焊缝的冲击韧性。

4.4 从硬度试验的硬度指标数据可知，第一组由于工艺设置不当显示为不合格，第二次重做后硬度值合格，硬度指标随着热处理次数的增加而硬度减小，焊缝硬度值下降比母材快，当第五次后焊缝与母材接近。

4.5 从母材、热影响区和焊缝的微观金相组织可知，热处理次数的增加与组织变化无关，且无晶粒长大现象发生。

5 结论

1 按规范、标准要求对SA335P91钢进行焊缝热处理，可使焊接接头抗拉强度值降低、冲击韧性值改善、硬度值降低、断口伸长率改善，但随着热处理次数的增加到第五次时断口伸长率急剧下降。

2 SA335P91钢进行多次热处理对焊缝接头的综合性能有利的，但应控制次数，按本次试验分析，最佳控制在四次。

3 焊缝热处理次数与焊接返修次数基本吻合，当焊缝首次热处理不合格时且同一位置需返修二次累计，焊缝热处理次数刚好是四次。