T91/P91钢的发展应用及其焊接性综述
2013-08-29 01:02
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作者：郑元生 钟涛 韩彦朝 刘立新
[摘要]本文对T91/P91钢的概况、发展现状、焊接过程后产生裂纹与冲击韧性下降的问题进行了综述和分析。就如何焊接缺陷和裂纹等问题进行了初步的讨论,并且对国内T91/P91生产的现状和存在的问题进行了,为如何获得优质的焊接接头进行了总结,希望为我国电力大直径厚壁管的焊接提供。
[关键词]T91/P91 焊接性 冲击韧性
当今火力发电锅炉机组以大容量、高参数、超临界为发展趋势。为确保机组设备安全、可靠运行,提高生产效率和效益,满足高温、高压管道的需要,但热强性高、工艺性好、价格低廉材料的开发则是最关键的问题。P91钢具有高温持久强度和抗蠕变断裂性能,与 T22(10CrMo910)钢相比在相同使用温度和压力的条件下,管壁厚减薄50 %;与奥氏体钢相比,膨胀系数较小、热传导性好,热裂纹倾向小,价格也相对便宜,使得P91钢成为高温过热器联箱、主蒸汽管道等高温、高压管道的首选及替代钢种。无论是使用性能,还是经济性,P91都表现出了它的优越性,其使用量也正在不断增加。但国内对其焊接工艺还处于研究和完善阶段,其个别性能指标不理想,如常温下的冲击韧性偏低。因此,研究和开发适合的焊接工艺和焊后热处理工艺,对指导焊工培训和现场焊接需要,具有重要的现实意义和经济价值。
一、 T91/P91钢的主要性能
T91/P91钢是一种改进的9Cr-1Mo钢,它是在9Cr-1Mo钢的基础上通过添加 V、Nb、N等合金元素,采用纯净化、细晶化冶金技术。以及微合金化和控轧、控冷等工艺。开发出的新一代中合金耐热马氏体钢。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。房娟、周爱军通过对接焊缝、采用氩弧焊+埋焊(GTAW+SAW),经732～766℃,保温时间240min热处理获得σb≥660MPa,焊缝维氏硬度HV10≥183。
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二、 T91/P91钢的发展背景与研究现状
20世纪 70年代美国在实验室改进原有的 9Crl-1Mo钢,80年代初确定改良型钢为 T91 /P91钢。接着 1983年 T91 /P91钢获美国 AS ME认可 , 80年代末德国从 F12钢转向使用 T91 /P91钢,90年代初日本大力推广 T91 /P91钢。目前世界主要生产锅炉管和大直径厚壁管的钢厂,均已完成了T91 /P91钢化生产研究。其中日本、德国、法国等
的钢厂已向全世界供应 T91 /P91钢管。
到目前为止,国外进口的焊接材料主要品牌有:英国曼切特、日本神钢、美国阿克斯、瑞典伊萨、美国华盛顿、法国沙福等。八十年代后期,我国也开始对P91的生产及焊接进行了初步的研究,并且取得一定进展,但与国外生产厂家相比还有一定的距离。经过20年多年对T91/P91钢的研究和开发,证明工作温度在550℃～650℃时,仍具有较好的综合性能,所以,在相等内径情况下,可显著减少钢管壁厚和重量。在550℃、25MPa压力下钢管壁厚及重量减少更为优良。由于壁厚及重量的减少,无论是钢管的支撑部件、装备总重量还是装备所占用的空间都大为减少,具有良好的经济性,因此,T91/P91钢在火力发电机组工件使用中具有非常宽广的应用前景。
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。
1.T91/P91钢的焊接性
(1)裂纹倾向
在实际生产中,焊接过程中产生的裂纹是焊件安全工作过程中最大的隐患。P91钢具有较高的高温蠕变断裂强度,低的热膨胀性,良好的导热性,较好的加工性和抗氧化性能。但是P91钢是中高合金,合金元素总含量大于 13%,导致Ms点升高,使焊缝组织即使在空冷条件下也会得到马氏体,这说明该钢材的淬硬倾向大,冷裂纹敏感性强。当P91钢在不预热条件下进行焊接时,不论用手工电弧焊或钨极氩弧焊在焊接接头的表面或内部,产生裂纹的机率是100%,可以说 P91具有较大的冷裂纹倾向。冷裂纹产生的因素有三个: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。
