T91/P91钢焊接质量监督检验关键技术分析

摘要：结合电站锅炉安装工程实例，对T91/P91钢的焊接、热处理、硬度检验及金相检验过程进行了分析，探讨了它们之间的关系，对实际工程中出现的问题提出了对策。

关键词：T91/P91钢 焊接质量 热处理 监督检验 电站锅炉

引言

某电厂“上大压小”工程2×600MW燃煤汽轮发电机组，锅炉为超临界参数变压直流炉、单炉膛、一次再热、平衡通风、半露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构∏型锅炉。锅炉在B-MCR工况下主蒸汽参数为571℃/25.4MPa，主蒸汽流量为2030t/h。为保障锅炉的安装质量和安全运行，根据《特种设备安全监察条例》、《蒸汽锅炉安全技术监察规程》、《锅炉安装监督检验规则》等的要求，并参考《电站锅炉压力容器检验规程》等相关技术标准，制定了锅炉安装检验检测方案，对安装过程中涉及安全性能的项目进行监检和对质量管理体系运转情况进行监督检查。该项目锅炉安装整体水压试验一次成功，并顺利经过168小时整套连续满负荷试运行，各项安全指标均达到相关标准要求。在电站工程建设中，焊接是现代电站锅炉制造安装过程中最重要的加工工艺技术，是电站锅炉建造安全质量控制的一道关键工序。该工程项目两台锅炉受监的安装焊口达73000余道，其中在屏式过热器、高温过热器、高温再热器及其连接管道和集箱，主蒸汽管道及再热蒸汽热段管道等受压部件上应用了TP1/P91钢，对这些受压部件安装焊接质量进行监检，并明确焊接、热处理、硬度检验及金相检验等几个安全质量控制环节中的关键技术问题，对于控制焊接质量，保障锅炉安装质量及机组安全运行有重要意义。

1.T91/P91钢焊接及焊后热处理监督检验

1.1.化学成份及性能

T91/P91钢是ASME标准SA213-T91/SA335-P91钢的简称，它是在9Cr1Mo钢的基础上添加V、Nb、N等元素开发的新型耐热钢，在GB5310标准中相应牌号为10Cr9Mo1VNbN，化学成分见表1。

该钢采用了高合金化和正火加高温回火热处理，在完全的回火马氏体状态下使用。通过固溶强化、板条马氏体强韧化、界面强韧化、位错强韧化、沉淀和弥散强化等强化机制使其具有优异的高温持久性能、抗蠕变性能及良好的抗氧化性和抗腐蚀性能[1]。

1.2. 焊接质量监督检验

电站锅炉安装受压部件的焊接，要求焊接操作人员应按《锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则》考试合格，取得相应的合格项目，并在有效期内方可从事合格项目范围内的焊接工作。焊接时必须采用经评定合格的焊接工艺和热处理工艺。施焊单位必须严格执行对焊接和热处理工艺的管理。只有经批准的焊接工艺规程才可用于指导焊工施焊和焊后热处理工作。对焊接坡口制备、焊接过程控制参数、预热和热处理控制参数等均要求符合焊接工艺规程的规定。最终焊接接头质量通过外观检验、通球试验、化学成分分析、无损检测、力学性能检验、水压试验等项目的检查，并且全部合格，它的质量才算达到规定的要求。

1.3. 焊接过程监督检查

实际工程中，严格控制T91/P91钢焊接预热温度、层间温度、焊接热输入量及焊后热处理温度是保证其焊接接头性能的必要条件，也是焊接过程监督检查的关键。

T91/P91钢焊接时具有明显的冷裂倾向，为了防止冷裂纹的产生，焊前一般要进行预热。预热温度一般钨极氩弧焊为150℃～200℃，焊条电弧焊为200℃～250℃。焊接时层间温度过高，会造成焊缝组织粗大，焊缝中奥氏体量增加，马氏体量减少，马氏体“自回火”的作用不显著，最终导致焊缝组织脆性增加。层间温度过低，会增加产生冷裂纹的风险，也不利于焊缝金属中氢的扩散逸出[2]。因此，对焊接层间温度要进行控制，一般为200℃～300℃。同样，焊接热输入量过大也会造成焊缝组织过热、晶粒粗大及网状晶界等缺陷导致焊缝脆化，韧性变差，因此要严格控制焊接热输入量，一般控制在25KJ/cm以下。影响焊接热输入量的因素较多，但直接决定焊接热输入量的因

素是焊接电流，电弧电压和焊接速度这三个焊接参数。从以上分析可以看出，层间温度和焊接热输入量这两个参数出现问题时，将可能导致焊接接头韧性不合格，在现场韧性这个指标是不能被现有的焊接检验手段检测出来的。可见严格控制这两个参数的重要性。

T91/P91钢属于马氏体钢，马氏体转变开始温度在400℃左右，转变终了温度为120℃～150℃，要获得完全的回火马氏体焊接接头，焊后不能立即进行热处理，必须冷却到马氏体转变终了温度以下的80℃～100℃并保持一定时间，以保证焊接区域获得较充分的马氏体强化组织，为焊后回火热处理做好组织准备。

1.4. 焊后热处理监督检验

T91/P91钢焊后进行760±10℃高温回火热处理，主要作用是降低焊接接头残余应力，获得中、高温回复状态的板条马氏体组织。由于这种钢对焊接热处理敏感，它的理论AC1温度在800℃～830℃之间，其下限距标准规定的热处理温度上限比较接近，热处理过程的允许偏差就有可能超过钢材的AC1温度。另外，焊接材料的性能往往悬殊很大，特别是AC1温度差别很大，如日系T91/P91焊材的AC1温度在770℃左右，如按760±10℃热处理，就有可能超过焊缝金属的AC1温度[3]。当焊后热处理温度超过AC1温度时，其室温冲击韧性将急剧下降，满足不了焊接接头性能的要求，这在实际监检过程中是要特别注意的地方。

对热处理效果的检查通常以核对热处理温度-时间记录曲线为主，再辅以硬度检查和金相检查。当检查发现热处理温度自动记录曲线存在问题，或硬度检查结果存在异常情况时，要进一步查明原因确定是否重新进行热处理；当自动记录曲线和硬度值均不合格时，要重新进行热处理；如果自动记录曲线正常而硬度值不合格时，要进一步通过金相分析检查热处理效果，来确定是否需要重新进行热处理。

2. T91/P91钢硬度检验

硬度是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。它与强度有一定的关系，可以间接地反映强度的大小。在锅炉建造中，焊接接头经消除残余应力热处理后的直接结果就是热处理区域的硬度降低。因而，焊接硬度在一定程度上反映焊后热处理是否充分，也能间接反映焊接接头的力学性能。在锅炉安装现场，一般采取局部热处理消除焊接接头残余应力，通过测定焊缝及热影响区的硬度就成为检验热处理效果最简便和有效的方法。

T91/P91钢焊后热处理状态下焊缝金属、热影响区和母材的硬度关系一般为：焊缝硬度高于母材硬度，最高硬度在紧靠焊缝金属焊接界面的粗晶热影响区，最低硬度在远离焊接界面侧的细晶热影响区。根据TSG G7001-2004《锅炉安装监督检验规则》，硬度抽查部位应为热处理后的焊接接头及热影响区。在实际工程现场，一般采用便携式硬度计对硬度进行测试，考虑到仪器探头的尺寸，要测试狭窄的热影响区并不容易（手工电弧焊约为3～8 mm）。即使能测到热影响区的一些数据，也很难分辨粗晶区和细晶区，实际意义不大。因此，在热影响区很窄的情况下，要测试这个区域的硬度，就很难进行测试并且测试结果也不一定理想。考虑到焊缝和母材这两个区域能够很容易分辨开来，一种最直接的方法就是只测焊缝和母材的硬度。DL/T438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》明确焊接接头硬度检测部位包括焊缝和近缝区的母材，这更便于实际操作。另外，这种钢的焊缝室温冲击功除了受到焊接时的层间温度、焊接热输入量及焊接材料成分波动的影响，当焊缝硬度值超过HB250～HB260时，室温冲击功就有可能满足不了41J的最低值要求。所以应控制焊缝硬度值在180HB～270HB，直管段母材硬度值在180HB～250HB。这样就能满足冲击功41J的最低值要求，也使硬度检验真正反映热处理效果的作用。

实际硬度测试过程中，测试区域表面状态对测量结果有较大影响。通常要求硬度检验的打磨深度为0.5mm～1.0mm，并以120号或更细的砂轮、砂纸粗磨，保证表面粗糙度Ra<1.6?m。这样既可保证硬度测试值的准确性又可减小硬度测试值的不一致性。

3.T91/P91钢金相检验

GB5310《高压锅炉用无缝钢管》标准中10Cr9Mo1VNbN钢管的交货热处理状态为正火加回火，正火温度为1040℃～1080℃，回火温度为750℃～780℃，显微组织为回火马氏体或回火索氏体（晶粒度大于或等于4级）。更细微的观察，要求回火马氏体板条中发生中、高温回复，马氏体板条碎化，板条内为精细的亚晶块结构，出现密集的位错网络，并且M23C6碳化物尺寸不大。这种钢中铁素体形成元素含量较高，会使奥氏体单相区缩小，δ铁素体转变温度下降，在热加工过程中易生成δ铁素体。δ铁素体强度硬度较低，以及碳化物通常聚集在δ铁素体与周围马氏体基体的界面上，削弱晶界的强化这两方面的作用，从而导致钢的强度及韧性下降。另外，焊缝组织中若出现过量的δ铁素体，也会导致焊缝的脆性增加，韧性下降，对焊接接头的力学性能产生不良影响[4]。因此要对其δ铁素体体积分数进行控制。在工程现场对直管段母材，要求金相组织的δ铁素体含量不超过5%，焊缝和熔合区金相组织中的δ铁素体含量不超过8%。这样的金相组织才算符合标准的要求。

4.结语

焊接质量是电站锅炉安装安全质量监督检验的重点。T91/P91钢焊接时预热温度、层间温度、焊接热输入量及焊后热处理温度是焊接过程监督检查的关键。焊后高温回火热处理效果的检查通常采用核对热处理温度-时间记录曲线、硬度检验和金相检验的方法。硬度检验时要注意测试部位及其表面状态，并对硬度测试值进行控制。金相组织为完全回火马氏体组织，要严格控制组织中δ铁素体的体积分数。

参考文献：

[1] 束国刚，刘汇南，石崇哲，等.超临界锅炉用T/P91钢的组织性能与工程应用[M].陕西：陕西科学技术出版社，2006.

[2] 西安热工研究院.超临界、超超临界燃煤发电技术[M].北京：中国电力出版社，2008：101-107.

[3] 朱志前，李琳.火电安装管道焊接接头的热处理[J]. 金属热处理，2011，36（9）：129-131.

[4] 彭志方，蔡黎胜，彭芳芳，等.P92钢中δ铁素体对700和750℃时效析出相成分和体积分数的影响[J].金属学报，2012，48（11）：1315-1320.

作者简介：赵争荣（1964—），男，山西万荣人，硕士，高级工程师，从事电站锅炉监督检验研究工作。