T91/P91钢的焊接性及其焊接工艺

fandongkun

介绍了T9l／P91钢的研发过程，分析了该钢焊接性主要问题，探讨了该钢焊接工艺要点及其应用。结果表明，T9l／P91新型钢种以其一系列优良的使用性能，在高参数火力发电机组高温管道上获得了广泛的应用。该钢焊接性的主要问题是冷裂纹敏感性较强，以及一定的热裂纹倾向，同时也不可忽视接头性能的弱化(焊缝区韧性恶化和热影响区的软化)；合理的焊接工艺是控制和改善该钢焊接性的重要技术手段。焊接方法和焊接材料确定以后，获得优质接头的关键工艺措施是：焊前预热、控制层温，以及“及时有效”的焊后热处理等工艺。不同的接头组合类型(同种钢或异种钢)，不同规格尺寸的T91／P91钢管焊接，其匹配的焊接工艺各具特色；采用专用药芯焊丝填充TIG打底新工艺，将该钢种的焊接工艺推向一个新的发展阶段。

　　一、概述

　　T91／P91钢以其良好的高温持久强度、热稳定性和高温抗蠕变能力等综合性能，在电站锅炉的过热器、再热器及主蒸汽管道上获得越来越广的应用。虽然说T91／P91钢在我国使用和研究已有十多年的历史，一些单位在掌握该钢焊接工艺方面积累了一些经验，并且由国家电力公司电源建设部下发了《T91／P9l钢焊接工艺导则》指导性文件，但在施工现场施焊时，该钢的焊接质量问题仍时有发生。这表明，一方面是对该钢焊接性的理解不够深人；另一方面对配套焊接工艺关键技术的控制尚不到位。换言之，对引进钢种及其焊接工艺的消化、吸收以及国产化工作仍须继续进行。关于T91／P91钢焊接的研究文献逐年增多，电厂机组成功应用的范例无一不与其采用的焊接工艺密切相关。

　　由于接头的组合类型、管子的规格尺寸(直径和壁厚)不同，焊接所匹配的工艺各异，因而继续开展T9l／P91钢焊接性及其配套工艺的研究，对探寻工艺控制接头性能机理，以及创新工艺核心技术很有必要。为此，本文特意将典型焊接工艺与该钢焊接性问题相联系，综合评述该钢焊接工艺的特点及其应用。该项工作对推动T91／P91钢焊接工艺的进一步完善，提高锅炉使用寿命，具有积极的意义和参考价值。

　　二、T91／P91钢简介

　　随着电力工业的迅速发展，高参数、大容量机组不断涌现，对钢管材料的高温蠕变性能和抗应力腐蚀等性：能提出更高要求。为此，世界主要的工业发达国家进行了大量研究，先后开发出系列新型铁索体型耐热钢，并成功地用于大容量火力发电机组，其中高CT型9Cr1MoVNbN耐热钢即为T91／P91钢。

　　20世纪70年代美国在试验室改进原有的9Cr1Mo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ASME认可。80年代末德国从F12钢转向使用T9l／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罐管的钢厂，均已完成了T91／P91钢工业化生产研究，其中日本、德国、法国等国家的铡厂已向全世界供应T91／P9l钢管。我国于1987年引进该钢种并在电厂应用。该钢的国产化工作已由冶金部部署实施。

　　T91／P91钢被高参数火力发电机组广泛应用，是因为该钢种的使用性能具有以下优点：①与不锈钢相比，该钢具有低的热膨胀系数和良好的导热性。
　②该铡具有较高的室温抗拉强度，δb最高达770MPa，而且塑性也较好。③该钢的冲击韧度和材料脆性转变温度明显优于同类X20和EMl2钢。④该钢具有更高的高温持久强度和许用应力，在550℃高温经过105h运行后的高温持久强度是T22钢的2倍，在540～610℃内的许用应力明显高于T22、TP304H和X20钢。⑤该钢具有良好的整管弯曲加工性能。⑥该钢的高温疲劳性能优于T22和TP304H钢，高温抗氧化性能也远高于T22钢。

　　三、T91／P91钢的焊接性

　　T91／P91钢是在9Cr1Mo钢的基础上，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钢。从化学成分上看(见表1)，T91／P91钢中C、S、P含量降低了，并用V、Nb、N元素微合金化；从力学性能上看(见表2)，T91／P91钢的强度和韧性改善了。这是由于该钢的强化机理与老钢种有原则的不同，即除了固溶和沉淀强化外，还通过微合金化、控轧、形变热处理及控冷获得高密度位错和高度细化晶粒的结果。该钢的供货状态为正火＋回火(730～760℃)，显微组织是回火马氏体。

　　与T9钢相比，T9l／P9I钢由于降低了碳和杂质元素的含量，焊接裂纹的敏感性明显减弱，防止裂纹产生的预热温度随之而降。应该说，该钢的焊接性有所改善。但是这并不意味着在所有的情况下都能获得满意的接头性能。研究表明，该钢焊接性的主要问题如下：

　　(1)焊接裂纹敏感性。钢中合金元素种类多，总含量达10%左右，具有相当高的空淬特性，由于HAZ淬硬倾向大，冷裂纹敏感性仍较大；同时钢中含有C、Nb等促进热裂的元素，因此该钢还有一定的热裂倾向，其敏感性介于SA213—T9钢和SA213—TP304H钢之间。

　　(2)HAZ塑性降低。由于受焊接热循环的影响，HAZ晶粒长大倾向较大，使该区的塑性降低。

　　(3)HAZ的软化。由于受焊接热循环的影响，HAZ出现软化层，恶化了该区的力学性能。

　　(4)焊缝金属韧性的恶化。由于焊缝金属未曾经受控轧和形变热处理过程，晶粒不可能由此被细化；同时焊缝中的Nb、V元素在冷却凝固过程中难以呈微细的C、N化合物析出，因此焊缝的韧性比母材低许多。

　　(5)有研究显示，在一些情况下，该钢还有一定的应力腐蚀裂纹敏感性。

　　总体上看，该钢焊接性的主要问题是冷裂纹敏感性较强，以及一定的热裂纹倾向，同时也不可忽视接头性能的弱化(焊缝区韧性恶化和热影响区的软化)。合理的焊接工艺是控制和改善该钢焊接性的重要技术手段。

　　四、T91／P91钢的焊接工艺要点

　　电站锅炉过热器和再热器用T91钢管常用规格有ψ54mm和ψ57mm等，壁厚有4mm、8mm和9mm等几种。大直径主蒸汽P91钢管有ψ457mm×45mm、ψ347mm×46mm等多种规格。小径管现场施工多为水平对接固定位，要求单面焊双面成形，而且要求反而焊缝不被氧化。为使接头具有满意的使用性能，早期的焊接工艺主要采用两种方法：一是全氩弧焊(TIG打底＋TIG填充)；二是氲弧焊(TIG)打底＋焊条电弧焊填充。
其焊接工艺要点如下：

　　(1)采用正确的坡口形状和尺寸。

　　(2)选用合理的焊接材料(TIG焊丝和填充电焊条)。

　　(3)选用正确的焊接规范(包括焊丝及电焊条牌号和直径、钨极直径、焊接电流、氩气流量、电源极性、焊缝层数及道数等)。

　　(4)选用正确的工件预热温度、焊缝层间温度。

　　(5)选用合理的焊后热处理规范(包括升降温速度、回火温度及保温时间等)。

　　(6)坚持正确的接头装配定位焊和熟练、高超的手工操作技能等。

　　据文献报道，上述方法及工艺的应用，取得了较为满意的效果。但是该工艺的不足之处或困难是焊接过程中焊缝的背面保护问题较复杂，一旦保护不好，背面焊缝即被氧化，焊缝的质量不能保证，造成不安全隐患。为此，近年来推出了自保护药芯焊丝焊接方法及其工艺。该工艺的最大特点是焊接过程中冶金反应产生的气体和熔渣，不仅对正面熔池能够进行有效的保护，而且反面焊缝也被熔渣有效保护；正所谓气渣联合保护焊接方法及工艺，可以完全免除焊缝背面充氩复杂程序及装置，克服了TIG方法背面焊缝保护困难的缺点。然而，该方法目前尚不成熟，原因是这种专用自保护药芯焊丝焊缝质量难以保证，况且焊丝的焊接工艺性也难以接受。

　　近年来，还有一种采用药芯焊丝填充打底的TIG焊接方法。该方法的特点是，打底焊时用药芯焊丝的熔渣对背面焊缝进行保护，免除了焊缝背面保护，焊缝的填充层可以是TIG焊接，也可以是焊条电弧焊。这种打底专用药芯焊丝成分、性能调整方便，接头的性能能够满足使用要求，焊接工艺性也令人满意，是一种前景看好的工艺方法。药芯焊丝打底的TIG焊接方法的焊接工艺要点，除了焊接材料和焊接规范的选用，以及操作技术与上述全氩弧焊有所不同外，其他要点大同小异。

　　对于大径管(P91)的焊接，除了采用TIG打底＋焊条电弧焊填充(多层多道)焊接方法之外，近期有单位采用了埋弧焊工艺(TIG打底＋条电弧焊填充5～8mm＋弧焊填充)，明显提高了焊接生产效率，同时改善了焊接质量。

　　从T9l／P91钢焊接工艺特点可以看出，无论是用实芯焊丝打底TIG焊接方法，还是药芯焊丝打底TIG方法，其焊接工艺要点的实质是要达到两个目的：一是防止焊接缺陷产生；二是保证接头的使用性能。为防止焊接缺陷产生，必须对诸如工件预热温度、焊缝层问温度、焊接热输入量，以及操作技术等工艺参数进行有效控制；而为保证接头的使用性能，必须对诸如填充焊丝(实芯或药芯)成分、焊接热输入量，以及工件焊后热处理等工艺参数进行有效控制。

　　应当看到，焊接方法和焊接材料确定以后，获得优质接头的关键工艺措施是：焊前预热、控制层温，以及“及时有效”的焊后热处理。焊前预热的实质是控制焊接区的氢的行为，降低焊接区的硬度和应力峰值及改善韧性。控制层问温度一方面为防止焊缝过热；另一方面是为了保持缓冷。及时有效的焊后热处理包含两层意思：一是该项工艺确实能起到改善焊缝及其HAZ组织，提高接头的韧性和高温持久强度以及消除焊接内应力等作用；二是在实施该项工艺时，必须严格控制焊件焊后冷却的最低温度，以及到焊后热处卿的时问问隔。