T91/P91鋼焊接質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)分析

摘要：結(jié)合電站鍋爐安裝工程實(shí)例，對T91/P91鋼的焊接、熱處理、硬度檢驗(yàn)及金相檢驗(yàn)過程進(jìn)行了分析，探討了它們之間的關(guān)系，對實(shí)際工程中出現(xiàn)的問題提出了對策。

關(guān)鍵詞：T91/P91鋼 焊接質(zhì)量 熱處理 監(jiān)督檢驗(yàn) 電站鍋爐

引言

某電廠“上大壓小”工程2×600MW燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組，鍋爐為超臨界參數(shù)變壓直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、半露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)∏型鍋爐。鍋爐在B-MCR工況下主蒸汽參數(shù)為571℃/25.4MPa，主蒸汽流量為2030t/h。為保障鍋爐的安裝質(zhì)量和安全運(yùn)行，根據(jù)《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》、《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、《鍋爐安裝監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》等的要求，并參考《電站鍋爐壓力容器檢驗(yàn)規(guī)程》等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制定了鍋爐安裝檢驗(yàn)檢測方案，對安裝過程中涉及安全性能的項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)檢和對質(zhì)量管理體系運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行監(jiān)督檢查。該項(xiàng)目鍋爐安裝整體水壓試驗(yàn)一次成功，并順利經(jīng)過168小時(shí)整套連續(xù)滿負(fù)荷試運(yùn)行，各項(xiàng)安全指標(biāo)均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。在電站工程建設(shè)中，焊接是現(xiàn)代電站鍋爐制造安裝過程中最重要的加工工藝技術(shù)，是電站鍋爐建造安全質(zhì)量控制的一道關(guān)鍵工序。該工程項(xiàng)目兩臺鍋爐受監(jiān)的安裝焊口達(dá)73000余道，其中在屏式過熱器、高溫過熱器、高溫再熱器及其連接管道和集箱，主蒸汽管道及再熱蒸汽熱段管道等受壓部件上應(yīng)用了TP1/P91鋼，對這些受壓部件安裝焊接質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)檢，并明確焊接、熱處理、硬度檢驗(yàn)及金相檢驗(yàn)等幾個(gè)安全質(zhì)量控制環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)問題，對于控制焊接質(zhì)量，保障鍋爐安裝質(zhì)量及機(jī)組安全運(yùn)行有重要意義。

1.T91/P91鋼焊接及焊后熱處理監(jiān)督檢驗(yàn)

1.1.化學(xué)成份及性能

T91/P91鋼是ASME標(biāo)準(zhǔn)SA213-T91/SA335-P91鋼的簡稱，它是在9Cr1Mo鋼的基礎(chǔ)上添加V、Nb、N等元素開發(fā)的新型耐熱鋼，在GB5310標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)牌號為10Cr9Mo1VNbN，化學(xué)成分見表1。

該鋼采用了高合金化和正火加高溫回火熱處理，在完全的回火馬氏體狀態(tài)下使用。通過固溶強(qiáng)化、板條馬氏體強(qiáng)韌化、界面強(qiáng)韌化、位錯(cuò)強(qiáng)韌化、沉淀和彌散強(qiáng)化等強(qiáng)化機(jī)制使其具有優(yōu)異的高溫持久性能、抗蠕變性能及良好的抗氧化性和抗腐蝕性能[1]。

1.2. 焊接質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)

電站鍋爐安裝受壓部件的焊接，要求焊接操作人員應(yīng)按《鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規(guī)則》考試合格，取得相應(yīng)的合格項(xiàng)目，并在有效期內(nèi)方可從事合格項(xiàng)目范圍內(nèi)的焊接工作。焊接時(shí)必須采用經(jīng)評定合格的焊接工藝和熱處理工藝。施焊單位必須嚴(yán)格執(zhí)行對焊接和熱處理工藝的管理。只有經(jīng)批準(zhǔn)的焊接工藝規(guī)程才可用于指導(dǎo)焊工施焊和焊后熱處理工作。對焊接坡口制備、焊接過程控制參數(shù)、預(yù)熱和熱處理控制參數(shù)等均要求符合焊接工藝規(guī)程的規(guī)定。最終焊接接頭質(zhì)量通過外觀檢驗(yàn)、通球試驗(yàn)、化學(xué)成分分析、無損檢測、力學(xué)性能檢驗(yàn)、水壓試驗(yàn)等項(xiàng)目的檢查，并且全部合格，它的質(zhì)量才算達(dá)到規(guī)定的要求。

1.3. 焊接過程監(jiān)督檢查

實(shí)際工程中，嚴(yán)格控制T91/P91鋼焊接預(yù)熱溫度、層間溫度、焊接熱輸入量及焊后熱處理溫度是保證其焊接接頭性能的必要條件，也是焊接過程監(jiān)督檢查的關(guān)鍵。

T91/P91鋼焊接時(shí)具有明顯的冷裂傾向，為了防止冷裂紋的產(chǎn)生，焊前一般要進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱溫度一般鎢極氬弧焊為150℃～200℃，焊條電弧焊為200℃～250℃。焊接時(shí)層間溫度過高，會(huì)造成焊縫組織粗大，焊縫中奧氏體量增加，馬氏體量減少，馬氏體“自回火”的作用不顯著，最終導(dǎo)致焊縫組織脆性增加。層間溫度過低，會(huì)增加產(chǎn)生冷裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，也不利于焊縫金屬中氫的擴(kuò)散逸出[2]。因此，對焊接層間溫度要進(jìn)行控制，一般為200℃～300℃。同樣，焊接熱輸入量過大也會(huì)造成焊縫組織過熱、晶粒粗大及網(wǎng)狀晶界等缺陷導(dǎo)致焊縫脆化，韌性變差，因此要嚴(yán)格控制焊接熱輸入量，一般控制在25KJ/cm以下。影響焊接熱輸入量的因素較多，但直接決定焊接熱輸入量的因

素是焊接電流，電弧電壓和焊接速度這三個(gè)焊接參數(shù)。從以上分析可以看出，層間溫度和焊接熱輸入量這兩個(gè)參數(shù)出現(xiàn)問題時(shí)，將可能導(dǎo)致焊接接頭韌性不合格，在現(xiàn)場韌性這個(gè)指標(biāo)是不能被現(xiàn)有的焊接檢驗(yàn)手段檢測出來的?？梢妵?yán)格控制這兩個(gè)參數(shù)的重要性。

T91/P91鋼屬于馬氏體鋼，馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度在400℃左右，轉(zhuǎn)變終了溫度為120℃～150℃，要獲得完全的回火馬氏體焊接接頭，焊后不能立即進(jìn)行熱處理，必須冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度以下的80℃～100℃并保持一定時(shí)間，以保證焊接區(qū)域獲得較充分的馬氏體強(qiáng)化組織，為焊后回火熱處理做好組織準(zhǔn)備。

1.4. 焊后熱處理監(jiān)督檢驗(yàn)

T91/P91鋼焊后進(jìn)行760±10℃高溫回火熱處理，主要作用是降低焊接接頭殘余應(yīng)力，獲得中、高溫回復(fù)狀態(tài)的板條馬氏體組織。由于這種鋼對焊接熱處理敏感，它的理論AC1溫度在800℃～830℃之間，其下限距標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的熱處理溫度上限比較接近，熱處理過程的允許偏差就有可能超過鋼材的AC1溫度。另外，焊接材料的性能往往懸殊很大，特別是AC1溫度差別很大，如日系T91/P91焊材的AC1溫度在770℃左右，如按760±10℃熱處理，就有可能超過焊縫金屬的AC1溫度[3]。當(dāng)焊后熱處理溫度超過AC1溫度時(shí)，其室溫沖擊韌性將急劇下降，滿足不了焊接接頭性能的要求，這在實(shí)際監(jiān)檢過程中是要特別注意的地方。

對熱處理效果的檢查通常以核對熱處理溫度-時(shí)間記錄曲線為主，再輔以硬度檢查和金相檢查。當(dāng)檢查發(fā)現(xiàn)熱處理溫度自動(dòng)記錄曲線存在問題，或硬度檢查結(jié)果存在異常情況時(shí)，要進(jìn)一步查明原因確定是否重新進(jìn)行熱處理；當(dāng)自動(dòng)記錄曲線和硬度值均不合格時(shí)，要重新進(jìn)行熱處理；如果自動(dòng)記錄曲線正常而硬度值不合格時(shí)，要進(jìn)一步通過金相分析檢查熱處理效果，來確定是否需要重新進(jìn)行熱處理。

2. T91/P91鋼硬度檢驗(yàn)

硬度是材料抵抗局部塑性變形或表面損傷的能力。它與強(qiáng)度有一定的關(guān)系，可以間接地反映強(qiáng)度的大小。在鍋爐建造中，焊接接頭經(jīng)消除殘余應(yīng)力熱處理后的直接結(jié)果就是熱處理區(qū)域的硬度降低。因而，焊接硬度在一定程度上反映焊后熱處理是否充分，也能間接反映焊接接頭的力學(xué)性能。在鍋爐安裝現(xiàn)場，一般采取局部熱處理消除焊接接頭殘余應(yīng)力，通過測定焊縫及熱影響區(qū)的硬度就成為檢驗(yàn)熱處理效果最簡便和有效的方法。

T91/P91鋼焊后熱處理狀態(tài)下焊縫金屬、熱影響區(qū)和母材的硬度關(guān)系一般為：焊縫硬度高于母材硬度，最高硬度在緊靠焊縫金屬焊接界面的粗晶熱影響區(qū)，最低硬度在遠(yuǎn)離焊接界面?zhèn)鹊募?xì)晶熱影響區(qū)。根據(jù)TSG G7001-2004《鍋爐安裝監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》，硬度抽查部位應(yīng)為熱處理后的焊接接頭及熱影響區(qū)。在實(shí)際工程現(xiàn)場，一般采用便攜式硬度計(jì)對硬度進(jìn)行測試，考慮到儀器探頭的尺寸，要測試狹窄的熱影響區(qū)并不容易（手工電弧焊約為3～8 mm）。即使能測到熱影響區(qū)的一些數(shù)據(jù)，也很難分辨粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)，實(shí)際意義不大。因此，在熱影響區(qū)很窄的情況下，要測試這個(gè)區(qū)域的硬度，就很難進(jìn)行測試并且測試結(jié)果也不一定理想?？紤]到焊縫和母材這兩個(gè)區(qū)域能夠很容易分辨開來，一種最直接的方法就是只測焊縫和母材的硬度。DL/T438-2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》明確焊接接頭硬度檢測部位包括焊縫和近縫區(qū)的母材，這更便于實(shí)際操作。另外，這種鋼的焊縫室溫沖擊功除了受到焊接時(shí)的層間溫度、焊接熱輸入量及焊接材料成分波動(dòng)的影響，當(dāng)焊縫硬度值超過HB250～HB260時(shí)，室溫沖擊功就有可能滿足不了41J的最低值要求。所以應(yīng)控制焊縫硬度值在180HB～270HB，直管段母材硬度值在180HB～250HB。這樣就能滿足沖擊功41J的最低值要求，也使硬度檢驗(yàn)真正反映熱處理效果的作用。

實(shí)際硬度測試過程中，測試區(qū)域表面狀態(tài)對測量結(jié)果有較大影響。通常要求硬度檢驗(yàn)的打磨深度為0.5mm～1.0mm，并以120號或更細(xì)的砂輪、砂紙粗磨，保證表面粗糙度Ra<1.6?m。這樣既可保證硬度測試值的準(zhǔn)確性又可減小硬度測試值的不一致性。

3.T91/P91鋼金相檢驗(yàn)

GB5310《高壓鍋爐用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中10Cr9Mo1VNbN鋼管的交貨熱處理狀態(tài)為正火加回火，正火溫度為1040℃～1080℃，回火溫度為750℃～780℃，顯微組織為回火馬氏體或回火索氏體（晶粒度大于或等于4級）。更細(xì)微的觀察，要求回火馬氏體板條中發(fā)生中、高溫回復(fù)，馬氏體板條碎化，板條內(nèi)為精細(xì)的亞晶塊結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)密集的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，并且M23C6碳化物尺寸不大。這種鋼中鐵素體形成元素含量較高，會(huì)使奧氏體單相區(qū)縮小，δ鐵素體轉(zhuǎn)變溫度下降，在熱加工過程中易生成δ鐵素體。δ鐵素體強(qiáng)度硬度較低，以及碳化物通常聚集在δ鐵素體與周圍馬氏體基體的界面上，削弱晶界的強(qiáng)化這兩方面的作用，從而導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度及韌性下降。另外，焊縫組織中若出現(xiàn)過量的δ鐵素體，也會(huì)導(dǎo)致焊縫的脆性增加，韌性下降，對焊接接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響[4]。因此要對其δ鐵素體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行控制。在工程現(xiàn)場對直管段母材，要求金相組織的δ鐵素體含量不超過5%，焊縫和熔合區(qū)金相組織中的δ鐵素體含量不超過8%。這樣的金相組織才算符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.結(jié)語

焊接質(zhì)量是電站鍋爐安裝安全質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)的重點(diǎn)。T91/P91鋼焊接時(shí)預(yù)熱溫度、層間溫度、焊接熱輸入量及焊后熱處理溫度是焊接過程監(jiān)督檢查的關(guān)鍵。焊后高溫回火熱處理效果的檢查通常采用核對熱處理溫度-時(shí)間記錄曲線、硬度檢驗(yàn)和金相檢驗(yàn)的方法。硬度檢驗(yàn)時(shí)要注意測試部位及其表面狀態(tài)，并對硬度測試值進(jìn)行控制。金相組織為完全回火馬氏體組織，要嚴(yán)格控制組織中δ鐵素體的體積分?jǐn)?shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 束國剛，劉匯南，石崇哲，等.超臨界鍋爐用T/P91鋼的組織性能與工程應(yīng)用[M].陜西：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[2] 西安熱工研究院.超臨界、超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2008：101-107.

[3] 朱志前，李琳.火電安裝管道焊接接頭的熱處理[J]. 金屬熱處理，2011，36（9）：129-131.

[4] 彭志方，蔡黎勝，彭芳芳，等.P92鋼中δ鐵素體對700和750℃時(shí)效析出相成分和體積分?jǐn)?shù)的影響[J].金屬學(xué)報(bào)，2012，48（11）：1315-1320.

作者簡介：趙爭榮（1964—），男，山西萬榮人，碩士，高級工程師，從事電站鍋爐監(jiān)督檢驗(yàn)研究工作。