熱處理次數(shù)對(duì)10Cr9Mo1VNbN 焊縫性能影響

李曉東

（大唐長(zhǎng)山熱電廠，吉林 松原 131109）

SA335P91是美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的用于電站高溫、高壓管道的材料，采用微合金控軋和嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素含量的技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于亞臨界和超臨界火力發(fā)電機(jī)組主蒸汽管道、再熱熱段管道及高中壓導(dǎo)汽管道，該鋼在GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中鋼號(hào)為10Cr9Mo1VNbN。在基建過程中，由于焊接質(zhì)量不合格而經(jīng)常需要對(duì)焊縫進(jìn)行挖補(bǔ)，并對(duì)挖補(bǔ)部位進(jìn)行熱處理。

某熱電廠600 MW 超臨界機(jī)組采用HG－2090／25.4－HM9中間再熱超臨界直流鍋爐，其主蒸汽管道、再熱熱段管道及連接管均采用10Cr9Mo1VNbN鋼材料。在基建過程中，發(fā)生了多起該材質(zhì)焊縫因焊接質(zhì)量不合格的挖補(bǔ)返修。DL／T 869—2004《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》明確規(guī)定：焊接接頭有超過標(biāo)準(zhǔn)的缺陷時(shí)，可采取挖補(bǔ)方式返修，但同一位置上的挖補(bǔ)次數(shù)不得超過三次，耐熱鋼不得超過二次（需要進(jìn)行熱處理的焊接接頭，返修后應(yīng)重做熱處理）。為了保證該材質(zhì)管道焊縫質(zhì)量，結(jié)合基建過程中的缺陷挖補(bǔ)和焊縫熱處理，研究了熱處理次數(shù)對(duì)該材質(zhì)焊縫組織和性能的影響。

1 10Cr9Mo1VNbN 鋼的焊接工藝

GB 5310—2008中規(guī)定的10Cr9Mo1VNbN 鋼化學(xué)成分見表1，性能指標(biāo)見表2。

試驗(yàn)材料為屏式過熱器出口到末級(jí)過熱器入口的連接管道，材質(zhì)為10Cr9Mo1VNbN，規(guī)格為φ168 mm×25mm，試件為2組。采用氣體保護(hù)鎢極電弧焊（GTAW）＋手工電弧焊（SMAW）焊接工藝，選擇英國(guó)曼徹特焊材，牌號(hào)及規(guī)格為：焊絲9CrMoV－N／φ2.4mm；焊條9MV－N／φ2.5 mm、φ3.2 mm、φ4.0 mm，焊接工藝參數(shù)見表3，焊接位置為2G。

焊前將坡口表面及其每側(cè)各20 mm 范圍內(nèi)的母材內(nèi)、外壁以及焊絲表面的油、漆、垢、銹清理干凈；檢查對(duì)接管口端面與管子中心線是否垂直，對(duì)口時(shí)檢查是否有錯(cuò)口；采用塞塊進(jìn)行點(diǎn)固，焊接工藝與本焊接工藝相同，不得有任何缺陷；氬弧焊打底層焊后應(yīng)檢查，并及時(shí)進(jìn)行次層焊縫的焊接；焊條電弧填充焊接時(shí)，雙人對(duì)焊，并逐層進(jìn)行檢查，檢查合格后，方可焊接次層，直至焊完；填充焊接時(shí)，焊道厚度不大于所用焊條的直徑，焊條擺動(dòng)不大于焊條直徑的3倍。

表1 10Cr9Mo1VNbN鋼主要化學(xué)成分%

表2 10Cr9Mo1VNbN鋼力學(xué)性能指標(biāo)

表3 焊接工藝參數(shù)

2 10Cr9Mo1VNbN 鋼的熱處理工藝

熱處理過程包括焊前預(yù)熱、層間溫度控制和焊后熱處理，其中焊前預(yù)熱、層間溫度控制和首次焊后熱處理采用遠(yuǎn)紅外溫控柜進(jìn)行加熱控制，其余焊縫熱處理采用箱式熱處理爐進(jìn)行。焊前預(yù)熱、層間溫度控制、后熱處理加熱選用繩狀加熱器，上下各一支；熱電偶根據(jù)加熱器的位置布置，距離坡口邊緣25mm為宜，同時(shí)要保證熱電偶測(cè)溫點(diǎn)不得裸露。

預(yù)熱溫度控制：GTAW為100～200℃、SMAW為200～250℃；考慮到層間溫度的要求，實(shí)際控制GTAW為100～150℃、SMAW為200～210℃；層間溫度控制為200～250℃，預(yù)熱及層間溫度選用遠(yuǎn)紅處測(cè)溫儀測(cè)量。

焊后熱處理分成兩個(gè)階段：第一階段是焊接完成后冷卻至80～100℃，保持2h后的完全馬氏體熱處理；第二階段是 恒溫750～770℃的焊后熱處理，時(shí)間為4.5h。

在焊后熱處理的基礎(chǔ)上，對(duì)焊件進(jìn)行了切片，共5片，再用箱式熱處理爐對(duì)其中4片進(jìn)行第二次焊縫熱處理。以后每做一次焊縫熱處理，焊件就少一片，直至完成。熱處理工藝參數(shù)為：恒溫溫度750～770℃，恒溫時(shí)間4.5h，升降溫速度140℃／h?？紤]到施工中現(xiàn)場(chǎng)存在熱處理后焊縫硬度不合格現(xiàn)象，對(duì)首次焊接的焊后熱處理恒溫時(shí)間設(shè)定為3.5h。

3 10Cr9Mo1VNbN 鋼熱處理后的理化試驗(yàn)

在取樣前對(duì)2個(gè)試件進(jìn)行射線檢驗(yàn)，避免帶有超標(biāo)缺陷的試樣進(jìn)入到下一階段的分析中。試樣共分5組，每組加工2個(gè)拉伸試樣，6個(gè)沖擊試樣，1個(gè)金相試樣和1個(gè)硬度試樣。

3.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

拉伸試驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著熱處理次數(shù)的增加，拉伸強(qiáng)度緩慢降低，第5次熱處理仍然高于母材的抗拉強(qiáng)度下限；隨著熱處理次數(shù)的增加，斷后伸長(zhǎng)率緩慢增加，在第5次熱處理時(shí)突然下降且低于GB 5310—2008要求。

圖1 熱處理次數(shù)對(duì)抗拉強(qiáng)度影響

3.2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

母材和焊縫的沖擊試驗(yàn)結(jié)果見圖3。試驗(yàn)結(jié)果表明，在本文試驗(yàn)的熱處理次數(shù)范圍之內(nèi)，焊縫與母材的沖擊吸收功隨著熱處理次數(shù)的增加而增加，且高于GB 5310中規(guī)定的下限。

3.3 硬度試驗(yàn)結(jié)果

圖2 熱處理次數(shù)對(duì)斷后伸長(zhǎng)率影響

圖3 熱處理次數(shù)對(duì)沖擊吸收功影響

硬度試驗(yàn)結(jié)果見圖4。試驗(yàn)結(jié)果表明，硬度值隨著熱處理次數(shù)的增加而減小，焊縫硬度值下降比母材快，當(dāng)?shù)?次后焊縫硬度值與母材接近。

3.4 金相試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭的金相組織顯示，母材、熱影響區(qū)和焊縫均為回火馬氏體組織。試驗(yàn)結(jié)果表明，熱處理次數(shù)增加未影響母材和焊縫的金相組織。

圖4 熱處理次數(shù)對(duì)焊縫硬度影響

4 結(jié)論

a.10Cr9Mo1VNbN 鋼進(jìn)行焊縫熱處理在4 次以內(nèi)時(shí)，焊接接頭抗拉強(qiáng)度值降低但在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)；沖擊韌性值改善、硬度值降低、伸長(zhǎng)率改善。

b.10Cr9Mo1VNbN 鋼進(jìn)行多次熱處理對(duì)焊縫接頭的綜合性能有利，但不應(yīng)超過4次。

c.焊縫熱處理次數(shù)與焊接返修允許最高次數(shù)相吻合。焊縫首次熱處理不合格且同一位置需返修2次時(shí)，焊縫熱處理次數(shù)是4次，與規(guī)程要求相一致。