淺談對(duì)P91材質(zhì)的理解和正確正回火改善熱處理硬度

冷紫陽(yáng)

摘要：P91材質(zhì)是高強(qiáng)度耐熱合金鋼，石化行業(yè)主要用于超高壓蒸汽管線。P91焊后硬度高、易裂紋，熱處理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)硬度偏低、性能不足情況，影響裝置運(yùn)行安全。本文通過(guò)理解P91材質(zhì)特性、對(duì)性能（硬度）影響因素，總結(jié)了P91施工的一些見(jiàn)解：通過(guò)正確重新正回火工藝可以補(bǔ)救硬度偏低，實(shí)際效果良好。

關(guān)鍵詞：P91材質(zhì)，高溫回火，硬度

P91材質(zhì)高溫綜合性能良好，原主要用于電廠亞臨界和超臨界蒸汽管線系統(tǒng)。隨著石化行業(yè)發(fā)展，P91材質(zhì)也越來(lái)越多用于石化系統(tǒng)，在本項(xiàng)目—3#乙烯裝置中，P91主要用于超高壓蒸汽（ss）管道，設(shè)計(jì)壓力13.5MPa、設(shè)計(jì)溫度545℃;項(xiàng)目P91材質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)管道焊口總量1400道，吋口總量約18000達(dá)因。

但P91的施工工藝復(fù)雜，部分施工單位對(duì)其掌握不夠透徹，或直接按普通低合金鋼材質(zhì)施工，造成焊接接頭質(zhì)量缺陷，甚至大的質(zhì)量和安全事故。

理解P91的組織特性和性能影響因素，才能更好正確理解工藝，才能控制工程質(zhì)量。

1.P91材質(zhì)簡(jiǎn)介

P91是一種650℃下熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性兼具的熱強(qiáng)鋼，與P22相比強(qiáng)度高，同條件下壁厚僅需一半;與奧氏體鋼相比熱導(dǎo)性好、抗蠕變和抗疲勞能力大。因此，P91鋼在石化裝置的高溫爐管、聯(lián)箱、蒸汽管線等處都有較多應(yīng)用。

P91材質(zhì)能有良好的高溫性能，靠的是均衡的化學(xué)成分和合適的微觀組織。

a.P91合金元素

P91材質(zhì)相當(dāng)于國(guó)標(biāo)10Cr9Mo1VNbN（GB5310），其中：

i） Cr能提高材料抗氧化和耐腐蝕能力，有很好的固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用;

ii） Mo是馬氏體基體最重要固溶強(qiáng)化元素，能提高蠕變強(qiáng)度、增加韌性;

iii） V、Nb使固溶體進(jìn)一步強(qiáng)化和穩(wěn)定;細(xì)小彌散的碳化物、氮化物沉淀，能阻止晶粒長(zhǎng)大、阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、改善蠕變性能;

b.P91金相組織

P91材質(zhì)典型組織為回火馬氏體組織。

P91含大量Cr、Mo元素，通過(guò)正火可獲得板條束尺寸合適的馬氏體;再通過(guò)高溫回火，使馬氏體適當(dāng)多邊形回復(fù)，原始板條碎化成亞晶、位錯(cuò)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，邊界碳化物析出沉淀，得到合適的回火馬氏體組織。

回火馬氏體組織既有馬氏體的強(qiáng)化效果，又得益亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，沉淀強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化等強(qiáng)化效果明顯，使P91材料在高溫下有優(yōu)良綜合性能。

2.P91硬度要求

對(duì)P91的合理硬度，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：

GB 50517-2010《石化金屬管道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》，7.4.4條要求≤241HB;

ASME A335-2017《高溫用無(wú)縫鐵素體合金鋼公稱(chēng)管》，9.3條要求190～250HB;

電建DLT 869-2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》，附錄F3.3要求熱處理的焊縫硬度180HB～241HB;7.3.3要求焊縫硬度不應(yīng)低于母材硬度的90%;

浙石化業(yè)主工程規(guī)范，對(duì)P91焊接接頭的要求190～300HB;

結(jié)合特檢院監(jiān)檢經(jīng)驗(yàn)，對(duì)P91焊接接頭硬度要求在190HB～250HB為合格。

3.焊接接頭硬度不合格分析

P91高溫性能好，但焊后硬度高、冷卻相變易產(chǎn)生裂紋，需要及時(shí)熱處理;而熱處理不慎會(huì)造成焊接接頭硬度過(guò)低，降低管材的性能。

總結(jié)同行資料和工廠經(jīng)驗(yàn)，熱處理過(guò)程對(duì)P91的主要影響如下：

a.正火階段，為得到板條束尺寸合理的淬火態(tài)馬氏體;

程度不夠，則材料統(tǒng)一奧氏體細(xì)化不充分，不利形成板條束合適的馬氏體;

程度過(guò)度，則金相中會(huì)產(chǎn)生塊狀鐵素體組織，使硬度下降;

b.回火階段，為得到合適的回火馬氏體組織;

程度不夠，則高溫回復(fù)板條碎化不明顯，組織不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體;

程度過(guò)度，則板條特征消失，亞晶過(guò)度長(zhǎng)大，合金元素碳化物析出偏聚，鐵素體長(zhǎng)成塊狀組織;使硬度、塑性、強(qiáng)度明顯降低;

回火溫度過(guò)高（超過(guò)Ac1），則接頭再次奧氏體化。

因此，P91硬度偏低一般是熱處理過(guò)程正火回火過(guò)度，使內(nèi)部組織出現(xiàn)大量鐵素體，失去了原組織的各種強(qiáng)化效果。

現(xiàn)場(chǎng)P91工藝管道一般口徑大、壁厚大，多采用手工電弧方式焊接，現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)保體系不如工廠，焊接線能量、層間溫度容易失控，焊接接頭容易過(guò)熱;熱處理多采用電阻帶包裹式加熱，操作中容易出現(xiàn)如熱偶布置不當(dāng)、加熱帶未牢固固定有空鼓、保溫棉厚度不足、設(shè)備故障等情況，導(dǎo)致各點(diǎn)溫度差過(guò)大、局部超溫高于工藝要求上限，出現(xiàn)回火過(guò)度甚至局部過(guò)熱過(guò)燒，造成硬度不合格。

部分規(guī)范對(duì)熱處理溫度要求如下：

ASME SA213《無(wú)縫鐵素體和奧氏體合金鋼鍋爐、過(guò)熱器和熱交換器管》：正火溫度≥1040℃、回火溫度≥730℃;

GB5310《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》：正火溫度1040～1080℃，保溫時(shí)間1.5～2.5min/mm，回火溫度750～780℃，保溫時(shí)間2H以上。

4、正回火熱處理工藝

預(yù)制階段出現(xiàn)158道集氣管角焊縫和19道對(duì)接焊縫出現(xiàn)硬度偏低情況，參見(jiàn)DL/T869-2012第6.6.4條 “因溫度過(guò)高導(dǎo)致焊接接頭部位材料過(guò)熱的焊口，應(yīng)進(jìn)行正火熱處理，或割掉重新焊接”。

P91焊口成本高，若割掉重新焊接，會(huì)造成較大經(jīng)濟(jì)損失和工期損失。經(jīng)咨詢(xún)行業(yè)內(nèi)專(zhuān)家，重新正確正火+回火處理補(bǔ)救硬度偏低的預(yù)焊件焊口較為合適：

a.熱處理設(shè)備

使用合作供貨單位-江蘇龍山管件有限公司的加熱爐進(jìn)行試驗(yàn)

設(shè)備名稱(chēng)：箱式電阻爐

型 號(hào)：RT-1200

設(shè)備參數(shù)：爐膛尺寸：6000*2500*2200

最高溫度：1200℃

功 率：1200KW

b.正火熱處理工藝

升溫：300℃以下不控制，300℃以上按不大于250℃/h繼續(xù)加熱至恒溫溫度;

正火溫度 ：1060±10℃;

正火保溫時(shí)間：60～90±10 分鐘（>1.8min/mm，最少60min）;

爐外風(fēng)扇空冷速率：1060～800℃，>40℃/min;800～400℃，>10℃/min;

c.回火熱處理工藝

升溫：爐溫≤ 250℃進(jìn)爐，升溫至350℃以上，按不大于220℃/h繼續(xù)加熱至恒溫溫度;

回火溫度：760±10℃

回火保溫時(shí)間：150 分鐘（>2.4min/mm，最少60min）

冷卻速率：當(dāng)工件溫度>350℃時(shí)，降溫速率<270℃/小時(shí);

d.正火+回火熱處理過(guò)程曲線

e.硬度檢驗(yàn)、金相檢測(cè)

將焊接接頭試樣按焊縫圓周四等分取四個(gè)部位，每個(gè)部位至少檢測(cè)5個(gè)測(cè)試點(diǎn)（包括焊縫、影響區(qū)、母材），每個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)至少測(cè) 3 下，結(jié)果取平均值。

熱處理操作前后，對(duì)相同部位的硬度分別進(jìn)行檢測(cè)，并做好記錄。

對(duì)同一爐批次的工件，抽檢1-2件進(jìn)行金相檢測(cè)。

5、正回火熱處理結(jié)果

a. 正回火熱處理前后硬度比對(duì)

經(jīng)過(guò)正回火熱處理，原硬度偏低的管道焊接接頭，硬度值恢復(fù)到合格范圍，部分大口徑焊縫硬度值非常理想，幾近于新母材;摘錄見(jiàn)下表：

b. 金相結(jié)果

重新熱處理前，對(duì)硬度低的接頭金相檢測(cè)為：馬氏體+珠光體+鐵素體;

正回火處理后，金相檢測(cè)為：100%回火馬氏體典型組織，符合P91材質(zhì)要求。

c.力學(xué)性能檢驗(yàn)

P91材質(zhì)室溫抗拉強(qiáng)度要求大于585MPa。

正回火處理后性能檢驗(yàn)：室溫抗拉強(qiáng)度656MPa，550℃抗拉強(qiáng)度400MPa。詳見(jiàn)下表：

結(jié)論

項(xiàng)目初期出現(xiàn)部分焊縫結(jié)構(gòu)的硬度偏低，主要是熱處理失當(dāng)。按以上工藝曲線重新正火+高溫回火熱處理后，所測(cè)硬度完全符合技術(shù)規(guī)范要求;一方面避免了損失，也為后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)P91材質(zhì)管道正確熱處理積累了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

1、《石油化工金屬管道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》 GB50517-2010

2、《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》DL/T869-2012

3、《石油化工鋼制管道焊接熱處理規(guī)范》SH/T3554-2013

4、《P91鋼的性能與組織結(jié)構(gòu)研究》鄭準(zhǔn)備，張兵，王小迎.

5、《P91管道焊接的體會(huì)》王偉躍.

6、《P91材料硬度低的處理方案及建議》汪建光.

7、《P91鋼管硬度低的原因分析及對(duì)性能的影響》王寶臣，田旭海，梁軍

8、《P91鋼管道硬度低的分析及處理》陳軍

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