摘要：結合電站鍋爐安裝工程實例，對T91/P91鋼的焊接、熱處理、硬度檢驗及金相檢驗過程進行了分析，探討了它們之間的關系，對實際工程中出現的問題提出了對策。

關鍵詞：T91/P91鋼 焊接質量 熱處理 監(jiān)督檢驗 電站鍋爐

引言

某電廠“上大壓小”工程2×600MW燃煤汽輪發(fā)電機組，鍋爐為超臨界參數變壓直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風、半露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結構∏型鍋爐。鍋爐在B-MCR工況下主蒸汽參數為571℃/25.4MPa，主蒸汽流量為2030t/h。為保障鍋爐的安裝質量和安全運行，根據《特種設備安全監(jiān)察條例》、《蒸汽鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)程》、《鍋爐安裝監(jiān)督檢驗規(guī)則》等的要求，并參考《電站鍋爐壓力容器檢驗規(guī)程》等相關技術標準，制定了鍋爐安裝檢驗檢測方案，對安裝過程中涉及安全性能的項目進行監(jiān)檢和對質量管理體系運轉情況進行監(jiān)督檢查。該項目鍋爐安裝整體水壓試驗一次成功，并順利經過168小時整套連續(xù)滿負荷試運行，各項安全指標均達到相關標準要求。在電站工程建設中，焊接是現代電站鍋爐制造安裝過程中最重要的加工工藝技術，是電站鍋爐建造安全質量控制的一道關鍵工序。該工程項目兩臺鍋爐受監(jiān)的安裝焊口達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用了TP1/P91鋼，對這些受壓部件安裝焊接質量進行監(jiān)檢，并明確焊接、熱處理、硬度檢驗及金相檢驗等幾個安全質量控制環(huán)節(jié)中的關鍵技術問題，對于控制焊接質量，保障鍋爐安裝質量及機組安全運行有重要意義。

1.T91/P91鋼焊接及焊后熱處理監(jiān)督檢驗

1.1.化學成份及性能

T91/P91鋼是ASME標準SA213-T91/SA335-P91鋼的簡稱，它是在9Cr1Mo鋼的基礎上添加V、Nb、N等元素開發(fā)的新型耐熱鋼，在GB5310標準中相應牌號為10Cr9Mo1VNbN，化學成分見表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。通過固溶強化、板條馬氏體強韌化、界面強韌化、位錯強韌化、沉淀和彌散強化等強化機制使其具有優(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. 焊接質量監(jiān)督檢驗

電站鍋爐安裝受壓部件的焊接，要求焊接操作人員應按《鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規(guī)則》考試合格，取得相應的合格項目，并在有效期內方可從事合格項目范圍內的焊接工作。焊接時必須采用經評定合格的焊接工藝和熱處理工藝。施焊單位必須嚴格執(zhí)行對焊接和熱處理工藝的管理。只有經批準的焊接工藝規(guī)程才可用于指導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、預熱和熱處理控制參數等均要求符合焊接工藝規(guī)程的規(guī)定。最終焊接接頭質量通過外觀檢驗、通球試驗、化學成分分析、無損檢測、力學性能檢驗、水壓試驗等項目的檢查，并且全部合格，它的質量才算達到規(guī)定的要求。

1.3. 焊接過程監(jiān)督檢查

實際工程中，嚴格控制T91/P91鋼焊接預熱溫度、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)督檢查的關鍵。

T91/P91鋼焊接時具有明顯的冷裂傾向，為了防止冷裂紋的產生，焊前一般要進行預熱。預熱溫度一般鎢極氬弧焊為150℃～200℃，焊條電弧焊為200℃～250℃。焊接時層間溫度過高，會造成焊縫組織粗大，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，最終導致焊縫組織脆性增加。層間溫度過低，會增加產生冷裂紋的風險，也不利于焊縫金屬中氫的擴散逸出[2]。因此，對焊接層間溫度要進行控制，一般為200℃～300℃。同樣，焊接熱輸入量過大也會造成焊縫組織過熱、晶粒粗大及網狀晶界等缺陷導致焊縫脆化，韌性變差，因此要嚴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焊接參數。從以上分析可以看出，層間溫度和焊接熱輸入量這兩個參數出現問題時，將可能導致焊接接頭韌性不合格，在現場韌性這個指標是不能被現有的焊接檢驗手段檢測出來的?？梢妵栏窨刂七@兩個參數的重要性。

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

1.4. 焊后熱處理監(jiān)督檢驗

T91/P91鋼焊后進行760±10℃高溫回火熱處理，主要作用是降低焊接接頭殘余應力，獲得中、高溫回復狀態(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，其下限距標準規(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]。當焊后熱處理溫度超過AC1溫度時，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-時間記錄曲線為主，再輔以硬度檢查和金相檢查。當檢查發(fā)現熱處理溫度自動記錄曲線存在問題，或硬度檢查結果存在異常情況時，要進一步查明原因確定是否重新進行熱處理；當自動記錄曲線和硬度值均不合格時，要重新進行熱處理；如果自動記錄曲線正常而硬度值不合格時，要進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行熱處理。

2. T91/P91鋼硬度檢驗

硬度是材料抵抗局部塑性變形或表面損傷的能力。它與強度有一定的關系，可以間接地反映強度的大小。在鍋爐建造中，焊接接頭經消除殘余應力熱處理后的直接結果就是熱處理區(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性能。在鍋爐安裝現場，一般采取局部熱處理消除焊接接頭殘余應力，通過測定焊縫及熱影響區(qū)的硬度就成為檢驗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)，最低硬度在遠離焊接界面?zhèn)鹊募毦嵊绊憛^(qū)。根據TSG G7001-2004《鍋爐安裝監(jiān)督檢驗規(guī)則》，硬度抽查部位應為熱處理后的焊接接頭及熱影響區(qū)。在實際工程現場，一般采用便攜式硬度計對硬度進行測試，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)的一些數據，也很難分辨粗晶區(qū)和細晶區(qū)，實際意義不大。因此，在熱影響區(qū)很窄的情況下，要測試這個區(qū)域的硬度，就很難進行測試并且測試結果也不一定理想?？紤]到焊縫和母材這兩個區(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，這更便于實際操作。另外，這種鋼的焊縫室溫沖擊功除了受到焊接時的層間溫度、焊接熱輸入量及焊接材料成分波動的影響，當焊縫硬度值超過HB250～HB260時，室溫沖擊功就有可能滿足不了41J的最低值要求。所以應控制焊縫硬度值在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，也使硬度檢驗真正反映熱處理效果的作用。

實際硬度測試過程中，測試區(qū)域表面狀態(tài)對測量結果有較大影響。通常要求硬度檢驗的打磨深度為0.5mm～1.0mm，并以120號或更細的砂輪、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確性又可減小硬度測試值的不一致性。

3.T91/P91鋼金相檢驗

GB5310《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準中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）。更細微的觀察，要求回火馬氏體板條中發(fā)生中、高溫回復，馬氏體板條碎化，板條內為精細的亞晶塊結構，出現密集的位錯網絡，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，會使奧氏體單相區(qū)縮小，δ鐵素體轉變溫度下降，在熱加工過程中易生成δ鐵素體。δ鐵素體強度硬度較低，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，削弱晶界的強化這兩方面的作用，從而導致鋼的強度及韌性下降。另外，焊縫組織中若出現過量的δ鐵素體，也會導致焊縫的脆性增加，韌性下降，對焊接接頭的力學性能產生不良影響[4]。因此要對其δ鐵素體體積分數進行控制。在工程現場對直管段母材，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準的要求。

4.結語

焊接質量是電站鍋爐安裝安全質量監(jiān)督檢驗的重點。T91/P91鋼焊接時預熱溫度、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-時間記錄曲線、硬度檢驗和金相檢驗的方法。硬度檢驗時要注意測試部位及其表面狀態(tài)，并對硬度測試值進行控制。金相組織為完全回火馬氏體組織，要嚴格控制組織中δ鐵素體的體積分數。

參考文獻：

[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用[M].陜西：陜西科學技術出版社，2006.

[2] 西安熱工研究院.超臨界、超超臨界燃煤發(fā)電技術[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℃時效析出相成分和體積分數的影響[J].金屬學報，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)督檢驗研究工作。