支玉滿

中石化第十建設有限公司，山東青島 266555

1 P91高合金鋼與其技術特性

金屬材料的硬度、抗應力、結晶溫度等參數(shù)均具有其臨界值，在常溫狀態(tài)下，當施加到金屬材料表面的壓力超出金屬材料所能承受的抗應力時，金屬材料會發(fā)生形變屈服，若是在溫度超過金屬材料結晶溫度的條件下向金屬材料的表面施加超出金屬材料抗應力大小的作用力時，金屬材料不僅會發(fā)生塑性變形，其內(nèi)部的組織結構也會發(fā)生變化，進而產(chǎn)生高溫蠕變現(xiàn)象，不能滿足化工領域?qū)t管材料高溫抗蠕變能力的需求。針對這一特殊應用需求，材料研發(fā)人員向原始的鐵基基體中增加了Mo元素、Cr元素與Nb元素，再經(jīng)熱處理等工藝形成P91高合金鋼，通過有效組合金屬元素與合金基體構成具有較高穩(wěn)定性與穩(wěn)固性的元素組織結構與組織狀態(tài)，形成強大的原子結合力與高溫抗蠕變能力，實現(xiàn)對原始鐵基基體的固溶強化作用，達到強化基體、強化晶界的作用。

2 P91高合金鋼焊接

P91高合金鋼焊接工藝是P91高合金鋼加工處理的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)焊接目標對象的不同，可以將P91高合金鋼焊接工藝分為兩大類。對于現(xiàn)場安裝焊縫，現(xiàn)階段P91高合金鋼焊接中常見的焊接工藝為全氬弧焊工藝；對于承壓設備的生產(chǎn)制造，如鍋爐、主蒸汽管道等設備，現(xiàn)階段常見的焊接工藝為埋弧焊工藝。P91高合金鋼具有較強的穩(wěn)固性、穩(wěn)定性以及高溫抗蠕變性，這也是P91能在眾多鋼材料中脫穎而出的重要特性，P91高合金鋼焊接后的材料或設備應當保留有P91高合金鋼的技術特性，即在常溫條件下具有較高的強度以及良好的沖擊韌性，在高溫條件下能夠長久保持結構的穩(wěn)定性與穩(wěn)固性而不發(fā)生塑性形變。

現(xiàn)階段P91高合金鋼的焊接工藝流程主要參考國家電力公司發(fā)布的《火力發(fā)電廠焊接技術規(guī)程》中所述P91高合金鋼焊接操作步驟以及在長期的P91高合金鋼焊接加工中形成的實踐經(jīng)驗知識，其中P91高合金鋼的焊接工藝要點如下：

（1） P91高合金鋼焊接時應當選擇合適的坡口大小與坡口形狀，以使得焊接接口處的焊縫盡可能小。現(xiàn)場實際P91管道采用機械加工成型的U型坡口，每道焊口均采用兩名焊工對稱焊接，以減少焊接應力，盡量一次性焊接成型。因不可控因素 （如停電） 導致焊接過程被迫中斷時，立即對焊口進行脫氧處理，以避免因焊接作業(yè)中斷而引起焊口開裂現(xiàn)象發(fā)生?？捎蓛擅鸷腹び么蠛姘褜缚诩捌錈嵊绊憛^(qū)進行對稱均勻加熱，達到300～350℃ （便攜式紅外線溫儀檢測） 后并持續(xù)約20min，用保溫棉包裹好，保溫寬度不小于10倍的壁厚，保溫棉應裹緊并固定牢靠。冷卻后才能撤出保溫棉，打磨清理焊縫及其熱影響區(qū)，進行PT試驗，確認無缺陷，待供電正常后，按照相應焊接工藝要求，進行預熱及焊接。

（2） 不同的焊接對象所用的焊接方法不同，所采用的焊接材料不同，在對P91高合金鋼進行焊接實踐之前需要對焊接對象、焊接尺寸、焊接形狀、焊接結構進行科學計算與設計，并根據(jù)焊接對象選擇合理的焊接材料。

（3） 根據(jù)焊接方法的不同設置合理的焊縫層間溫度、焊件的預熱溫度等，如開展焊條電弧焊工作時，應當控制焊縫的層間溫度在250℃以下，避免溫度過高而導致焊接口處的塑性形變。

（4） P91高合金鋼焊接工序是一項不可逆轉(zhuǎn)的連續(xù)性工序，因此在焊接過程中需要盡量確保一次到位，若是遇到特殊情況只能中斷焊接過程時，則需按照焊接前編制的緊急情況響應預案重新對焊接工具及材料進行預熱，以減少焊件表面冷熱不均產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象的概率。

3 P91高合金鋼焊接熱處理

3.1 P91高合金鋼預熱

在開展P91高合金鋼焊接熱處理之前通常會對P91高合金鋼進行預熱，一方面通過對焊件進行加溫可以有效緩解P91高合金鋼焊接之后的冷卻速率，較高的焊件溫度適宜于擴散氫從P91高合金鋼的焊縫之中逸出，避免P91焊件中的擴散氫在焊件內(nèi)部膨脹而導致焊件表面形成裂紋；另一方面，通過使用電阻加熱片對焊件進行加熱，可以使得焊件的溫度分布相對均勻，在正式開展焊接工作時可以有效降低焊件不同部位因溫度差而產(chǎn)生的應力不均衡現(xiàn)象。因此，在P91高合金鋼預熱時首先應當嚴格控制P91高合金鋼的預熱溫度在200～250℃范圍內(nèi)，從對口中心開始，預熱區(qū)域每側不少于焊件厚度的四倍，且不少于100mm，一般采用坡口兩側150mm左右，控溫熱電偶也應當布置在加熱區(qū)以內(nèi)，焊件的預熱溫度可以根據(jù)焊接工藝中的試件預熱溫度而定，通?？稍谠嚰A熱溫度的基礎上增加50℃作為焊件的預熱溫度，預熱過程中預熱焊口兩側管口必須使用保溫棉封堵，防止產(chǎn)生空氣對流影響管道內(nèi)壁的預熱效果。

3.2 焊縫層間溫度控制

焊縫層間溫度的嚴格控制可以有效避免焊縫過高溫度而導致焊件的接口處晶粒粗化，進而導致焊件的塑性與韌性等相關指標參數(shù)降低，同時可以有效防止焊縫過低溫度而導致焊件之間的擴散氫滯留在焊件內(nèi)，進而形成淬硬組織影響焊件的質(zhì)量。一般而言，焊縫層間溫度控制在200～250℃以下，具體到某一特定的焊接工藝，則要根據(jù)工藝評定紀錄確定。焊縫層間溫度與環(huán)境溫度關系之間并無之間的關聯(lián)關系，通常，奧氏體不銹鋼一般控制在150℃左右，甚至更低，這主要看合金鋼的質(zhì)量分數(shù)而定，而P91高合金鋼的焊縫層間溫度一般控制在250℃左右。

3.3 焊后熱處理

焊后熱處理工序旨在得到含彌散強化相的板條狀回火馬氏體組織，并有效消除焊件在焊接過程中產(chǎn)生的應力，充分保障焊件在接頭處的沖擊韌性。焊后熱處理應當充分把控好工序開展的時間，對于P91高合金鋼而言，通常在焊件溫度降低并低于100℃時即開始約1.5h的焊后熱處理。焊后熱處理過程中應當采取分區(qū)加熱與分區(qū)控溫法，對于焊件的不同部位進行分區(qū)加熱，以保證焊件受熱的均勻性，同時，在焊后熱處理過程中需要嚴格控制焊件的溫差，P91焊后熱處理的標準溫差范圍應控制在50攝氏度以內(nèi)。P91管道熱處理過程曲線如圖1所示。

圖1 P91管道熱處理過程曲線圖

4 P91高合金鋼無損檢測工藝

P91高合金鋼的無損檢測可以在不損壞P91高合金鋼的結構完整性與性能的基礎上對P1鋼的材料性質(zhì)、結構等進行有效檢驗與測試，以實現(xiàn)對P91高合金鋼的穩(wěn)定性、安全性、可靠性、抗壓性等性能的定量分析與評估。P91高合金鋼焊接的無損檢測主要是對焊接的接頭處進行檢測，由于管道壁厚較厚，為避免焊口全部完成焊接工作后帶來的返修困難，首先打底厚度至15mm，進行一次RT無損檢測，確保底層無缺陷后再繼續(xù)蓋面，熱處理完成后，對整個焊口進行第一次UT探傷。需要注意的是，由于P91高合金鋼存在延遲裂紋的傾向較大，因此應當充分把握P91高合金鋼焊接檢測的時機，通常第一次UT檢測后1個月，再進行二次UT檢測，確保無延遲裂紋的缺陷發(fā)生。常用無損檢測方法為X射線或者超聲波，以超聲波無損檢測為例，通過超聲波與焊件接頭相互作用，就反射、透射和散射的波進行研究，對接口進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征，以判別P91高合金鋼焊接的質(zhì)量。

5 結語

P91高合金鋼在高溫高壓條件下具有良好的持久性與穩(wěn)定性，即使在高溫、高載荷等極端條件下也不會發(fā)生塑性形變，能夠有效保持鋼結構的完整性，可作為亞臨界、超臨界鍋爐壁溫≤625℃的高溫過熱器、再熱器用鋼管，以及壁溫≤600℃高溫集箱和蒸汽管道，也可作為核電熱交換器以及石油裂化裝置的超高壓蒸汽管道，具有較為廣闊的市場推廣與應用前景。

[1] 李應欽，徐森，劉文峰.T/P91鋼及其焊接、焊接熱處理、無損檢測工藝要點[J].中國化工裝備，2015，17（3） ：13-23.

[2] 師學禮. T/P91鋼熱處理強化及焊接接頭組織性能研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學，2016.

[3] 劉敏麗.電廠用P91鋼焊接工藝及其焊后性能研究[J].熱力發(fā)電，2017，40（2） ：88-90.

[4] 吳志亞，張建軍.P91集箱與12Cr1MoV端蓋的焊接技術[J].焊接，2016（6） ：48-50，75.