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        淺談對(duì)P91材質(zhì)的理解和正確正回火改善熱處理硬度

        2021-05-23 04:05:54冷紫陽(yáng)
        科學(xué)與生活 2021年5期
        關(guān)鍵詞: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)咨詢行業(yè)內(nèi)專家,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: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

        江蘇博頌化工科技有限公司

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