回mP-T91钢焊接及防脆裂研究.doc

　　 T91/P91钢是70年代至80年代，美国在早期的9Cr-1Mo钢基础上研究成功的。我国电力系统自1996年引入P91钢作为火力发电厂主蒸汽和再热蒸汽管道用钢材以来，在国家电力公司电源建设部和国电电力建设研究所的指导下，经全国各电力建设公司的努力探讨，新型T91/P91钢焊接技术已经日趋完善。T91/P91钢现在已经在我国的大型电站锅炉上较普遍采用。这类钢可以说是热强钢的第三代产品，其主要特点是降低了含碳量，从而改善了钢的塑韧性和焊接性，提高了钢的高温稳定性，其600℃时的持久强度比F11和F12提高了近70%。P91钢属于马氏体钢，焊接性较差，易产生冷裂纹，焊接工艺必须经过评定，评定的重点放在验证焊接接头能否获得预期的塑韧性和金相组织。此类钢对焊接热输入量要求更严格，焊后热处理的温度和保温时间对焊接接头的韧性有很大影响，焊接工艺必须全过程严格受控。 引言 　　近年来，我国电力工业飞速发展，电厂锅炉向大容量、高参数发展。按照国家电力公司的部署，将逐步限制和取消中小型燃煤机组，300-600 MW机组将成为各大电网的主力机组。机组的高温过热器、高温再热器的最高实际壁温已超过了600℃， T91钢以其优良的高温性能，在电站高温过热器、高温再热器乃至主蒸汽管道上得到了越来越广泛的应用。但由于其焊接性较差，焊接时容易出现问题。 　　2　T91钢的有关性能 　　2.1　合金化原理 　　T91钢是美国国立像树岭实验室和美国燃烧工程公司冶金材料实验室合作研制的新型马氏体耐热钢。它是在9Cr1MoV钢的基础上降低含碳量，严格限制硫、磷的含量，添加少量的钒、铌元素进行合金化。根据ASTM213/A213M-85C,T91钢的化学成份见表1。 　　与T91钢对应的德国钢号为X10CrMoVNNb91，日本钢号为HCM95，法国则为TUZ10CDVNb0901。 　　表1　T91钢的化学成份% 　　２ P91钢性能特点及化学成分 P91钢具有良好的高温蠕变断裂强度、抗氧化耐腐蚀性、以及低的热膨胀系数与相对高的热传导率，该钢是在9Cr-1Mo配方的基础上，添加适量的V、Nb、N等元素，得到的一种改进型9Cr-1Mo钢，其化学成分见表2。 表2 A335-P91钢化学成分(%) C Mn P≤ S≤ Si Cr 0.08～0.12 0.30～0.60 0.020 0.010 0.20～0.50 8.00～9.50 Mo V N Ni≤ Al≤ Nb 0.85～1.05 0.18～0.25 0.03～0.07 0.40 0.04 0.06～0.10 　　T91钢中各合金元素分别起到固溶强化、弥散强化和提高钢的抗氧化性、抗腐蚀性能，具体分析如下。 　　①碳是钢中固溶强化作用最明显的元素，随含碳量的增加，钢的短时强度上升，塑性、韧性下降，对T91这类马氏体钢而言，含碳量的上升会加快碳化物球化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低钢的焊接性、耐蚀性和抗氧化性，故耐热钢一般都希望降低含碳量，但含碳太低，钢的强度将降低。T91钢与12Cr1MoV钢相比，含碳量降低20%，这是综合考虑上述因素的影响而决定的。 　　②T91钢中含微量氮，氮的作用体现在两个方面。一方面起固溶强化作用，常温下氮在钢中的溶解度很小，T91钢焊后热影响区在焊接加热和焊后热处理过程中，将先后出现VN的固溶和析出过程：焊接加热时热影响区内已形成的奥氏体组织由于VN的溶入，氮含量增加，此后常温组织中的过饱和程度提高，在随后的焊后热处理中有细小的VN析出，这增加了组织稳定性，提高了热影响区的持久强度值。另一方面，T91钢中还含有少量A1，氮能与其形成A1N，A1N在1 100℃以上才大量溶入基体，在较低温度下又重新析出，能起到较好的弥散强化效果。 　　③加入铬主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力，含铬量小于5%时，600℃开始剧烈氧化，而含铬量达5%时就具有良好的抗氧化性。12Cr1MoV钢在580℃以下具有良好的抗氧化性，腐蚀深度为0.05 mm/a，600℃时性能开始变差，腐蚀深度为0.13 mm/a。T91含铬量提高到9%左右，使用温度能达到650℃，主要措施就是使基体中溶有更多的铬。 　　④钒与铌都是强碳化物形成元素，加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物，有很强的弥散强化效果。 　　⑤加入钼主要是为了提高钢的热强性，起到固溶强化的作用。 　　2.2　热处理工艺 　　T91的最终热处理为正火+高温回火，正火温度为1040℃，保温时间不少于10 min，回火温度为730～780℃，保温时间不少于1h，最终热处理后的组织为回火马氏体。 　　2.3　机械性能 　　T91钢的常温抗拉强度≥585 MPa，常温屈服强度≥415 MPa，硬度≤250 HB，伸长率(50 mm标距的标准圆形试样)