T91/P91钢的焊接性及其焊接工艺

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T91/P91钢的焊接性及其焊接工艺
( V/ p" g: [/ r, e0 M1 |$ I+ n　　介绍了T9l／P91钢的研发过程，分析了该钢焊接性主要问题，探讨了该钢焊接工艺要点及其应用。结果表明，T9l／P91新型钢种以其一系列优良的使用性能，在高参数火力发电机组高温管道上获得了广泛的应用。该钢焊接性的主要问题是冷裂纹敏感性较强，以及一定的热裂纹倾向，同时也不可忽视接头性能的弱化(焊缝区韧性恶化和热影响区的软化)；合理的焊接工艺是控制和改善该钢焊接性的重要技术手段。焊接方法和焊接材料确定以后，获得优质接头的关键工艺措施是：焊前预热、控制层温，以及“及时有效”的焊后热处理等工艺。不同的接头组合类型(同种钢或异种钢)，不同规格尺寸的T91／P91钢管焊接，其匹配的焊接工艺各具特色；采用专用药芯焊丝填充TIG打底新工艺，将该钢种的焊接工艺推向一个新的发展阶段。
　　一、概述
　　T91／P91钢以其良好的高温持久强度、热稳定性和高温抗蠕变能力等综合性能，在电站锅炉的过热器、再热器及主蒸汽管道上获得越来越广的应用。虽然说T91／P91钢在我国使用和研究已有十多年的历史，一些单位在掌握该钢焊接工艺方面积累了一些经验，并且由国家电力公司电源建设部下发了《T91／P9l钢焊接工艺导则》指导性文件，但在施工现场施焊时，该钢的焊接质量问题仍时有发生。这表明，一方面是对该钢焊接性的理解不够深人；另一方面对配套焊接工艺关键技术的控制尚不到位。换言之，对引进钢种及其焊接工艺的消化、吸收以及国产化工作仍须继续进行。关于T91／P91钢焊接的研究文献逐年增多，电厂机组成功应用的范例无一不与其采用的焊接工艺密切相关。
. q2 H( H0 D7 q　　由于接头的组合类型、管子的规格尺寸(直径和壁厚)不同，焊接所匹配的工艺各异，因而继续开展T9l／P91钢焊接性及其配套工艺的研究，对探寻工艺控制接头性能机理，以及创新工艺核心技术很有必要。为此，本文特意将典型焊接工艺与该钢焊接性问题相联系，综合评述该钢焊接工艺的特点及其应用。该项工作对推动T91／P91钢焊接工艺的进一步完善，提高锅炉使用寿命，具有积极的意义和参考价值。
　　二、T91／P91钢简介
3 @) i- ~" n& d( Y( T& C　　随着电力工业的迅速发展，高参数、大容量机组不断涌现，对钢管材料的高温蠕变性能和抗应力腐蚀等性：能提出更高要求。为此，世界主要的工业发达国家进行了大量研究，先后开发出系列新型铁索体型耐热钢，并成功地用于大容量火力发电机组，其中高CT型9Cr1MoVNbN耐热钢即为T91／P91钢。
　　20世纪70年代美国在试验室改进原有的9Cr1Mo钢，80年代初确定改良型钢为T91／P91钢，接着1983年T91／P91钢获美国ASME认可。80年代末德国从F12钢转向使用T9l／P91钢，90年代初日本大力推广T91／P91钢。目前世界主要生产锅炉管和大直径厚罐管的钢厂，均已完成了T91／P91钢工业化生产研究，其中日本、德国、法国等国家的铡厂已向全世界供应T91／P9l钢管。我国于1987年引进该钢种并在电厂应用。该钢的国产化工作已由冶金部部署实施。
　　T91／P91钢被高参数火力发电机组广泛应用，是因为该钢种的使用性能具有以下优点：①与不锈钢相比，该钢具有低的热膨胀系数和良好的导热性。

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　　②该铡具有较高的室温抗拉强度，δb最高达770MPa，而且塑性也较好。③该钢的冲击韧度和材料脆性转变温度明显优于同类X20和EMl2钢。④该钢具有更高的高温持久强度和许用应力，在550℃高温经过105h运行后的高温持久强度是T22钢的2倍，在540～610℃内的许用应力明显高于T22、TP304H和X20钢。⑤该钢具有良好的整管弯曲加工性能。⑥该钢的高温疲劳性能优于T22和TP304H钢，高温抗氧化性能也远高于T22钢。
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: W8 R- s  b5 o. T+ }: |3 |8 F　　三、T91／P91钢的焊接性
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/ `6 Z1 W  o- s　　T91／P91钢是在9Cr1Mo钢的基础上，采用纯净化、细晶化冶金技术，以及微合金化和控轧、控冷等工艺，开发出的新一代中合金耐热钢。从化学成分上看(见表1)，T91／P91钢中C、S、P含量降低了，并用V、Nb、N元素微合金化；从力学性能上看(见表2)，T91／P91钢的强度和韧性改善了。这是由于该钢的强化机理与老钢种有原则的不同，即除了固溶和沉淀强化外，还通过微合金化、控轧、形变热处理及控冷获得高密度位错和高度细化晶粒的结果。该钢的供货状态为正火＋回火(730～760℃)，显微组织是回火马氏体。

7 B. z( L! H/ W* ]: [　　与T9钢相比，T9l／P9I钢由于降低了碳和杂质元素的含量，焊接裂纹的敏感性明显减弱，防止裂纹产生的预热温度随之而降。应该说，该钢的焊接性有所改善。但是这并不意味着在所有的情况下都能获得满意的接头性能。研究表明，该钢焊接性的主要问题如下：
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. r8 t7 S: L: H  X1 l　　(1)焊接裂纹敏感性。钢中合金元素种类多，总含量达10%左右，具有相当高的空淬特性，由于HAZ淬硬倾向大，冷裂纹敏感性仍较大；同时钢中含有C、Nb等促进热裂的元素，因此该钢还有一定的热裂倾向，其敏感性介于SA213—T9钢和SA213—TP304H钢之间。

6 P: v; ], P0 ^% [+ |3 m　　(2)HAZ塑性降低。由于受焊接热循环的影响，HAZ晶粒长大倾向较大，使该区的塑性降低。

　　(3)HAZ的软化。由于受焊接热循环的影响，HAZ出现软化层，恶化了该区的力学性能。
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# D8 e# e3 ]7 O- u　　(4)焊缝金属韧性的恶化。由于焊缝金属未曾经受控轧和形变热处理过程，晶粒不可能由此被细化；同时焊缝中的Nb、V元素在冷却凝固过程中难以呈微细的C、N化合物析出，因此焊缝的韧性比母材低许多。
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　　(5)有研究显示，在一些情况下，该钢还有一定的应力腐蚀裂纹敏感性。

　　总体上看，该钢焊接性的主要问题是冷裂纹敏感性较强，以及一定的热裂纹倾向，同时也不可忽视接头性能的弱化(焊缝区韧性恶化和热影响区的软化)。合理的焊接工艺是控制和改善该钢焊接性的重要技术手段。

9 j2 T7 U9 I. I# c9 ?, T3 L7 l. A7 z　　四、T91／P91钢的焊接工艺要点
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　　电站锅炉过热器和再热器用T91钢管常用规格有ψ54mm和ψ57mm等，壁厚有4mm、8mm和9mm等几种。大直径主蒸汽P91钢管有ψ457mm×45mm、ψ347mm×46mm等多种规格。小径管现场施工多为水平对接固定位，要求单面焊双面成形，而且要求反而焊缝不被氧化。为使接头具有满意的使用性能，早期的焊接工艺主要采用两种方法：一是全氩弧焊(TIG打底＋TIG填充)；二是氲弧焊(TIG)打底＋焊条电弧焊填充。

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　其焊接工艺要点如下：
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7 k% d! H2 h. x) b7 X　　(1)采用正确的坡口形状和尺寸。
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/ x, V: }& u) K. ]1 X8 ]6 U　　(2)选用合理的焊接材料(TIG焊丝和填充电焊条)。

　　(3)选用正确的焊接规范(包括焊丝及电焊条牌号和直径、钨极直径、焊接电流、氩气流量、电源极性、焊缝层数及道数等)。
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　　(4)选用正确的工件预热温度、焊缝层间温度。

4 L! V+ w1 c/ }* A　　(5)选用合理的焊后热处理规范(包括升降温速度、回火温度及保温时间等)。
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　　(6)坚持正确的接头装配定位焊和熟练、高超的手工操作技能等。
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# U* I4 m- Z2 N0 V　　据文献报道，上述方法及工艺的应用，取得了较为满意的效果。但是该工艺的不足之处或困难是焊接过程中焊缝的背面保护问题较复杂，一旦保护不好，背面焊缝即被氧化，焊缝的质量不能保证，造成不安全隐患。为此，近年来推出了自保护药芯焊丝焊接方法及其工艺。该工艺的最大特点是焊接过程中冶金反应产生的气体和熔渣，不仅对正面熔池能够进行有效的保护，而且反面焊缝也被熔渣有效保护；正所谓气渣联合保护焊接方法及工艺，可以完全免除焊缝背面充氩复杂程序及装置，克服了TIG方法背面焊缝保护困难的缺点。然而，该方法目前尚不成熟，原因是这种专用自保护药芯焊丝焊缝质量难以保证，况且焊丝的焊接工艺性也难以接受。
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1 A1 [7 o6 p6 K; ^2 J" s* l　　近年来，还有一种采用药芯焊丝填充打底的TIG焊接方法。该方法的特点是，打底焊时用药芯焊丝的熔渣对背面焊缝进行保护，免除了焊缝背面保护，焊缝的填充层可以是TIG焊接，也可以是焊条电弧焊。这种打底专用药芯焊丝成分、性能调整方便，接头的性能能够满足使用要求，焊接工艺性也令人满意，是一种前景看好的工艺方法。药芯焊丝打底的TIG焊接方法的焊接工艺要点，除了焊接材料和焊接规范的选用，以及操作技术与上述全氩弧焊有所不同外，其他要点大同小异。
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& ^  W$ i) `( e  P" O+ d! ~1 ]6 L　　对于大径管(P91)的焊接，除了采用TIG打底＋焊条电弧焊填充(多层多道)焊接方法之外，近期有单位采用了埋弧焊工艺(TIG打底＋条电弧焊填充5～8mm＋弧焊填充)，明显提高了焊接生产效率，同时改善了焊接质量。
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  ~! e9 L! u  |, e　　从T9l／P91钢焊接工艺特点可以看出，无论是用实芯焊丝打底TIG焊接方法，还是药芯焊丝打底TIG方法，其焊接工艺要点的实质是要达到两个目的：一是防止焊接缺陷产生；二是保证接头的使用性能。为防止焊接缺陷产生，必须对诸如工件预热温度、焊缝层问温度、焊接热输入量，以及操作技术等工艺参数进行有效控制；而为保证接头的使用性能，必须对诸如填充焊丝(实芯或药芯)成分、焊接热输入量，以及工件焊后热处理等工艺参数进行有效控制。
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  {# F2 Y& `+ w) l1 E. _　　应当看到，焊接方法和焊接材料确定以后，获得优质接头的关键工艺措施是：焊前预热、控制层温，以及“及时有效”的焊后热处理。焊前预热的实质是控制焊接区的氢的行为，降低焊接区的硬度和应力峰值及改善韧性。控制层问温度一方面为防止焊缝过热；另一方面是为了保持缓冷。及时有效的焊后热处理包含两层意思：一是该项工艺确实能起到改善焊缝及其HAZ组织，提高接头的韧性和高温持久强度以及消除焊接内应力等作用；二是在实施该项工艺时，必须严格控制焊件焊后冷却的最低温度，以及到焊后热处卿的时问问隔。

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　后者对于获得优良接头性能是至关重要的。
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　　五、T91／P91钢焊接工艺的应用

7 h7 p2 d( O; f3 ?6 r　　1.T91＋T91(P91＋P91)钢管对接焊工艺的应用
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$ ?  H& z; `3 r1 z( u　　某电厂一期工程1号机组末级过热器排使用ψ57mm×8mmT91钢管制造，576道焊口采用伞TIG方法或TIG打底＋SMAW填充方法焊接。在执行表3中实例①所示的焊接工艺要点同时，特别强调焊前准备、背面充氲方案，以及严格的作业程序。所焊接头具有良好的性能，保证了机组运行可靠性和稳定性。目前机组运转正常，该工艺获得网满成功。

* ?& L/ P, c0 m; H2 ]　　焊接材料的化学成分及熔敷会属的力学性能
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* D$ }& ^' r: K$ ]! P% E$ @　　某电厂为了从根本上解决6台超高斥电站锅炉过热器、再热器爆管问题，用ψ42mm×5mmT91钢代替G102铡，采用表3中实例②焊接工艺施工，接头经100%X射线探伤检验，均达二级以上。更换后的T91钢管及其接头，在一年多的运行过程中质量良好。
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　　以上是一个焊前工件不预热而获得满意效果的成功案例。本案例工艺应用效果与陶永顺等关于“ψ60mm以下、壁厚在6mm以下的T91钢管，当采用TIG焊时，焊前不预热也不会产生冷裂纹”的结论相一致。

　　某电厂2×660MW机组安装工程中的主蒸汽管、再热蒸汽管热段、锅炉末级过热器出口联箱均采用了SA335—P9l大直径厚壁管钢材，管子规格有6种，从ψ281mm×49.5mm至ψ762mm×31.5mm不等，壁厚从31.5mm至78.0mm不等，焊口总计156个。采用表3中实例③焊接工艺施工，接头经100%X射线探伤检验，一次合格率高达99.71%，焊接质量优良。这是一个P91钢焊接工艺在大口径厚壁管道应用的成功案例。
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- Y; i8 q- [. r( W6 q. A; f　　该项应用表明，在大拘束条件下，采用焊前预热＋小热输入量焊接＋焊后热处理等工艺，对获得满意接头性能是至关重要的。
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　　2.T91＋12Cr1MoV钢管对接焊工艺的应用
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　　某电厂六期扩建工程为两台125MW机组，高温再热器使用T91和12Cr1MoV钢管，管子规格为声42mm×4mm，每台机组有672个对接接口。采用表3中实例④焊接工艺施工，无损探伤检验合格，机组运行至今，工作状况良好。这是一个T91钢焊接工艺在其与珠光体耐热钢的异种钢焊接应用的成功实例。该项应用表明，采用的焊接工艺及其措施，对这一类异种钢的焊接具有良好的匹配性。
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　　3.T91钢的药芯焊丝TIG焊接工艺的应用

　　1995年，某电厂对8号锅炉高温过热器及再热器外圈进行检修，管子材质为T9l钢，规格为ψ42mm×5.5mm，采用了T9l钢TIC焊接专用药芯焊丝YR91W和表3中实例⑤焊接工艺施工，焊后检验全部合格，至今仍在安全运行。

　　以上是一个采用新型焊接填充材料，实现T91钢TIG焊接背面免充氩气保护，推进焊接工艺发展的典型成功应用实例。
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7 M8 a" y5 b$ I1 _# t$ o* O3 o　　4.T91钢＋1Cr18Ni9Ti钢管对接焊工艺的应用

' `1 v# {, C5 D! ~: _　　某电厂二期2×300MW机组锅炉过热器安装中，遇到了规格为ψ51mm×6mm的T91＋1Cr18Ni9Ti异种钢对接接头，采用了镍基焊丝WELTIG82TIG打底＋镍基焊条INCONEL182填充、盖面和表3中实例⑥焊接工艺施工，工程中共完成焊口160个多，焊后经100%无损检验，一次合格率达97.2%。

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　该项焊接工艺应用案例有以下特点：

+ q+ B% [. w: \( `0 b1 ]6 L　　(1)接头两侧管子成分、组织和性能差异太大。
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　　(2)采用的配套焊接工艺与上述案例有很大不同：

  ~$ h4 E( C6 ]( t　　①采用了镍基焊丝和焊条。②选用的预热温度和层间温度较前明显降低。③最大的工艺特色是焊后不进行热处理。
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　　上述工艺变化都是异种钢材料特性及其接头组织性能所决定的。

　　从以上典型应用可以看出，不同的接头组合类型(同种钢或异种钢)，不同规格尺寸的T91／P91钢管焊接，匹配的焊接工艺各具特色，特别是更有采用专用药芯焊丝填充TIG打底的新工艺，将该钢种的焊接工艺推向一个新的阶段。焊接工艺技术的进步和发展，改善了接头的使用性能，促进了新钢种及其工艺的应用；而新钢种焊接工艺应用的更高需求，则推动了工艺技术的更快发展。

　　目前，与世界上主要的工业发达国家相比，我同在T91／P91钢种研发和焊接工艺配套方面尚存在一定差距，对该钢种工艺适应性及其评价还要进行大量工作。期望在不太氐的时问内，与之匹配的新型专用焊接材料及其工艺开发，以及接头高温蠕变特性、组织变化、失效机理及异种钢焊接性等方面的研究，能够取得更有价值的创新成果。
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　　六、结语
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　　(1)T91／P91钢是一种改良型的9Cr—1Mo钢，这一新型钢种以其一系列优良的使用性能，在高参数火力发电机组高温管道上获得了广泛的应用。

　　(2)T91／P91钢焊接性的主要问题是冷裂纹敏感性较强，以及一定的热裂纹倾向，同时也不可忽视接头性：能的弱化(焊缝区韧性恶化和热影响区的软化)。合理的焊接工艺是控制和改善该钢焊接性的重要技术于段。
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　　(3)焊接方法和焊接材料确定以后，获得优质接头的关工艺措施是焊前预热、控制层温，以及“及时有效”的焊后热处理等工艺。

# s: k: g+ e$ V5 y; @7 N* `3 K4 J　　(4)不同的接头组合类型(同种钢或异种钢)，不同规格尺寸的T91／P91钢管焊接，其匹配的焊接工艺各具特色。采用专用药芯焊丝填充TIG打底的新工艺，将该钢种的焊接工艺推向了一个新的发展阶段。