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热处理温度对P91钢焊接接头持久强度影响的研究

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试　验　研　究　热处理温度对P91钢焊接接头持久强度影响的研究任　鸣,王印培(华东理工大学化机研究所,上海　200237)摘　要:探求了热处理温度对P91钢焊接接头持久强度的性能影响。

对经720、760、800和1050℃温度下热处理的试样和未经热处理的试样进行了常规力学性能试验和持久强度试验。

试验结果表明:常规力学性能在不同的热处理温度下没有反映出很大的差异,而持久强度试验则反映出经热处理材料的性能差异,试验表明760℃的热处理温度较为合适。

关键词:P91钢焊接接头;热处理温度;持久强度中图分类号:TG161;TG406 文献标识码:A 文章编号:1001-4837(2006)06-0017-04R esearch of H eat Treatment Temperature A ffecting Rupture Strengthof P91Steel Welding JointREN Ming,WANG Yin-pei(Research Institute of Process Equipment&Pressure Vessel,EC UST,Shanghai200237,China)Abstract:The paper explores the effect of the heat treatment tem perature on the rupture strength of P91steel welding joint.Heat treated specimen,under the heat treatment tem perature of720、760、800and1050℃, and non-heat treated specimen are studied through normal mechanics tests and rupture test.The experiment result shows that experimental data of comm on tests under different heat treatment tem perature display no great differences,while rupture test could,which verify that the heat treatment tem perature of760℃is com para2 tively feasible.K ey w ords:P91steel welding joint;heat treatment tem perature;rupture strength1　引言P91钢是20世纪70年代美国在9Cr1M o钢基础上开发起来的马氏体热强钢,先后于1983年纳入AS ME S A213规范,1984年纳入S A335规范,牌号分别为T91和P91,我国于1995年也将该钢列入G B 5310标准中,牌号定为10Cr9M olVNb。

该钢的特点是在9CrlM o钢中加入少量的V、Nb,控制N和A1含量,降低C含量。

具有高温强度高、抗氧化性能和抗蠕变性能好等特点,在我国石化行业得到了广泛的应用[1]。

乙烯裂解炉对流段已有很多炉管采用P91管替代奥氏体不锈钢TP304H、TP347H。

由于裂解炉对流段不同的层数和集合管使用温度不同,使用温度在500～600℃的层数用P91替代TP347H,这样部分层数的直管和集合管之间的连接会有P91和TP347H 异种钢的焊接。

目前对于P91+TP347H的焊接,国内大多采用在P91侧先堆焊Ni基过渡层后,再和TP347H对接,这种焊接方法在CrM o钢和不锈钢的焊接中已普遍采用,已有成熟的焊接工艺,焊接质量不存在问题,但这种焊接工艺工序复杂、工作量大、制造周期长、制造成本高,特别是国内乙烯裂解炉对・71・流段制造周期普遍短的情况下,此种焊接工艺就不合适。

而P91+TP347H 采用Ni 基焊材直接焊接能够简化工艺流程,缩短设备的制造周期,降低工人的工作量和制造成本。

但采用Ni 基焊材直接焊接P91+TP347H 后的焊接接头的性能,尤其是高温性能如何以及是否需要焊后热处理、热处理的温度等问题研究和应用尚少,因此对热处理温度与P91钢焊接接头持久强度之间的关系,进行了试验研究,以便探讨。

2　试验材料及方法211　试验材料试验中所用焊接接头的母材分别为S US347奥氏体钢和P91马氏体钢,焊材为ERNiCr -3。

表1～3列出了它们的化学成分和原始力学性能。

212　试验表1　P91钢和S US347钢的化学成分　(Wt %)材料元素C Mn S i S PCrM o V Ni NbN P91S A335标准0108～01120130～01600120～0150≤01010≤010208100～91500185～11050118～0125≤01400106～01100103～0107实测010801410131010030101591180196011701090109201056S US347J IS G 3459≤0108≤2100≤1100≤01030≤010401710～1910——910～1310≥10×C %—实测010611610140101101033171479136016表2　ERNiCr -3焊接材料的化学成分(Wt %)元素C S i Mn P S Cr Ni T i Cu Fe Nb Cu 数值0102201282199010060100520133721101270110111521280110表3　P91钢和S US347钢的力学性能材料力学性能屈服强度(MPa )抗拉强度(MPa )伸长率(%)P91标准值≥415≥585≥205～513516692305～51449866632S US347标准值≥205≥520≥303～522426625585～52338562152对P91钢和S US347钢焊接接头的试样分别进行了720、760、800和1050℃温度下的热处理。

随后,对这些试样进行了弯曲试验,冲击试验,拉伸试验、硬度测试和持久强度试验。

3　试验结果和分析311　弯曲试验结果对A 、B 、C 、D 、E 试样进行了180°冷弯,弯芯直径为4倍壁厚。

正弯和反弯的弯曲试验结果见表4。

由表4可以看出,5组试样都通过了正弯的试验,但在反弯的试验中,却呈现了不同的结果,裂纹出现的地点也各自不同,只有B 试样即760℃热处理的焊接试样没有出现裂纹。

表4　弯曲试验结果试样正弯反弯A (720℃×2h 空冷)P H AZ (SS )B (760℃×2h 空冷)P PC (800℃×2h 空冷)P WD (1050℃×2h 水冷)P H AZ (P91)E (焊后状态)PH AZ (P91) 注:P ———没有产生裂纹;H AZ (SS )———裂纹发生在S US347不锈钢的热影响区;W ———裂纹发生在焊缝;H AZ (P91)———裂纹发生在P91钢的热影响区。

312　拉伸试验结果表5列出了A 、B 、C 、D 、E 试样的拉伸试验结果。

拉伸强度和热处理温度的关系如图1所示。

由图1可以看出,试样的拉伸强度有随着热处理温度的升高而逐渐增大的趋势,在经过760℃处理的试样其拉伸强度最高。

随后强度变化不大。

另外,各试样最后的断裂点有所不同,A 、D 和E 试样的断裂均发生在S US347不锈钢母材处,B 试样在P91钢母材处断裂,C 试样多在焊缝区发生断裂。

313　冲击试验结果表6列出了A 、B 、C 、D 、E 试样的冲击试验结果。

・81・CPVT 热处理温度对P91钢焊接接头持久强度影响的研究 V ol23.N o62006表5　拉伸试验结果试样序号抗拉强度(MPa )断裂部位A1635152SS 2614111SS 3644122SS B 1659142P912662186P913663176P91C 1613110SS 2624118W (偏P91)3578123W (偏P91)D 1609146W (偏P91)2651104SS 3607124SS E 1608108SS 2611135SS 3608164SS 注:SS ———S US347奥氏体不锈钢;P91———P91钢;W ———焊缝区。

图1　经不同温度热处理后焊接接头试样的拉伸强度表6　冲击试验结果试样序号冲击功(J )A117921333120B 114521183129C 114221353131D 114121323131E 113921543146314　硬度测试结果每组试样分别在母材、热影响区、焊缝上和焊缝区进行了硬度测试,其中C 和D 的试样在靠P91钢侧的焊缝边出现了渗碳区,故在此区域上也做了硬度测试。

试验结果如表7所示。

表中H AZ -SS 表示焊接接头上不锈钢侧的焊缝热影响区;H AZ -P91表示焊接接头上P91钢侧的焊缝热影响区;LOF -P91表示P91钢侧的焊缝熔合线;LOF -SS 表示S US347不锈钢侧的焊缝熔合线;W 表示焊缝;P91和SS 分别表示对应的母材区。

从表7可以看出,硬度基本随着热处理温度的升高而下降。

C 和D 试样在渗碳区域的硬度明显增大。

315　高温持久强度试验(见表8)4　讨论(1)P91+TP347H 异质钢焊接特性。

P91钢是在1Cr9M ol 马氏体钢中加入了V 和Nb 等合金元素,使其具有良好的抗高温氧化和蠕变性能的改良型钢。

P91钢属空冷马氏体钢,焊接性较差,有较强的焊接冷裂敏感倾向。

焊后易得到淬硬的马氏体组织,使焊缝金属脆性增加。

在焊接热循环作用下,经高温加热,焊缝及熔合线附近晶粒急剧长大,加上焊接残余应力作用,易形成冷裂纹。

P91钢的C 含量较低,S 、P 含量也较低,具有较好的热塑性和韧性。

所以焊接时只要选择正确的工艺参数,控制焊缝中的含氢量,冷裂和脆化完全可以避免。

P91钢焊后的冷却是从奥氏体向马氏体的转变过程,由于该钢的奥氏体孕育期较长,焊后必须空冷以使奥氏体完全转变为马氏体,保证接头的强度。

焊后热处理的目的是为了降低焊接接头的残余应力,改善焊缝及热影响区组织,使淬硬组织得到回火处理,从而提高焊缝及热影响区的性能。

焊后热处理温度过高会促使碳化物积聚和长大,降低焊接接头的强度;热处理温度过低达不到回火的效果。

奥氏体不锈钢一般不需要焊前预热及后热,如没有应力腐蚀或结构尺寸稳定性等特别要求时,也不需要焊后热处理[2]。

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P91焊接接头焊后热处理硬度值偏低原因及处理方法

P91焊接接头焊后热处理硬度值偏低原因及处理方法

2021 年第3 期特 种 设 备 安 全 技 术· 56·P91焊接接头焊后热处理硬度值偏低原因及处理方法郑舟斌 虞学军 陆 伟摘 要 本文对P91管线支管台焊接接头热处理后硬度值偏低的情况进行了分析， 通过采用炉内正火加回火的热处 理方法恢复 P91 材料硬度值， 解决了现场施工中P91 材料硬度值偏低的问题。

关键词 P91 焊后热处理 硬度值 正火加回火1 前 言某在建大型炼化厂140万吨/年乙烯装置超高压蒸汽 管道采用采 P91 材料，设计压力 13.5MPa ，设计温度 545℃，最大管道 711mm ×50mm 、最小 168.3mm × 12.7mm 。

项目施工过程中，在对P91 管道焊接接头热处 理后进行硬度检测时， 出现大量密集支管台 （如图1） 焊接接头热影响区硬度值偏低的现象。

图 1 密集支管台焊接接头P91材料具有非常优良的抗高温持久性、 抗蠕变性和 冲击韧性， 但是该材料基体组织为低碳马氏体， 相对于珠 光体性耐热钢， 焊接性比较差， 冷裂倾向敏感， 热输入不当 严重影响材料的高温持久性和韧性； 如果焊接热处理后硬 度值低于正常值的话， 会导致它的持久性变差， 影响使用 寿命。

本文针对实际施工过程中 P91 焊接接头热处理后 硬度值偏低的原因进行了分析， 并提出了恢复硬度值的处 理方法， 以减少不必要的经济损失。

2 硬度值偏低原因分析2.1 焊接参数在焊缝焊接过程中， 线能量过高， 导致热输入量过大， 层间温度过高， 导致材料晶粒粗大， 均会使得焊缝硬度值 偏低。

核对P91 焊接接头的焊接记录， 预热温度、 电流、 电 压、 焊接速度、 层间温度等， 参数均在焊接工艺卡参数范围 内 （见表1） 。

表 1 焊接参数对比一览表焊接参数 焊接工艺卡数据焊接记录数据氩弧焊预热温度℃ 160 160埋弧焊接电流 A 300-400 290、 290、 310、 320、 320、330、 300 埋弧焊电压 V 25-35 29.5、 30、 31、 31、 32、 32、 34 焊接速度 mm/min 300-450 450、 440、 445、 435、 430、 440、 450层间温度℃160-3002102.2 热处理参数P91材料属于对热输入特别敏感的材料， 尤其是当进 行焊后热处理时， 过高的回火温度、 过长的回火时间会促 进马氏体再次结晶， 导致产生铁素体， 使P91材料的硬度 值降低。

不同焊接工艺对P91钢材焊接接头性能的影响

不同焊接工艺对P91钢材焊接接头性能的影响


～ 0.03 ～ 0.40 0.07
～
0.04 ～ 0.07
0.25
TGS-9Cb
0.032 0.035
SAF CDV-95 0.038
0.041
0.003
商检
0.017 0.011
Ti
Ni
0.40
0.010
0.40
0.69 0.70
0.050
0.09 0.14
Sn
Cu
0.020 0.010
Sb 0.010 0.003
19
接头 熔合线 33
19
17
23
焊 位 热影响
2G； 区
98
101 90
96
G 管 焊缝 96
116 120 110
接头 熔合线 198 210 217 208
焊 位 热影响
5G； 区
216 217 224 218
表5 4个试样的金相组织
试样 编号 母材 D管 D管 R管 R管 G管 G管
检验 区域
P
≤0.020
≤0.020
0.010 0.010 0.013 0.015 0.013
S
≤0.010
≤0.005
0.008 0.008 0.007 0.0038 0.0045
Si
Cr
Mo
V
0.20 0.50
～
8.00～9.50
0.85 1.05
～ 0.18 0.25
～
0.20 0.40
～
8.00～8.50
2 两种不同的焊接工艺
2.1 安装单位焊接工艺 2.1.1 TIG 焊封底时预热 50～80℃（因为打底时坡
173
焊后热处理温度和次数对P91钢组织及性能的影响

焊后热处理温度和次数对P91钢组织及性能的影响

焊后热处理温度和次数对P91钢组织及性能的影响曾凡伟; 谢逍原; 张学星; 曾辉; 高淼淼; 陈莉君【期刊名称】《《发电设备》》【年(卷),期】2019(033)005【总页数】5页(P335-339)【关键词】P91钢; 焊后热处理; 显微组织; 力学性能【作者】曾凡伟; 谢逍原; 张学星; 曾辉; 高淼淼; 陈莉君【作者单位】东方电气集团东方锅炉股份有限公司四川自贡643001; 中国大唐集团科学技术研究院有限公司北京100040【正文语种】中文【中图分类】TK225P91钢具有良好的高温持久强度和抗氧化性，广泛应用于超(超)临界火力发电机组的集箱、管道等[1-3]。

近年来，部分火电厂发现其P91钢材质的集箱和管道硬度偏低，不满足DL/T 438—2016 《火力发电厂金属技术监督规程》的要求。

如果不是P91钢管原材料本身硬度偏低，那么只能是焊后热处理超温(即过回火)或因返修进行的多次焊后处理所致。

针对焊后热处理次数，文献[4-5]主要研究了多次回火对P91钢焊缝组织和性能的影响；对于过回火问题，文献[6-9]阐述了回火温度过高，会造成P91钢母材组织异常、力学性能下降，其主要对过回火进行了定性分析，未对超温温度与性能、组织之间的对应关系进行深入研究。

因此，笔者开展了不同焊后热处理温度和次数对P91钢组织及力学性能的影响研究，为焊后热处理P91钢评估和预判提供参考。

1 试样制备与试验方法1.1 试样制备试验样品取自P91钢管，多次焊后热处理试样规格为d=335.6 mm、δ=68 mm，不同温度焊后热处理试样规格为d=736 mm、δ=90 mm，并在钢管上取6块大小相同的试验块，具体见图1。

交货态P91钢管的热处理状态均为正火+回火(750～780 ℃)，显微组织均为回火马氏体。

图1 热处理试块取样示意图760 ℃多次焊后热处理试验的试样号记为D0～D5，D0为交货态，D1～D5为经过1～5次焊后热处理的试样。

焊后热处理对P91、P92 钢焊缝韧性的影响

焊后热处理对P91、P92 钢焊缝韧性的影响


功显著提高（表 4）。该项热处理工艺在 P91、P92
钢工程应用中具有重要意义，这是因为该工艺具
有以下特点：①可以有效控制焊缝韧接工艺要求
比较宽松，可以免受焊接热输入、层间和预热温
度等参数严格控制的约束，从而提高效率，大大
方便了现场施工；③与文献[6]提到的提高焊缝金
盖面焊缝是粗大的柱状晶，柱状晶内组织是板条马氏
焊后
体＋δ铁素体，马氏体板条清晰，位向明显；以下各
M-1 未热
＜10
＜10
层组织由于受到焊接热循环的作用，部分区域粗大的
处理
柱状晶消失，形成等轴晶；部分区域柱状晶仍然存在；
板条马氏体受到不同温度的正火和回火处理。
从表 3 和图 3 可看出，P91 钢焊缝金属焊后 状态的韧性很差，它的微观组织特征与其冲击功 存在对应关系，粗大的柱状晶和清晰、具有明显 位向的板条马氏体组织是导致冲击功过低的主
探讨焊后热处理工艺对焊缝晶粒度形态和控制 机理。该项研究一旦获取热处理参数与晶粒度之 间的定量关系，必将突破现有极其严格的 焊接工艺，对推动 P91、P92 钢焊接工艺技术进 步，提高锅炉使用寿命，具有积极意义和参考价 值。
1 试验材料及方法
试验用焊接材料为 P91 钢专用焊丝 P91-3 和 P92 钢专用电焊条 MTS616，它们的熔敷金属化 学成分见表 1。试板材料为低合金钢，试板尺寸 与坡口形状如图 1 所示。在坡口表面分别用 P91-3MIG 焊丝及 MTS616 焊条堆焊 4mm 厚的过 渡层（图 2），然后分别用埋弧焊（P91-3 焊丝） 及焊条电弧焊（MTS616 焊条）方法焊接 M-1、 H-A、H-B、H-C、H-D 试样，试板焊接工艺参数 列于表 2。从 M-1（P91-3 熔敷金属）试板上制备 焊后状态标准 V 型缺口冲击试件，从 H-A、H-B、 H-C、H-D（MTS616 熔敷金属）试板上也制备标 准 V 型缺口冲击试件，在常温下进行 V 型缺口冲 击试验。采用 4%硝酸+酒精腐蚀剂和苦味酸+盐 酸+酒精腐蚀剂，分别对 M-1 和 H 系列试样进行 腐蚀，并用 MEF4A 型金相显微镜观察分析试样 显微组织。