16-T91小管径焊接及热处理解析

T91密排管焊缝硬度超标原因分析及解决方案研究

AnalysisofthecauseofthehardnessexceedingofT91closepitchedtubeweldseamsanditscorrespondingsolutions

周龙，汤淳坡（国电泰州发电有限公司，江苏泰州225300）

摘要：泰州公司在1000MW超超临界二次再热机组锅炉检修过程中发现部分一次低温再热器T91材质密排管对接焊缝硬度不符合标准要求。通过对比不同硬度值焊缝的现场里氏硬度值和实验室台式硬度仪检验结果，发现当现场里氏硬度检验结果达到290HBHLD时，其结果与试验室检验结果相差较大，而现场里氏硬度检验结果低于290HBHLD时，其结果与试验室检验结果相差较小。进一步进行金相观察、拉伸试验及弯曲试验后，发现当现场硬度达到273HBHLD时焊缝硬度、组织及各项性能符合要求。根据修正后的现场检验硬度数据，通过改进热处理工艺等措施制定了针对性的返修方案，并取得了很好的效果。关键词：1000MW发电机组；二次再热；T91钢；硬度；焊后热处理；密排管Abstract：During1000MWultrasupercriticaldoublereheatstationboileroverhaul，hardnessofsomeprimarylowtemperaturereheatertubes，madebyT91，isnotuptothestandard．Bycomparingdifferenton－siteresultsofrichterhardnesswithlabresultsofdesktophardness，theresearchshowsthatthereisalargedifferencebe-tweenthetwowhentherichterhardnessvalueisover290HBHLD，whileotherwisethedifferenceislittle．Fur-thermore，whentherichterhardnessvalueisunder273HBHLD，thefunctionsoftubes＇weldseamsmeetsthestandardscheckedbyaseriesofmetallurgicalstructureandbendingtests．Byimprovingthepostweldheattreatmentprocess，aspecificrepairprogramisdeveloped，accordingtotherevisedrichterhardnessdata．Anditacquiresagoodresultthateliminateshiddendangersforunitoperation．Keywords：1000MWpowerunit；ultra－supercriticaldoublereheat；T91steel；hardness；postweldheattreat-ment；closepitchedtube中图分类号：TM621文献标识码：B文章编号：1674－8069（2019）01－060－03

T91钢管瞬时液相扩散焊接陈思杰1,2,　井晓天1,　李辛庚3 (1.西安理工大学材料科学与工程学院,西安　710048;2.河南理工大学 机械工程系,焦作　454000;3.山东电力研究院,济南　250002)摘　要:用FeNiCrSiB非晶合金箔作中间层,氩气保护,对T91钢管进行了瞬时液相扩散连接。通过正交试验的方法研究了工艺参数对接头组织和性能的影响,分析了TLP连接接头的显微组织、力学性能和元素分布,确定出了合适的连接工艺参数。研究表明,在合适的工艺参数下,焊缝为成分与基体相似的固溶体,且没有沉淀相,可以获得良好的性能。研究出的最佳工艺为:连接温度1250℃,中间层为FeNiSiB非晶合金箔,等温凝固时间3min,压力6MPa。关键词:T91钢;瞬时液相扩散;中间层;正交试验;显微组织中图分类号:TG454 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2004)06-73-04陈思杰0　序 言T91/P91钢由美国ORNL公司在9Cr1Mo钢的基础上经改进后推出的,严格限制硫磷含量,添加少量的钒、铌元素进行合金化。它不仅具有优良的常温和610℃以下高温力学性能,而且具有良好的加工性能。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[1]。但焊接性较差,焊接时容易出现裂纹等问题。瞬时液相扩散焊(Transientliquid-phasebonding简称TLP连接)接头强度高,没有明显的界面和焊接物残留。连接时在接头处置入中间层,TLP选用的中间层的成分除熔点较高的主要组成元素外,都含有降低熔点的元素(Meltingpointdepressantelements,简称MPD)[2]。TLP连接作为一种新型的焊接技术在近30多年来获得了广泛的应用[3,4]。对TLP连接技术的研究,以前主要应用于航天航空先进材料的连接,对这些先进材料的连接都是在真空或惰性保护气氛下进行的[2～5]。20世纪80年代末期,日本将大气条件下的TLP连接技术应用在输气和输水管道、民用住宅等安装工程中,并获得成功;20世纪90年代中期,日本又将该技术应用于建筑工地实心钢筋的焊接[6,7],到1997年出现了电站锅炉水冷壁管的更换及安装的报道。在大气条件下惰性气体保护的TLP扩散焊,不使用真空炉,节约了设备投资,也适合在野外施工的场合,具有很高的工程价值。国内关于T91钢管的液相扩散焊研究刚刚开始。文中通过正交试验,研究T91钢管的液相焊接工艺,探讨了工艺参数对T91钢焊接组织和性能的影响。1　试验设备和方法试验在瞬时液相扩散焊机上进行,采用高频感应加热,氩气保护,压力设定范围为4～10MPa。力学性能试验机型号为WES-600W万能试验机。拉伸试验按GB2651-89《焊接接头拉伸试验方法》标准进行,弯曲试验按GB2653-89《焊接接头弯曲及压扁试验方法》标准进行。接头合格的标准为拉伸试验在母材断裂,面弯和背弯的弯曲角大于50°。焊缝组织和成分分析在XRJ-8800型电子显微镜上进行。试验材料为T91钢管,试样连接端面精车,并用丙酮或酒精清洗端面。钢管的成分和试验用中间层成分见表1,钢管规格和力学性能见表2。表1　T91钢管和非晶中间层的化学成分(质量分数,%)Table1　ChemicalcompositionsofT91steelandinsertmetalused材料CSiMnPSNiCrMoVNbBNFeT910.08～0.120.20～0.500.30～0.60≤0.02≤0.01≤0.48.00～9.500.85～1.050.18～0.250.06～0.100.06～0.07其余FeNiCrSiB6～845～474～57～8其余收稿日期:2003-12-31第25卷　第6期2004年12月焊接学报TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONVol.25 No.6December 2004表2　T91钢管的规格及常温力学性能Table2　Specificationandmechanical propertiesofT91steel外径d/mm壁厚h/mm抗拉强度σb/MPa屈服强度σ0.2/MPa伸长率δ5(%)冲击吸收功Akv/J63.54.65854152040前期试验主要是中间层的优化,并确定出了合适的非晶中间层的成分,配制的FeNiCrSiB非晶中间层厚度为30～40μm。正交试验采用3因素3水平。温度、时间和压力是连接成功的关键参数,利用正交试验方法可以在很多试验条件中选出代表性的试验,推断出最好的连接工艺参数。根据正交试验原理和焊接工艺要求,进行工艺连接试验。正交试验参数和水平的排列见表3。表3　T91钢管正交试验参数和试验结果Table3　OrthogonalexperimentparametersandresultofT91steel　序号温度T/℃时间t/min压力p/MPa抗拉强度σb/MPa抗弯强度σbb/MPa11200184781.1121200367831.6631200547501.6041225168101.8251225348751.7761225586731.4471250147531.76812503610251.9891250589301.47文献[8]利用热膨胀法测定了T91钢焊缝金属连续冷却组织转变相图(WM-CCT),得到马氏体的开始转变温度(Ms)为370～380℃,转变完成温度(Mf)为220℃左右,淬透性很好,焊接后接头区域在空冷状态下可以淬火得到马氏体组织。为了提高接头区域的塑韧性,有必要对接头进行回火处理。因为T91焊接接头冷却到室温时就有产生冷裂纹的危险,所以焊接后不允许冷却到室温再进行回火。接头温度降到100～150℃,就要进行回火。试验的回火工艺为800℃±5℃,保温8min。2　试验结果与讨论2.1　正交试验结果及分析对9个连接试样取样进行力学性能试验,拉伸和弯曲试样取样位置见图1,分别取0点、3点、6点和9点等4个位置,每一个位置分别取1个拉伸试样和2个弯曲试样(面弯和背弯),进行力学性能试验。正交试验接头的强度值列于表3。

焊接热处理规范

1、预热

当管子外径大于219mm或壁厚大于等于20mm时，应采用电加热进行预热，预热升温

速度应符合热处理规程6.4.3的要求。预热宽度从对口中心开始，每侧不少于焊件厚度的3

倍，且不小于100mm.

2、后热

（1）有冷裂纹倾向的焊件，当焊接工作停止后，若不能立即进行焊后热处理，应进行

后热处理。温度350?，保温时间1-2小时。其加热宽度应不小于预热时的宽度。

（2）对马氏体型钢（如F12钢或P91钢等）的焊接，如要进行后热，应在马氏体转变

结束后进行。

3、焊后热处理

下列焊接接头应进行热处理：

1）壁厚大于30 mm的碳素钢管子与管件。

2）壁厚大于32 mm的碳素钢容器。

3）壁厚大于28 mm的普通低合金钢容器。

4）耐热钢管子与管件（热处理规程第6.2.2.1条规定的内容除外）。

5）经焊接工艺评定需做热处理的焊件。

4、升、降温速度应按下述原则控制： 对承压管道和受压元件，焊接热处理升、降温速度为6250／δ（单位为?／h，其中δ

为焊件厚度mm）且不大于300?／h.降温时，300?以下可不控制。

5、T91／P91钢焊接接头热处理工艺

对T91／P91钢焊接接头热处理工作，作为本工程热处理工作的重点。须严格执行工艺。

1）当焊缝整体焊接完毕，对T91钢和P91钢小径薄壁管的焊接接头可冷却至室温，而

对P91钢大径厚壁管的焊接接头冷却到100～120?恒温1小时后，应及时进行焊后热处理。

2）要求焊接接头焊后及时热处理。不能及时进行热处理时，应于焊后立即做加热温度

为350?，恒温时间为1小时的后热处理。

3）焊后热处理的升、降温速度以?150?／h为宜，对T91钢和P91钢小径薄壁管的焊接接头焊后热处理的升、降温速度为?300?／h.降温至300?以下时，可不控制，在保温层内冷却至室温。

4）T91／P91钢焊后热处理加热温度为760?1O?。对于T91／P91钢与珠光体、贝氏体钢的异种焊接接头，加热温度应按两侧钢材及所用焊丝、焊条等综合确定，不应超过合金

《T91/P91钢焊接工艺导则》

1 制定依据

本导则是根据电力工业焊接有关规程、规范、技术条件和相关资料，以国家电力公司火电建设部制定的“T91/P91钢管焊接工艺暂行规定”为版本，结合近年来积累的实践经验进行了修订。

2 适用范围

2.1 本导则适用于电力发电设备，以T91/P91钢管及与其它钢种相连接的各类焊接接头的制作、安装、检查工程的焊接工作。

2.2 适用于手工钨极氩弧焊和焊条电弧焊的焊接方法。

3 总结

3.1 T91/P91钢的焊接工艺评定，应遵守SD340-89《火力发电厂焊接工艺评定规程》（现为DL/T868-2004焊接工艺评定规程，下同，编者注）的规定并以确定焊接工艺，编制作业指导书。

3.2 焊接T91/P91钢焊工技术能力的验证，应按DL/T679-1999《焊工技术考核规程》的规定考核，取得合格证后，方可参加焊接工作。

3.3 焊接接头质量检验应遵照DL/T820-2002和DL/T821-2002两本检验规程室的规定进行，其质量标准应符合DL5007-92（现为DL/T869-2004火力发电厂焊接技术规程，下同。编者注）规定。

3.4 对国外引进设备的T91/P91钢焊接工作，应按合同规定进行，如无规定时，其焊接工艺评定、焊工技术考核、焊接工程的技术规定和焊接质量检验等均应执行电力工程焊接相关规定和本导则规定。

3.5 焊接T91/P91钢的场所其环境温度和条件以及防护设施应符合DL5007-92的规定。

3.6 实施T91/P91钢焊接工作应遵守国家和电力工业安全、防火、环保和施焊中其他相关条件的有关规定。

4 焊接机具和焊接材料

4.1 焊接T91/P91钢的焊接设备，应选用焊接特性良好、稳定可靠的逆变式或整流式焊机。其容量应满足焊接规范参数的要求。

4.2 氩弧焊工器具

4.2.1 氩弧焊枪选用气冷式

4.2.2 氩气减压流量计应选择气压稳定、调节灵活的表计，其产品质量和特性应符合国家或部颁标准。