火電機組P91鋼的金屬監督

季偉+牟永田+李梅

【摘 要】P91鋼是一種成熟、穩定、性能良好的管道用鋼，其除了具有優良的常溫、高溫力學性能外，還具有F12和TP347等高合金熱強性相接近的抗氧化能力，加強現場金屬監督工作非常重要。

【關鍵詞】金屬監督；焊接控制；無損檢測；硬度檢測

前言

隨著我國裝備制造業水平的提高，已具備承擔超超臨界火電機組四大管道的能力，但是新建電廠應用國產化四大管道的情況現在還不普遍，大多還依賴進口。發展超超臨界機組的關鍵技術是金屬材料耐高溫、高壓及焊接和熱處理問題。高端材料的應用是火電二次再熱技術的重中之重，加強火力發電廠高溫高壓管道金屬安全監督，實施預防為主的方針，確保機組安全、可靠、經濟運行和優化檢驗，不斷發現設備缺陷與隱患，推動金屬安全監督技術進步。

一、P91鋼焊接金屬監督的現狀

自1996年，原電力部電力規劃設計總院管道小組提出“關于我國火電廠主蒸汽管道采用P91鋼的建議”后，在火電機組中開始使用P91鋼，近20年的運行表面，P91鋼是一種成熟、穩定、性能良好的管道用鋼，其除了具有優良的常溫、高溫力學性能外，還具有F12和TP347等高合金熱強性相接近的抗氧化能力，并具有高的導熱系數和低的線膨脹系數，但是P91鋼焊接性能較差，焊縫沖擊值較低，根部焊道易過燒，給焊接帶來了一定的困難，因此，如果疏于監管，焊接位置將在后期運行中留下很大的隱患，加強現場金屬監督工作非常重要。

二、P91鋼焊接金屬監督的要點

（一）正確識別P91鋼管

需要對P91的材質證書及其相關文件資料進行卻，以確保P91鋼管質量。

1.P91鋼的化學成分確認，見表1：

2.確認供貨狀態下的熱處理工藝參數

ASME標準規定了P91正火和回火的最低溫度，正火溫度不低于1040℃，回火溫度不低于730℃。

3.確認P91鋼的力學性能，見表2：

此外除橫向或縱向拉伸性能外，還應進行壓扁試驗或彎曲試驗。按照ASME的要求，對于直徑大于NSP25及直徑和壁厚之比≤7.0的鋼管進行彎曲試驗，以代替壓扁試驗。

4.確認P91鋼的金相組織

P91鋼的典型金相組織為回火馬氏體，其晶粒度為6級以上，P91正火+回火的典型顯微組織.

（二）P91鋼焊接金屬監督

1.焊接人員資質的監督

P91鋼焊接從業人員包括焊接技術人員、熱處理人員、焊工、無損檢測人員、質量檢驗人員等。金屬監督過程中對焊接從業人員的資質非常重視，在DL/T 869-2012《火力發電廠焊接技術規程》中明確要求各類人員需持證上崗。二十多年的運作，行業內也形成了一整套培訓與考核的機構，例如各行業、協會、檢驗檢測機構、培訓中心舉辦焊工資質培訓考核業務。對于現場P91鋼的焊接，應做好上述焊接從業人員的資質復查，確保持證上崗的同時，盡量選擇經驗豐富、經驗水平較高的施工人員，是現場監督的首要任務。

2.焊接過程的監督

焊接過程的監督是確保正確的工藝得到正確的實施，不正確的施工將嚴重影響到P91鋼焊縫的性能，焊接過程中有效監督對保證焊縫質量至關重要。

（1）審核焊接工藝評定，是否嚴格按照相關的工藝評定標準執行，如電力部《焊接工藝評定規程》DL/T 868-2004。

（2）確認焊接設備、熱處理設備及所使用的檢測工具有效且符合標準要求。

（3）在焊口預熱時，保證加熱器和熱電偶正確安裝和使用。T91/P91鋼焊接時具有明顯的冷裂傾向，為了防止冷裂紋的產生，焊前一般要進行預熱.預熱溫度一般鎢極氬弧焊為150℃～200℃，焊條電弧焊為200℃～250℃.

（4）焊接材料符合工藝要求，預熱溫度及焊接工藝參數如電流、電壓、焊接速度、熱輸入等符合工藝要求。焊接時層間溫度過高，會造成焊縫組織粗大，焊縫中奧氏體量增加，馬氏體量減少，馬氏體“自回火”的作用不顯著，最終導致焊縫組織脆性增加。層間溫度過低，會增加產生冷裂紋的風險，也不利于焊縫金屬中氫的擴散逸出。因此，對焊接層間溫度要進行控制，一般為200℃～300℃。同樣，焊接熱輸入量過大也會造成焊縫組織過熱、晶粒粗大及網狀晶界等缺陷導致焊縫脆化，韌性變差，因此要嚴格控制焊接熱輸入量，一般控制在25KJ/cm以下。影響焊接熱輸入量的因素較多，但直接決定焊接熱輸入量的因素是焊接電流，電弧電壓和焊接速度這三個焊接參數。

（5）確保焊后熱處理的執行情況符合工藝要求。T91/P91鋼焊后進行760±10℃高溫回火熱處理，主要作用是降低焊接接頭殘余應力，獲得中、高溫回復狀態的板條馬氏體組織。由于這種鋼對焊接熱處理敏感，它的理論AC1溫度在800℃～830℃之間，其下限距標準規定的熱處理溫度上限比較接近，熱處理過程的允許偏差就有可能超過鋼材的AC1溫度。另外，焊接材料的性能往往懸殊很大，特別是AC1溫度差別很大，如日系T91/P91焊材的AC1溫度在770℃左右，如按760±10℃熱就有可能超過焊縫金屬的AC1溫度。當焊后熱處理溫度超過AC1溫度時，其室溫沖擊韌性將急劇下降，滿足不了焊接接頭性能的要求，這在實際監檢過程中是要特別注意的地方。

（三）焊接后的檢驗

焊縫質量按I類焊縫的驗收標準檢驗，檢驗內容及要求為：

1.外觀按DL/T869—2004《火力發電廠焊接技術規程》，I類焊縫外觀的質量標準驗收；對P91鋼焊接接頭內部缺陷的檢測優先選用超聲檢測，對于檢驗中發現的微小缺陷，要逐一進行鑒別，在此類鋼種的焊接缺陷中，面積狀未熔合和裂紋出現的幾率比較高，而且在接頭壁厚較大，但每一種無損檢測的方法都是有其局限性的，最好由射線檢測進行輔助。

2.T91/P91鋼焊后熱處理狀態下焊縫金屬、熱影響區和母材的硬度關系一般為：焊縫硬度高于母材硬度，最高硬度在緊靠焊縫金屬焊接界面的粗晶熱影響區，最低硬度在遠離焊接界面側的細晶熱影響區。在實際工程現場，一般采用便攜式硬度計對硬度進行測試，考慮到儀器探頭的尺寸，要測試狹窄的熱影響區并不容易（手工電弧焊約為3～8mm）。即使能測到熱影響區的一些數據，也很難分辨粗晶區和細晶區，實際意義不大。最直接的方法就是只測焊縫和母材的硬度。DL/T438-2009《火力發電廠金屬技術監督規程》明確焊接接頭硬度檢測部位包括焊縫和近縫區的母材，這更便于實際操作。應控制焊縫硬度值在180HB～270HB，直管段母材硬度值在180HB～250HB。這樣就能滿足沖擊功41J的最低值要求，也使硬度檢驗真正反映熱處理效果的作用。

三、結束語

目前，在大型火電機組中采用T91/P91鋼，如在在屏式過熱器、高溫過熱器、高溫再熱器及其連接管道和集箱，主蒸汽管道及再熱蒸汽熱段管道等受壓部件都有了廣泛的應用，對這些受壓部件安裝焊接質量進行監檢，并明確焊接、熱處理、硬度檢驗及金相檢驗等幾個安全質量控制環節中的關鍵技術問題，對于控制焊接質量，保障鍋爐安裝質量及機組安全運行有重要意義。

參考文獻：

[1]中國機械工程學會焊接學會主編，焊接手冊[第二卷]第1版，北京：機械工業出版社，1992.

[2]NDT全國特種設備無損檢測人員資格考核統編教材，中國特種設備檢驗協會組織編寫。超聲檢測。北京：中國勞動社會保障出版社，2008。

[3]美國無損檢測學會。美國無損檢測手冊（超聲卷）。世界圖書出版公司，1996。

[4]中華人民共和國能源行業標準，全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會主編。承壓設備無損檢測。北京：新華出版社，2015。

[5]金屬學與熱處理[M]，北京：機械工業出版社。

[6]焊接冶金與金屬焊接性，北京：機械工業出版社。endprint