高溫過熱器T91 鋼接頭硬度異常分析

李亞平，陸 飛，劉小龍

（陜西北元集團(tuán)錦源化工有限公司，陜西 榆林 719319）

T/P91 鋼是一種改良型的9Cr-1Mo 鋼，是在原9Cr-1Mo 馬氏體鋼基礎(chǔ)上，限制碳含量上下限，添加微量V、Nb 等合金元素，嚴(yán)格控制S、P、Al、N 含量得到的。該鋼種具有良好的高溫?zé)釓?qiáng)性和抗氧化性，通過固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化來提高該鋼的抗高溫氧化能力和抗蠕變性能，在同等溫度和壓力條件下，管子壁厚比10CrMo910 的管子減少50%，使焊接應(yīng)力和焊工勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低[1]。目前，T/P91 鋼已廣泛應(yīng)用于大容量、高參數(shù)、超臨界及以上電站鍋爐受熱面管道和主蒸汽管道及高溫再熱蒸汽管道。

近年來，T/P91 鋼普遍出現(xiàn)了硬度低的問題。對(duì)此，王寶臣等人[2]指出，由于P91 鋼管材熱處理時(shí)回火溫度超過Ac1，且在Ac1 附近緩慢降溫，組織中存在部分鐵素體。徐開等人[3]在低硬度噴管F91 材料組織內(nèi)也觀察到一定量的鐵素體，馬氏體板條不明顯。畢虎才等人[4]研究表明，P91 末過出口導(dǎo)管彎管硬度偏低與熱處理回火溫度過高、停留時(shí)間過長(zhǎng)，組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w有關(guān)。隨熱處理回火溫度升高、保溫時(shí)間延長(zhǎng)、冷卻速度增加，T91 鋼管材硬度呈逐漸降低趨勢(shì)[5，6]，但當(dāng)回火溫度為820℃時(shí)，產(chǎn)生不完全正火，組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小板條馬氏體、α 相及未溶解碳化物，硬度出現(xiàn)突升[7]。周龍等人[8]指出，低溫再熱器T91鋼密排管焊縫未達(dá)規(guī)定的回火溫度或保溫時(shí)間，焊縫仍存在淬硬組織，硬度偏高。可見，不論是管材制造環(huán)節(jié)，抑或是安裝時(shí)的對(duì)口焊接，熱處理工藝均尤為關(guān)鍵。

本文針對(duì)某電廠超超臨界燃煤機(jī)組鍋爐高溫過熱器T91 管段硬度異常情況進(jìn)行理化分析及原因探討，以期制定有效的解決措施，并為同類型機(jī)組提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

鍋爐施工過程中，現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其高溫過熱器部分T91 管子（規(guī)格：Φ51×9.5mm、Φ42×8.0mm）的硬度異常。為進(jìn)一步掌握管材性能狀態(tài)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)硬度異常的T91 管子進(jìn)行割管取樣分析。

對(duì)送檢的T91 管段進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，見表1。可以看出，T91 鋼和焊材成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 T91 鋼和焊材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）

金相試樣以三氯化鐵鹽酸水溶液侵蝕，在蔡司光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織。布氏、維氏硬度分別采用威爾遜布氏硬度計(jì)、島津顯微硬度儀測(cè)試。室溫拉伸選用三思縱橫電子式拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試。

2 試驗(yàn)及結(jié)果

2.1 微觀組織

對(duì)送檢T91 管段分別截取環(huán)狀金相試樣進(jìn)行顯微觀察，宏觀照片見圖1。可以看出，T91 管段母材的金相組織均為回火馬氏體，組織均勻細(xì)小，未見異常；熱影響區(qū)金相組織均為回火馬氏體，組織未見異常；焊縫金相組織為回火馬氏體，馬氏體板條粗大。

圖1 T91 鋼焊接接頭顯微組織

2.2 硬度分布

對(duì)送檢的T91 管段分別在焊接接頭處截取縱向條狀試樣，按照GB/T 231.1-2009《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1 部分試驗(yàn)方法》進(jìn)行布氏硬度測(cè)試；同時(shí)，按照GB T 4340.1-2009《金屬維氏硬度試驗(yàn)第1 部分：試驗(yàn)方法》對(duì)其進(jìn)行維氏硬度測(cè)試。硬度測(cè)試結(jié)果見表2，分布情況見圖2。

圖2 T91 焊接接頭硬度分布圖

表2 T91 鋼焊接接頭硬度數(shù)據(jù)

由結(jié)果知，T91 管段母材硬度在200HBW 左右，硬度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；焊縫及熱影響區(qū)的硬度值均在300HBW 以上，遠(yuǎn)高于DL/T 438-2016 的要求值。

2.3 拉伸性能

對(duì)送檢的T91 管段分別沿縱向取焊接接頭拉伸試樣，按照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表3。可以看出，焊接接頭抗拉強(qiáng)度較母材高11MPa，屈服強(qiáng)度高36MPa，伸長(zhǎng)率第21%。二者拉伸性能均滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 T91 鋼焊接接頭拉伸性能

3 結(jié)論

（1）所檢T91 管段的母材硬度均滿足ASME SA-213 和GB/T5310-2017 的相關(guān)要求，金相組織均為回火馬氏體，組織未見異常。

（2）T91 管段的焊縫及熱影響區(qū)硬度偏高，遠(yuǎn)高于DL/T 438-2016 的要求值，焊縫組織均為回火馬氏體，且馬氏體板條粗大。

建議：鑒于上述母材硬度未見異常，焊縫及熱影響區(qū)的硬度超標(biāo)，需進(jìn)一步加強(qiáng)焊接過程的質(zhì)量控制，降低焊接線能量，同時(shí)做好焊后熱處理。