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寶鋼產(chǎn)T91合金管/P91高壓合金管化學(xué)成份和機械性能 |
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發(fā)布者:管理員 發(fā)布時間:2011/6/10 閱讀:1914次 【字體:大 中 小】 |
改良型9Cr-1Mo鋼,即T91/P91鋼,這類鋼是70年代至80年代,美國在早期的9Cr-1Mo鋼基礎(chǔ)上研究成功的。90年代中期出現(xiàn)在國內(nèi)安裝的進口機組中,現(xiàn)在已經(jīng)在我國的大型電站鍋爐上較普遍采用。這類鋼可以說是熱強鋼的第三代產(chǎn)品,其主要特點是降低了含碳量,同樣是多元復(fù)合強化,但各合金元素含量控制極嚴(yán)格,從而改善了鋼的塑韌性和焊接性,提高了鋼的高溫穩(wěn)定性,其600℃時的持久強度比F11和F12提高了近70%。在電力行業(yè)焊接此類鋼的過程中,通過接觸國外更高層次的技術(shù)資料和幾十年的焊接,使焊接人員觀念發(fā)生了重要轉(zhuǎn)變,即:焊接工藝與操作工藝不是一回事,在此類鋼的焊接中,焊工操作工藝的重要性已經(jīng)退居其次;使用的焊接工藝必須經(jīng)過評定,評定的依據(jù)不再是一系列常溫力學(xué)性能,而把重點放在驗證焊接接頭能否獲得預(yù)期的塑韌性和金相組織;焊接此類鋼應(yīng)該在焊接工藝的全過程嚴(yán)格受控。此類鋼對焊接工藝的嚴(yán)謹(jǐn)性要求與早期的9Cr-1Mo鋼相比更高,焊接熱輸入量要求更嚴(yán)格,焊后熱處理的溫度和保溫時間對焊接接頭的韌性有很大影響,必須給予足夠重視。
T91鋼的化學(xué)成份% 元素 含量 C 0.08-0.12 Mn 0.30-0.60 P ≤0.02 S ≤0.01 Si 0.20-0.50 Cr 8.00-9.50 Mo 0.85-1.05 V 0.18-0.25 Nb 0.06-0.10 N 0.03-0.07 Ni ≤0.40
T91鋼中各合金元素分別起到固溶強化、彌散強化和提高鋼的抗氧化性、抗腐蝕性能,具體分析如下。 ①碳是鋼中固溶強化作用最明顯的元素,隨含碳量的增加,鋼的短時強度上升,塑性、韌性下降,對T91這類馬氏體鋼而言,含碳量的上升會加快碳化物球化和聚集速度,加速合金元素的再分配,降低鋼的焊接性、耐蝕性和抗氧化性,故耐熱鋼一般都希望降低含碳量,但含碳太低,鋼的強度將降低。T91鋼與12Cr1MoV鋼相比,含碳量降低20%,這是綜合考慮上述因素的影響而決定的。 ②T91鋼中含微量氮,氮的作用體現(xiàn)在兩個方面。一方面起固溶強化作用,常溫下氮在鋼中的溶解度很小,T91鋼焊后熱影響區(qū)在焊接加熱和焊后熱處理過程中,將先后出現(xiàn)VN的固溶和析出過程:焊接加熱時熱影響區(qū)內(nèi)已形成的奧氏體組織由于VN的溶入,氮含量增加,此后常溫組織中的過飽和程度提高,在隨后的焊后熱處理中有細小的VN析出,這增加了組織穩(wěn)定性,提高了熱影響區(qū)的持久強度值。另一方面,T91鋼中還含有少量A1,氮能與其形成A1N,A1N在1 100℃以上才大量溶入基體,在較低溫度下又重新析出,能起到較好的彌散強化效果。 ③加入鉻主要是提高耐熱鋼的抗氧化性、抗腐蝕能力,含鉻量小于5%時,600℃開始劇烈氧化,而含鉻量達5%時就具有良好的抗氧化性。12Cr1MoV鋼在580℃以下具有良好的抗氧化性,腐蝕深度為0.05 mm/a,600℃時性能開始變差,腐蝕深度為0.13 mm/a。T91含鉻量提高到9%左右,使用溫度能達到650℃,主要措施就是使基體中溶有更多的鉻。 ④釩與鈮都是強碳化物形成元素,加入后能與碳形成細小而穩(wěn)定的合金碳化物,有很強的彌散強化效果。 ⑤加入鉬主要是為了提高鋼的熱強性,起到固溶強化的作用。 2.2 熱處理工藝 T91的最終熱處理為正火+高溫回火,正火溫度為1040℃,保溫時間不少于10 min,回火溫度為730~780℃,保溫時間不少于1h,最終熱處理后的組織為回火馬氏體。 2.3 機械性能 T91鋼的常溫抗拉強度≥585 MPa,常溫屈服強度≥415 MPa,硬度≤250 HB,伸長率(50 mm標(biāo)距的標(biāo)準(zhǔn)圓形試樣)≥20%,許用應(yīng)力值〔σ]650℃=30 MPa。 2.4 焊接性能 按照國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量公式算得T91的碳當(dāng)量為
可見T91的焊接性較差。 3 T91焊接時存在的問題 3.1 熱影響區(qū)淬硬組織的產(chǎn)生 從圖1可以看出,T91的臨界冷卻速度低,奧氏體穩(wěn)定性很大,冷卻時不易發(fā)生正常的珠光體轉(zhuǎn)變,從而冷卻到較低溫度時發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變。正由于此,T91的淬硬和冷裂傾向很大。
圖1 T91鋼的連續(xù)冷卻曲線 由于熱影響區(qū)的各種組織具有不同的密度、膨脹系數(shù)和不同的晶格形式,在加熱和冷卻過程中必然會伴有不同的體積膨脹和收縮;另一方面,由于焊接加熱具有不均勻和溫度高的特點,故而T91焊接接頭內(nèi)部應(yīng)力很大。 對于T91,奧氏體十分穩(wěn)定,要冷卻到較低溫度(約400℃)才能變?yōu)轳R氏體。粗大的馬氏體組織脆而硬,接頭又處在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下。同時,焊縫冷卻過程中氫由焊縫向近縫區(qū)擴散,氫的存在促使了馬氏體脆化,其綜合作用的結(jié)果,很容易在淬硬區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。 3.2 熱影響區(qū)晶粒長大 焊接熱循環(huán)對焊接頭熱影響區(qū)的晶粒長大有重大的影響,特別是緊鄰加熱溫度達到最高的熔合區(qū)。當(dāng)冷卻速度較小時,在焊接熱影響區(qū)會出現(xiàn)粗大的塊狀鐵素體和碳化物組織,使鋼材的塑性明顯下降;冷卻速度大時,由于產(chǎn)生了粗大的馬氏體組織,也會使焊接接頭塑性下降。 3.3 軟化層的產(chǎn)生 T91鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接,熱影響區(qū)產(chǎn)生軟化層不可避免,而且比珠光體耐熱鋼的軟化更為嚴(yán)重。當(dāng)用加熱和冷卻速度均較緩慢的規(guī)范時,軟化程度較大。另外,軟化層的寬度和它離熔合線的距離,不僅與焊接的加熱條件及特點有關(guān),還與預(yù)熱、焊后熱處理等有關(guān)。哈爾濱鍋爐廠曾做過試驗得出T91焊接熱影響區(qū)硬度曲線,見圖2。
圖2 T91焊接熱影響區(qū)硬度曲線 ①730℃回火;②750℃回火 由圖2可以看出,T91鋼焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生的軟化現(xiàn)象比較嚴(yán)重,而且接頭的回火溫度越高,軟化程度越嚴(yán)重,接頭強度利用系數(shù)大大下降。 3.4 應(yīng)力腐蝕裂紋 T91鋼在焊后熱處理之前,冷卻溫度一般不低于100℃,如果在室溫下冷卻,而環(huán)境又比較潮濕時,容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋。德國規(guī)定:在焊后熱處理之前必須冷卻至150℃以下。在工件較厚、有角焊縫存在及幾何尺寸不好的情況下,冷卻溫度不低于100℃。如果在室溫下冷卻,嚴(yán)禁潮濕,否則容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。 4 T91鋼的焊接工藝 4.1 預(yù)熱溫度的選擇 T91鋼的Ms點約為400℃,預(yù)熱溫度一般選在200~250℃。預(yù)熱溫度不能太高,否則接頭冷卻速度降低,可能在焊接接頭中引起晶界處碳化物析出和形成鐵素體組織,從而大大降低該鋼材焊接接頭在室溫時的沖擊韌性。預(yù)熱溫度的下限從哈爾濱鍋爐廠所做過的插銷試驗可得到很好的說明。 插銷試棒采用T91鋼,直徑8 mm,深0.5 mm,底板采用13CrMo鋼,厚20 mm,試驗在不預(yù)熱、預(yù)熱150℃、預(yù)熱200℃、預(yù)熱250℃條件下進行。焊條采用J707。焊接電流為165~170 A,電弧電壓為21~267 V,試驗結(jié)果如表2所示。 表2 T91插銷試驗結(jié)果
試驗 條件 試樣 號 應(yīng)力水平 /MPa 斷裂時間 /min 不預(yù)熱 1 303.8 9 9 2 186 8 237 3 176.4 8.3 1440未斷 預(yù)熱150℃ 4 421.4 8.1 1260 5 354.8 120未斷 預(yù)熱200℃ 6 465.2 8.6 1440未斷 7 482.7 8.1 438 8 539 7.9 313 預(yù)熱250℃ 9 539 8.2 1440未斷 10 600 8.0 1440未斷
由上述試驗結(jié)果知,在不預(yù)熱條件下,T91鋼焊接接頭的臨界應(yīng)力為176.4 MPa;預(yù)熱150℃時,臨界應(yīng)力為354.8 MPa,為T91鋼常溫屈服極限415 MPa的85.4%;預(yù)熱200℃以上時,臨界應(yīng)力大于460 MPa,超過了T91鋼常溫屈服極限。由此,為避免T91鋼焊接時產(chǎn)生冷裂紋,預(yù)熱溫度必須不低于200℃,德國規(guī)定預(yù)熱溫度為180~250℃,美國CE公司規(guī)定預(yù)熱溫度為120~205℃。 4.2 層間溫度的選擇 層間溫度不得低于預(yù)熱溫度下限,但如同預(yù)熱溫度的選取一樣,層間溫度也不能過高。T91焊接時層間溫度一般控制在200~300℃。法國規(guī)定:層間溫度不超過300℃。美國規(guī)定:層間溫度可位于170~230℃之間。 4.3 焊后熱處理起始溫度的選擇 T91要求焊后冷卻到低于Ms點以下并保持一定時間再進行回火處理,焊后冷卻速度為80~100℃/h。如果未經(jīng)保溫,接頭的奧氏體組織可能沒有完全轉(zhuǎn)變,回火加熱會促使碳化物沿奧氏體晶界沉淀,這樣的組織很脆。但是T91焊后也不允許冷卻到室溫再進行回火,因為其焊接接頭冷卻到室溫時就有產(chǎn)生冷裂紋的危險。對于T91來說,最佳起始溫度為100~150℃,并保溫1h,可基本確保組織轉(zhuǎn)變完畢。 4.4 回火溫度、恒溫時間、回火冷卻速度的選擇 T91鋼冷裂傾向較大,在一定條件下,容易產(chǎn)生延遲裂紋,故焊接接頭必須在焊后24 h內(nèi)進行回火處理。T91焊后狀態(tài)的組織為板條狀馬氏體,經(jīng)過回火可變?yōu)榛鼗瘃R氏體,其性能較板條狀馬氏體優(yōu)越。回火溫度偏低時,回火效果不明顯,焊縫金屬容易時效而脆化;回火溫度過高(超過AC1線),接頭又可能再次奧氏體化,并在隨后的冷卻過程中重新淬硬。同時,如本文在前面所述,回火溫度的確定還要考慮接頭軟化層的影響。一般而言,T91回火溫度為730~780℃。 T91焊后回火恒溫時間不少于1 h,才能保證其組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體。 為了降低T91鋼焊接接頭的殘余應(yīng)力,必須控制其冷卻速度小于5 ℃/min。T91鋼的焊接工藝可用圖3表示。
圖3 T91鋼焊接工藝 ①預(yù)熱200~250 ℃;②焊接,層間溫度200~300 ℃;③焊后冷卻,速度為 80~100 ℃/h;④100~150 ℃保溫1 h;⑤730~780 ℃回火1 h;⑥以不大于5 ℃/min速度冷卻 5 T91鋼在廣東省內(nèi)火電廠應(yīng)用實例 廣東省電力局第一焊接培訓(xùn)中心曾作過Φ42 mm×5mm的T91小徑管對接的焊接工藝評定。采取的預(yù)熱溫度為200℃,焊后冷卻到150℃,保溫1h后進行回火,回火溫度為750~780℃,保溫1h,升降溫速度均小于5℃/min。焊后對試樣進行外觀檢查、斷口檢查、無損檢測、拉伸和彎曲試驗,結(jié)果均合格,這也說明上述焊接工藝是行之有效的。 上述焊接工藝已成功應(yīng)用在沙角A廠、梅縣電廠高溫再熱器外圈。T91鋼在這些電廠應(yīng)用后,由于超溫等造成的事故頻率大大降低。 6 結(jié)論 ①T91鋼靠合金化原理,尤其是添加了少量鈮、釩等微量元素,高溫強度、抗氧化性較12 Cr1MoV鋼有較大的提高,但其焊接性能較差。 ②插銷試驗表明,T91鋼有較大冷裂傾向,選取預(yù)熱200~250 ℃,層間溫度200~300 ℃,可有效防止冷裂紋產(chǎn)生。 ③T91焊后熱處理前,必須冷卻至100~150 ℃,保溫1 h;回火溫度730~780 ℃,保溫時間不少于1 h。 ④以上焊接工藝已應(yīng)用于200 MW、300MW 鍋爐制造生產(chǎn)實踐中,取得滿意效果,并獲得較大的經(jīng)濟效益。
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