【摘要】 介紹了T9l／P91鋼的研發(fā)過(guò)程，分析了該鋼焊接性主要問(wèn)題，探討了該鋼焊接工藝要點(diǎn)及其應(yīng)用。結(jié)果表明，T9l／P91新型鋼種以其一系列優(yōu)良的使用性能，在高參數(shù)火力發(fā)電機(jī)組高溫管道上獲得了廣泛的應(yīng)用。該鋼焊接性的主要問(wèn)題是冷裂紋敏感性較強(qiáng)，以及一定的熱裂紋傾向，同時(shí)也不可忽視接頭性能的弱化 (焊縫區(qū)韌性惡化和熱影響區(qū)的軟化)；合理的焊接工藝是控制和改善該鋼焊接性的重要技術(shù)手段。焊接方法和焊接材料確定以后，獲得優(yōu)質(zhì)接頭的關(guān)鍵工藝措施是：焊前預(yù)熱、控制層溫，以及“及時(shí)有效”的焊后熱處理等工藝。不同的接頭組合類(lèi)型(同種鋼或異種鋼)，不同規(guī)格尺寸的T91／P91鋼管焊接，其匹配的焊接工藝各具特色；采用專(zhuān)用藥芯焊絲填充TIG打底新工藝，將該鋼種的焊接工藝推向一個(gè)新的發(fā)展階段。
一、概述
T91／P91 鋼以其良好的高溫持久強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和高溫抗蠕變能力等綜合性能，在電站鍋爐的過(guò)熱器、再熱器及主蒸汽管道上獲得越來(lái)越廣的應(yīng)用。雖然說(shuō)T91／P91鋼在我國(guó)使用和研究已有十多年的歷史，一些單位在掌握該鋼焊接工藝方面積累了一些經(jīng)驗(yàn)，并且由國(guó)家電力公司電源建設(shè)部下發(fā)了《T91／P9l鋼焊接工藝導(dǎo)則》指導(dǎo)性文件，但在施工現(xiàn)場(chǎng)施焊時(shí)，該鋼的焊接質(zhì)量問(wèn)題仍時(shí)有發(fā)生。這表明，一方面是對(duì)該鋼焊接性的理解不夠深人；另一方面對(duì)配套焊接工藝關(guān)鍵技術(shù)的控制尚不到位。換言之，對(duì)引進(jìn)鋼種及其焊接工藝的消化、吸收以及國(guó)產(chǎn)化工作仍須繼續(xù)進(jìn)行。關(guān)于T91／P91鋼焊接的研究文獻(xiàn)逐年增多，電廠機(jī)組成功應(yīng)用的范例無(wú)一不與其采用的焊接工藝密切相關(guān)。
由于接頭的組合類(lèi)型、管子的規(guī)格尺寸(直徑和壁厚)不同，焊接所匹配的工藝各異，因而繼續(xù)開(kāi)展 T9l／P91鋼焊接性及其配套工藝的研究，對(duì)探尋工藝控制接頭性能機(jī)理，以及創(chuàng)新工藝核心技術(shù)很有必要。為此，本文特意將典型焊接工藝與該鋼焊接性問(wèn)題相聯(lián)系，綜合評(píng)述該鋼焊接工藝的特點(diǎn)及其應(yīng)用。該項(xiàng)工作對(duì)推動(dòng)T91／P91鋼焊接工藝的進(jìn)一步完善，提高鍋爐使用壽命，具有積極的意義和參考價(jià)值。
二、T91／P91鋼簡(jiǎn)介
隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，高參數(shù)、大容量機(jī)組不斷涌現(xiàn)，對(duì)鋼管材料的高溫蠕變性能和抗應(yīng)力腐蝕等性：能提出更高要求。為此，世界主要的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行了大量研究，先后開(kāi)發(fā)出系列新型鐵索體型耐熱鋼，并成功地用于大容量火力發(fā)電機(jī)組，其中高CT型9Cr1 MoVNbN耐熱鋼即為T(mén)91／P91鋼。
20 世紀(jì)70年代美國(guó)在試驗(yàn)室改進(jìn)原有的9Cr1 Mo鋼，80年代初確定改良型鋼為T(mén)91／P91鋼，接著1983年T91／P91鋼獲美國(guó)ASME認(rèn)可。80年代末德國(guó)從F12鋼轉(zhuǎn)向使用 T9l／P91鋼，90年代初日本大力推廣T91／P91鋼。目前世界主要生產(chǎn)鍋爐管和大直徑厚罐管的鋼廠，均已完成了T91／P91鋼工業(yè)化生產(chǎn)研究，其中日本、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家的鍘廠已向全世界供應(yīng)T91／P9l鋼管。我國(guó)于1987年引進(jìn)該鋼種并在電廠應(yīng)用。該鋼的國(guó)產(chǎn)化工作已由冶金部部署實(shí)施。
T91／P91鋼被高參數(shù)火力發(fā)電機(jī)組廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樵撲摲N的使用性能具有以下優(yōu)點(diǎn)：①與不銹鋼相比，該鋼具有低的熱膨脹系數(shù)和良好的導(dǎo)熱性。②該鍘具有較高的室溫抗拉強(qiáng)度，δb最高達(dá)770MPa，而且塑性也較好。③該鋼的沖擊韌度和材料脆性轉(zhuǎn)變溫度明顯優(yōu)于同類(lèi)X20和EMl2鋼。④該鋼具有更高的高溫持久強(qiáng)度和許用應(yīng)力，在550℃高溫經(jīng)過(guò)105h運(yùn)行后的高溫持久強(qiáng)度是T22鋼的2倍，在540～610℃內(nèi)的許用應(yīng)力明顯高于T22、TP304H和X20鋼。⑤該鋼具有良好的整管彎曲加工性能。⑥該鋼的高溫疲勞性能優(yōu)于T22和TP304H鋼，高溫抗氧化性能也遠(yuǎn)高于T22鋼。
三、T91／P91鋼的焊接性
T91／P91 鋼是在9Cr1 Mo鋼的基礎(chǔ)上，采用純凈化、細(xì)晶化冶金技術(shù)，以及微合金化和控軋、控冷等工藝，開(kāi)發(fā)出的新一代中合金耐熱鋼。從化學(xué)成分上看(見(jiàn)表1)，T91／P91 鋼中C、S、P含量降低了，并用V、Nb、N元素微合金化；從力學(xué)性能上看(見(jiàn)表2)，T91／P91鋼的強(qiáng)度和韌性改善了。這是由于該鋼的強(qiáng)化機(jī)理與老鋼種有原則的不同，即除了固溶和沉淀強(qiáng)化外，還通過(guò)微合金化、控軋、形變熱處理及控冷獲得高密度位錯(cuò)和高度細(xì)化晶粒的結(jié)果。該鋼的供貨狀態(tài)為正火＋回火 (730～760℃)，顯微組織是回火馬氏體。
與T9鋼相比，T9l／P9I鋼由于降低了碳和雜質(zhì)元素的含量，焊接裂紋的敏感性明顯減弱，防止裂紋產(chǎn)生的預(yù)熱溫度隨之而降。應(yīng)該說(shuō)，該鋼的焊接性有所改善。但是這并不意味著在所有的情況下都能獲得滿意的接頭性能。研究表明，該鋼焊接性的主要問(wèn)題如下：
(1)焊接裂紋敏感性。鋼中合金元素種類(lèi)多，總含量達(dá)10％左右，具有相當(dāng)高的空淬特性，由于HAZ淬硬傾向大，冷裂紋敏感性仍較大；同時(shí)鋼中含有C、Nb等促進(jìn)熱裂的元素，因此該鋼還有一定的熱裂傾向，其敏感性介于SA213—T9鋼和SA213—TP304H鋼之間。
(2)HAZ塑性降低。由于受焊接熱循環(huán)的影響，HAZ晶粒長(zhǎng)大傾向較大，使該區(qū)的塑性降低。
(3) HAZ的軟化。由于受焊接熱循環(huán)的影響，HAZ出現(xiàn)軟化層，惡化了該區(qū)的力學(xué)性能。
(4)焊縫金屬韌性的惡化。由于焊縫金屬未曾經(jīng)受控軋和形變熱處理過(guò)程，晶粒不可能由此被細(xì)化；同時(shí)焊縫中的Nb、V元素在冷卻凝固過(guò)程中難以呈微細(xì)的C、N化合物析出，因此焊縫的韌性比母材低許多。
(5)有研究顯示，在一些情況下，該鋼還有一定的應(yīng)力腐蝕裂紋敏感性。
總體上看，該鋼焊接性的主要問(wèn)題是冷裂紋敏感性較強(qiáng)，以及一定的熱裂紋傾向，同時(shí)也不可忽視接頭性能的弱化(焊縫區(qū)韌性惡化和熱影響區(qū)的軟化)。合理的焊接工藝是控制和改善該鋼焊接性的重要技術(shù)手段。
四、T91／P91鋼的焊接工藝要點(diǎn)
電站鍋爐過(guò)熱器和再熱器用T91鋼管常用規(guī)格有ψ54mm和ψ57mm等，壁厚有4mm、8mm和9mm等幾種。大直徑主蒸汽P91鋼管有ψ457mm× 45mm、ψ347mm×46mm等多種規(guī)格。小徑管現(xiàn)場(chǎng)施工多為水平對(duì)接固定位，要求單面焊雙面成形，而且要求反而焊縫不被氧化。為使接頭具有滿意的使用性能，早期的焊接工藝主要采用兩種方法：一是全氬弧焊(TIG打底＋TIG填充)；二是氳弧焊(TIG)打底＋焊條電弧焊填充。其焊接工藝要點(diǎn)如下：
(1)采用正確的坡口形狀和尺寸。
(2)選用合理的焊接材料(TIG焊絲和填充電焊條)。
(3)選用正確的焊接規(guī)范(包括焊絲及電焊條牌號(hào)和直徑、鎢極直徑、焊接電流、氬氣流量、電源極性、焊縫層數(shù)及道數(shù)等)。
(4)選用正確的工件預(yù)熱溫度、焊縫層間溫度。
(5)選用合理的焊后熱處理規(guī)范(包括升降溫速度、回火溫度及保溫時(shí)間等)。
(6)堅(jiān)持正確的接頭裝配定位焊和熟練、高超的手工操作技能等。
據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，上述方法及工藝的應(yīng)用，取得了較為滿意的效果。但是該工藝的不足之處或困難是焊接過(guò)程中焊縫的背面保護(hù)問(wèn)題較復(fù)雜，一旦保護(hù)不好，背面焊縫即被氧化，焊縫的質(zhì)量不能保證，造成不安全隱患。為此，近年來(lái)推出了自保護(hù)藥芯焊絲焊接方法及其工藝。該工藝的最大特點(diǎn)是焊接過(guò)程中冶金反應(yīng)產(chǎn)生的氣體和熔渣，不僅對(duì)正面熔池能夠進(jìn)行有效的保護(hù)，而且反面焊縫也被熔渣有效保護(hù)；正所謂氣渣聯(lián)合保護(hù)焊接方法及工藝，可以完全免除焊縫背面充氬復(fù)雜程序及裝置，克服了TIG方法背面焊縫保護(hù)困難的缺點(diǎn)。然而，該方法目前尚不成熟，原因是這種專(zhuān)用自保護(hù)藥芯焊絲焊縫質(zhì)量難以保證，況且焊絲的焊接工藝性也難以接受。
近年來(lái)，還有一種采用藥芯焊絲填充打底的TIG焊接方法。該方法的特點(diǎn)是，打底焊時(shí)用藥芯焊絲的熔渣對(duì)背面焊縫進(jìn)行保護(hù)，免除了焊縫背面保護(hù)，焊縫的填充層可以是TIG焊接，也可以是焊條電弧焊。這種打底專(zhuān)用藥芯焊絲成分、性能調(diào)整方便，接頭的性能能夠滿足使用要求，焊接工藝性也令人滿意，是一種前景看好的工藝方法。藥芯焊絲打底的TIG焊接方法的焊接工藝要點(diǎn)，除了焊接材料和焊接規(guī)范的選用，以及操作技術(shù)與上述全氬弧焊有所不同外，其他要點(diǎn)大同小異。
對(duì)于大徑管(P91)的焊接，除了采用TIG打底＋焊條電弧焊填充(多層多道)焊接方法之外，近期有單位采用了埋弧焊工藝(TIG打底＋條電弧焊填充5～8mm＋弧焊填充)，明顯提高了焊接生產(chǎn)效率，同時(shí)改善了焊接質(zhì)量。
從T9l／P91 鋼焊接工藝特點(diǎn)可以看出，無(wú)論是用實(shí)芯焊絲打底TIG焊接方法，還是藥芯焊絲打底TIG方法，其焊接工藝要點(diǎn)的實(shí)質(zhì)是要達(dá)到兩個(gè)目的：一是防止焊接缺陷產(chǎn)生；二是保證接頭的使用性能。為防止焊接缺陷產(chǎn)生，必須對(duì)諸如工件預(yù)熱溫度、焊縫層問(wèn)溫度、焊接熱輸入量，以及操作技術(shù)等工藝參數(shù)進(jìn)行有效控制；而為保證接頭的使用性能，必須對(duì)諸如填充焊絲(實(shí)芯或藥芯)成分、焊接熱輸入量，以及工件焊后熱處理等工藝參數(shù)進(jìn)行有效控制。
應(yīng)當(dāng)看到，焊接方法和焊接材料確定以后，獲得優(yōu)質(zhì)接頭的關(guān)鍵工藝措施是：焊前預(yù)熱、控制層溫，以及“及時(shí)有效”的焊后熱處理。焊前預(yù)熱的實(shí)質(zhì)是控制焊接區(qū)的氫的行為，降低焊接區(qū)的硬度和應(yīng)力峰值及改善韌性�？刂茖訂�(wèn)溫度一方面為防止焊縫過(guò)熱；另一方面是為了保持緩冷。及時(shí)有效的焊后熱處理包含兩層意思：一是該項(xiàng)工藝確實(shí)能起到改善焊縫及其HAZ組織，提高接頭的韌性和高溫持久強(qiáng)度以及消除焊接內(nèi)應(yīng)力等作用；二是在實(shí)施該項(xiàng)工藝時(shí)，必須嚴(yán)格控制焊件焊后冷卻的最低溫度，以及到焊后熱處卿的時(shí)問(wèn)問(wèn)隔。后者對(duì)于獲得優(yōu)良接頭性能是至關(guān)重要的。
五、T91／P91鋼焊接工藝的應(yīng)用
1.T91＋T91(P91＋P91)鋼管對(duì)接焊工藝的應(yīng)用
某電廠一期工程1號(hào)機(jī)組末級(jí)過(guò)熱器排使用ψ57mm×8mmT91鋼管制造，576道焊口采用傘TIG方法或TIG打底＋SMAW填充方法焊接。在執(zhí)行表3 中實(shí)例①所示的焊接工藝要點(diǎn)同時(shí)，特別強(qiáng)調(diào)焊前準(zhǔn)備、背面充氳方案，以及嚴(yán)格的作業(yè)程序。所焊接頭具有良好的性能，保證了機(jī)組運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性。目前機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)正常，該工藝獲得網(wǎng)滿成功。
焊接材料的化學(xué)成分及熔敷會(huì)屬的力學(xué)性能如表4、表5所示。
某電廠為了從根本上解決6臺(tái)超高斥電站鍋爐過(guò)熱器、再熱器爆管問(wèn)題，用ψ42mm×5mmT91鋼代替G102鍘，采用表3中實(shí)例②焊接工藝施工，接頭經(jīng)100％X射線探傷檢驗(yàn)，均達(dá)二級(jí)以上。更換后的T91鋼管及其接頭，在一年多的運(yùn)行過(guò)程中質(zhì)量良好。
以上是一個(gè)焊前工件不預(yù)熱而獲得滿意效果的成功案例。本案例工藝應(yīng)用效果與陶永順等關(guān)于“ψ60mm以下、壁厚在6mm以下的T91鋼管，當(dāng)采用TIG焊時(shí)，焊前不預(yù)熱也不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋”的結(jié)論相一致。
某電廠2×660MW機(jī)組安裝工程中的主蒸汽管、再熱蒸汽管熱段、鍋爐末級(jí)過(guò)熱器出口聯(lián)箱均采用了SA335—P9l大直徑厚壁管鋼材，管子規(guī)格有6種，從 ψ281mm×49.5mm至ψ762mm×31.5mm不等，壁厚從31.5mm至78.0mm不等，焊口總計(jì)156個(gè)。采用表3中實(shí)例③焊接工藝施工，接頭經(jīng)100％X射線探傷檢驗(yàn)，一次合格率高達(dá)99.71％，焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良。這是一個(gè)P91鋼焊接工藝在大口徑厚壁管道應(yīng)用的成功案例。
該項(xiàng)應(yīng)用表明，在大拘束條件下，采用焊前預(yù)熱＋小熱輸入量焊接＋焊后熱處理等工藝，對(duì)獲得滿意接頭性能是至關(guān)重要的。
2.T91＋12Cr1 MoV鋼管對(duì)接焊工藝的應(yīng)用
某電廠六期擴(kuò)建工程為兩臺(tái)125MW機(jī)組，高溫再熱器使用T91和12Cr1 MoV鋼管，管子規(guī)格為聲42mm×4mm，每臺(tái)機(jī)組有672個(gè)對(duì)接接口。采用表3中實(shí)例④焊接工藝施工，無(wú)損探傷檢驗(yàn)合格，機(jī)組運(yùn)行至今，工作狀況良好。這是一個(gè)T91鋼焊接工藝在其與珠光體耐熱鋼的異種鋼焊接應(yīng)用的成功實(shí)例。該項(xiàng)應(yīng)用表明，采用的焊接工藝及其措施，對(duì)這一類(lèi)異種鋼的焊接具有良好的匹配性。
3.T91鋼的藥芯焊絲TIG焊接工藝的應(yīng)用
1995年，某電廠對(duì)8號(hào)鍋爐高溫過(guò)熱器及再熱器外圈進(jìn)行檢修，管子材質(zhì)為T(mén)9l鋼，規(guī)格為ψ42mm×5.5mm，采用了T9l鋼TIC焊接專(zhuān)用藥芯焊絲YR91W和表3中實(shí)例⑤焊接工藝施工，焊后檢驗(yàn)全部合格，至今仍在安全運(yùn)行。
以上是一個(gè)采用新型焊接填充材料，實(shí)現(xiàn)T91鋼TIG焊接背面免充氬氣保護(hù)，推進(jìn)焊接工藝發(fā)展的典型成功應(yīng)用實(shí)例。
4.T91鋼＋1Cr18Ni9Ti鋼管對(duì)接焊工藝的應(yīng)用
某電廠二期2×300MW機(jī)組鍋爐過(guò)熱器安裝中，遇到了規(guī)格為ψ51mm×6mm的T91＋1Cr18Ni9Ti異種鋼對(duì)接接頭，采用了鎳基焊絲WEL TIG 82 TIG打底＋鎳基焊條INCONEL182填充、蓋面和表3中實(shí)例⑥焊接工藝施工，工程中共完成焊口160個(gè)多，焊后經(jīng)100％無(wú)損檢驗(yàn)，一次合格率達(dá) 97.2％。該項(xiàng)焊接工藝應(yīng)用案例有以下特點(diǎn)：
(1)接頭兩側(cè)管子成分、組織和性能差異太大。
(2)采用的配套焊接工藝與上述案例有很大不同：
①采用了鎳基焊絲和焊條。②選用的預(yù)熱溫度和層間溫度較前明顯降低。③最大的工藝特色是焊后不進(jìn)行熱處理。
上述工藝變化都是異種鋼材料特性及其接頭組織性能所決定的。
從以上典型應(yīng)用可以看出，不同的接頭組合類(lèi)型(同種鋼或異種鋼)，不同規(guī)格尺寸的T91／P91鋼管焊接，匹配的焊接工藝各具特色，特別是更有采用專(zhuān)用藥芯焊絲填充TIG打底的新工藝，將該鋼種的焊接工藝推向一個(gè)新的階段。焊接工藝技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，改善了接頭的使用性能，促進(jìn)了新鋼種及其工藝的應(yīng)用；而新鋼種焊接工藝應(yīng)用的更高需求，則推動(dòng)了工藝技術(shù)的更快發(fā)展。
目前，與世界上主要的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我同在T91／P91鋼種研發(fā)和焊接工藝配套方面尚存在一定差距，對(duì)該鋼種工藝適應(yīng)性及其評(píng)價(jià)還要進(jìn)行大量工作。期望在不太氐的時(shí)問(wèn)內(nèi)，與之匹配的新型專(zhuān)用焊接材料及其工藝開(kāi)發(fā)，以及接頭高溫蠕變特性、組織變化、失效機(jī)理及異種鋼焊接性等方面的研究，能夠取得更有價(jià)值的創(chuàng)新成果。
六、結(jié)語(yǔ)
(1)T91／P91鋼是一種改良型的9 Cr—1Mo鋼，這一新型鋼種以其一系列優(yōu)良的使用性能，在高參數(shù)火力發(fā)電機(jī)組高溫管道上獲得了廣泛的應(yīng)用。
(2)T91／P91鋼焊接性的主要問(wèn)題是冷裂紋敏感性較強(qiáng)，以及一定的熱裂紋傾向，同時(shí)也不可忽視接頭性：能的弱化(焊縫區(qū)韌性惡化和熱影響區(qū)的軟化)。合理的焊接工藝是控制和改善該鋼焊接性的重要技術(shù)于段。
(3)焊接方法和焊接材料確定以后，獲得優(yōu)質(zhì)接頭的關(guān)工藝措施是焊前預(yù)熱、控制層溫，以及“及時(shí)有效”的焊后熱處理等工藝。
(4)不同的接頭組合類(lèi)型(同種鋼或異種鋼)，不同規(guī)格尺寸的T91／P91鋼管焊接，其匹配的焊接工藝各具特色。采用專(zhuān)用藥芯焊絲填充TIG打底的新工藝，將該鋼種的焊接工藝推向了一個(gè)新的發(fā)展階段。
