P鋼蒸汽管道軟化機(jī)理研究與工藝控制南京王智春

P鋼蒸汽管道軟化機(jī)理研究與工藝控制南京王智春第1頁(yè)/共31頁(yè)1.研究背景

隨著高參數(shù)機(jī)組在我國(guó)火力發(fā)電廠的迅猛發(fā)展，P91材料廣泛的應(yīng)用于主蒸汽管道、再熱蒸汽管道及其旁路、高溫聯(lián)箱等高溫部件。

對(duì)于早期建設(shè)的亞臨界、超臨界機(jī)組，在役的P91鋼的蒸汽管道和聯(lián)箱中硬度偏低是一個(gè)普遍的問(wèn)題。由于數(shù)量極大，采用更換方式根除安全隱患，是一個(gè)極為困難的事情。

開(kāi)展低硬度P91鋼的性能、軟化機(jī)理的研究和對(duì)熱加工工藝措施的優(yōu)化將極為重要。第2頁(yè)/共31頁(yè)2.P91鋼蒸汽管道軟化實(shí)例2.1某廠實(shí)例某廠更換主汽彎頭，規(guī)格為D451×41.5mm，焊接前彎管外弧金相組織為回火馬氏體，硬度為200HBHLD左右。

第3頁(yè)/共31頁(yè)2.P91鋼蒸汽管道軟化實(shí)例2.2相關(guān)導(dǎo)則要求國(guó)家電力公司電源建設(shè)部頒發(fā)的《T91/P91鋼焊接工藝導(dǎo)則》要求：回火溫度為760℃±10℃，回火時(shí)間按照每25mm壁厚保溫1小時(shí)，但最少不少于4小時(shí)進(jìn)行計(jì)算。第4頁(yè)/共31頁(yè)2.P91鋼蒸汽管道軟化實(shí)例圖1P91鋼焊接熱處理工藝曲線第5頁(yè)/共31頁(yè)2.P91鋼蒸汽管道軟化實(shí)例2.3實(shí)際熱處理工藝工藝及結(jié)果

回火溫度為770℃，保溫時(shí)間為5小時(shí)，回火熱處理曲線如圖2所示。在恒溫保溫前，750℃~760℃之間存在一段近5小時(shí)的升溫段，這嚴(yán)重偏離了設(shè)計(jì)的熱處理曲線。第6頁(yè)/共31頁(yè)2.P91鋼蒸汽管道軟化實(shí)例圖2實(shí)際回火熱處理曲線第7頁(yè)/共31頁(yè)2.P91鋼蒸汽管道軟化實(shí)例2.3實(shí)際熱處理工藝工藝及結(jié)果同時(shí)由于該彎頭較小，兩側(cè)焊口進(jìn)行熱處理時(shí)，外弧部位受到兩次熱循環(huán)的影響，出現(xiàn)了過(guò)回火現(xiàn)象。經(jīng)測(cè)試其硬度僅為134HBHLD左右，組織中出現(xiàn)了一定的鐵素體塊如圖3所示。第8頁(yè)/共31頁(yè)2.P91鋼蒸汽管道軟化實(shí)例圖3軟化的P91鋼中出現(xiàn)了鐵素體第9頁(yè)/共31頁(yè)3.軟化后的P91鋼的力學(xué)性能

對(duì)硬度值為160HB的P91鋼蒸汽管道進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，其結(jié)果如表1、表2、所示?？梢?jiàn)，軟化后的P91鋼的力學(xué)性能出現(xiàn)了大幅度的下降。屈服強(qiáng)度下降更為明顯，室溫比標(biāo)準(zhǔn)下限低32%，540℃比標(biāo)準(zhǔn)低31%，566℃比標(biāo)準(zhǔn)低33%，600℃比標(biāo)準(zhǔn)低23%。第10頁(yè)/共31頁(yè)序號(hào)溫度t/℃抗拉強(qiáng)度Rm/MPa屈服強(qiáng)度RP0.2/MPa斷面延伸率A/％斷面收縮率Z/％沖擊吸收功KV2/J1室溫（均值）560282.533.870.5126.3GB5310≥585≥415≥20(縱向)----254031318542.381.8253.3GB5310269.2------3566275161.53983.8249.5GB5310--240------460024515250.389.3242.7GB5310--198------表1硬度值為160HB的P91鋼蒸汽管道的力學(xué)性能結(jié)果3.軟化后的P91鋼的力學(xué)性能第11頁(yè)/共31頁(yè)序號(hào)溫度t/℃抗拉強(qiáng)度Rm/MPa屈服強(qiáng)度Rp0.2/MPa1室溫與ASMESA335室溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比↓4%↓32%2540℃與GB5310對(duì)比--↓31%3566℃與GB5310對(duì)比--↓33%4600℃與GB5310對(duì)比--↓23%3.軟化后的P91鋼的力學(xué)性能表2硬度值為160HB的P91鋼力學(xué)性能與相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比下降結(jié)果第12頁(yè)/共31頁(yè)3.軟化后的P91鋼的力學(xué)性能

對(duì)軟化的P91鋼進(jìn)行高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)，其結(jié)果如表3所示。160HB的P91鋼的10萬(wàn)小時(shí)的持久強(qiáng)度與GB5310相比，下降了近一半。第13頁(yè)/共31頁(yè)序號(hào)硬度度HB溫度℃外推方程GB5310推薦值1160566y=-0.0968x+2.353392741332540y=-0.0900x+2.4279117951663180566y=-0.0781x+2.47111441201334540y=-0.0597x+2.4881781551663.軟化后的P91鋼的力學(xué)性能表3依據(jù)現(xiàn)階段試驗(yàn)結(jié)果外推的10000h和100000h持久強(qiáng)度（MPa）第14頁(yè)/共31頁(yè)4.軟化原因分析4.1P91鋼的回復(fù)再結(jié)晶

未經(jīng)變形的馬氏體板條是相對(duì)穩(wěn)定的，這是由于細(xì)小的碳化物抑制邊界的遷移，而P91鋼的馬氏體板條中存在大量高密度位錯(cuò)，延遲再結(jié)晶的發(fā)生，即使在回火過(guò)程中也保持不變。

但是，在實(shí)際生產(chǎn)中常常對(duì)P91管道進(jìn)行二次變形加工，馬氏體增加了一定變形能?；蛘哂捎诠に嚳刂撇划?dāng)導(dǎo)致回火時(shí)間的增長(zhǎng)，增加了材料的內(nèi)能，這使得馬氏體的再結(jié)晶的出現(xiàn)形成了動(dòng)力學(xué)的可能。即工藝控制不當(dāng)會(huì)造成鐵素體的出現(xiàn)。第15頁(yè)/共31頁(yè)4.軟化原因分析4.2軟化機(jī)理及再結(jié)晶鐵素體的形成P91鋼強(qiáng)度的下降，一定程度上是由于M23C6、MX、Laves相發(fā)生了變化和位錯(cuò)、亞結(jié)構(gòu)消失或部分消失造成。當(dāng)P91鋼出現(xiàn)異常軟化時(shí)，常常伴隨金相組織的異常，即在組織中可見(jiàn)塊狀鐵素體。這是引起P91鋼軟化的重要原因。第16頁(yè)/共31頁(yè)4.軟化原因分析4.2軟化機(jī)理及再結(jié)晶鐵素體的形成

P91鋼回火馬氏體中產(chǎn)生鐵素體的三種機(jī)制：（1）回火過(guò)程中溫度失控，導(dǎo)致超過(guò)Ac1相變點(diǎn)出現(xiàn)的鐵素體；（2）在回火過(guò)程中通過(guò)回復(fù)再結(jié)晶而出現(xiàn)的鐵素體；（3）對(duì)于厚壁部件，在淬火過(guò)程中冷速過(guò)慢導(dǎo)致先產(chǎn)生了少量的鐵素體。第17頁(yè)/共31頁(yè)4.軟化原因分析4.2.1超過(guò)Ac1相變點(diǎn)出現(xiàn)的鐵素體

當(dāng)回火溫度超過(guò)Ac1點(diǎn)（經(jīng)測(cè)試，P91鋼的Ac1為834℃）時(shí)，鋼將進(jìn)入α相、γ相和碳化物的兩相區(qū)，一部分馬氏體會(huì)分解生成部分α相、γ相和碳化物，回火溫度進(jìn)一步提高，鋼將進(jìn)入γ相和碳化物的單相區(qū)，鐵素體又逐步消失。在隨后的冷卻中，只是部分分解的α相會(huì)保留下來(lái)，而γ相又生成了馬氏體。因此，在過(guò)回火中，鐵素體的含量應(yīng)該不會(huì)太高。但是在實(shí)際840℃下回火，我們見(jiàn)到的鐵素體含量還是比較高的。第18頁(yè)/共31頁(yè)4.軟化原因分析4.2.2再結(jié)晶形成鐵素體

于P91鋼管取試樣進(jìn)行正火+回火實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，當(dāng)在810℃、820℃回火時(shí)，發(fā)現(xiàn)在馬氏體板條間出現(xiàn)了新形成的鐵素體塊，如圖4、5所示。

保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)增加材料的內(nèi)能，從而加速再結(jié)晶出現(xiàn)鐵素體。在本文前面提到了案例正是由于回火時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致了鐵素體的出現(xiàn)，從而使P91鋼軟化。冷熱加工后的殘余應(yīng)力也給再結(jié)晶增添了動(dòng)能。第19頁(yè)/共31頁(yè)4.軟化原因分析圖4810℃回火中產(chǎn)生的鐵素體圖5820℃回火產(chǎn)生的鐵素體第20頁(yè)/共31頁(yè)4.軟化原因分析4.2.3淬火冷卻速度過(guò)慢造成先析出鐵素體

對(duì)于厚壁部件，或是同批熱處理的部件數(shù)量較多時(shí)，會(huì)造成淬火冷卻速度過(guò)慢，先析出部分鐵素體，由連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT），如圖6所示。當(dāng)冷卻速度小于一定值時(shí)，奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變曲線進(jìn)入鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)域，會(huì)有少量的奧氏體先轉(zhuǎn)變成鐵素體。第21頁(yè)/共31頁(yè)4.軟化原因分析Ac1圖6T/P91的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）曲線第22頁(yè)/共31頁(yè)4.軟化原因分析

4.3影響再結(jié)晶的因素（1）溫度：加熱溫度越高，再結(jié)晶轉(zhuǎn)變速度越快?；鼗饻囟仍浇咏嘧凕c(diǎn)，再結(jié)晶就越容易進(jìn)行?；鼗饡r(shí)間越長(zhǎng)，內(nèi)能增加就越多，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力也會(huì)顯著明顯增加。（2）變形程度：變形度越大，再結(jié)晶速度越快。

（3）微量溶質(zhì)原子：不利于再結(jié)晶的形核與長(zhǎng)大，阻礙再結(jié)晶，使再結(jié)晶溫度升高。（4）原始晶粒尺寸：晶粒越細(xì)，變形抗力越大，冷變形后儲(chǔ)存能越多，再結(jié)晶溫度越低。（5）分散相粒子：直徑較大，間距較大時(shí)再結(jié)晶被促進(jìn)；粒子直徑和間距小時(shí)，再結(jié)晶被阻礙。第23頁(yè)/共31頁(yè)5.工藝控制要點(diǎn)5.1溫度

對(duì)溫度控制的準(zhǔn)確性是非常重要的，尤其是熱處理爐的溫度均勻性，如果溫度不均勻，可能會(huì)導(dǎo)致某一管件或管件的某一區(qū)域的加熱溫度偏離正常的熱處理溫度，因此，必要時(shí)應(yīng)對(duì)爐膛的均勻性進(jìn)行測(cè)量，以掌握溫度偏差，在操作中根據(jù)偏差進(jìn)行調(diào)整。第24頁(yè)/共31頁(yè)5.工藝控制要點(diǎn)5.2回火的恒溫時(shí)間對(duì)于焊接接頭，綜合考慮《T91/P91鋼焊接工藝導(dǎo)則》（電源質(zhì)[2002]100號(hào)）和DL/T869《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》的推薦值，恒溫時(shí)間應(yīng)確定為：壁厚δ≤50mm時(shí)，不少于4小時(shí)；50＜δ≤75mm時(shí)，不少于5小時(shí)；75＜δ≤100mm時(shí)，不少于6小時(shí)。彎管或熱成型加工后的恒溫時(shí)間可參照此執(zhí)行。但回火的恒溫時(shí)間不應(yīng)盲目延長(zhǎng)，以上述推薦值的下限為宜。第25頁(yè)/共31頁(yè)5.工藝控制要點(diǎn)5.3升溫和冷卻速度為了避免因熱處理不當(dāng)而產(chǎn)生附加應(yīng)力，熱處理的升、降溫速度應(yīng)該嚴(yán)格控制，不宜過(guò)快，計(jì)算升降溫速度的方法為6250/壁厚（℃/h）；而為了避免P91鋼在熱處理過(guò)程中的過(guò)度軟化，該速度又不宜過(guò)慢，特別是應(yīng)嚴(yán)格控制在700℃以上階段的升、降溫速度，力求保證其達(dá)到或盡可能接近理論計(jì)算值。除了工藝要素外，在實(shí)際工程中，要考慮加熱器的功率、保溫效果等方面施工中因素，以確保在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需要的回火溫度和效果。第26頁(yè)/共31頁(yè)6.結(jié)論6.1軟化與性能

P91鋼軟化后，力學(xué)性能出現(xiàn)了大幅度的下降。160HB的P91鋼室溫抗拉強(qiáng)度低于GB5310的下限值，屈服強(qiáng)度下降更為明顯，室溫比標(biāo)準(zhǔn)下限低32%，540℃比標(biāo)準(zhǔn)低31%，566℃比標(biāo)準(zhǔn)低33%，600℃比標(biāo)準(zhǔn)低23%；同樣，P91鋼軟化后，高溫持久強(qiáng)度也會(huì)下降，160HB的P91鋼的10萬(wàn)小時(shí)的持久強(qiáng)度與GB5310相比，下降了將近一半。第27頁(yè)/共31頁(yè)6.結(jié)論6.2鐵素體形成機(jī)制

P91鋼中產(chǎn)生的鐵素體來(lái)源于三種機(jī)制：一為回火溫度超過(guò)Ac1相變點(diǎn)出現(xiàn)的鐵素體，二為回復(fù)再結(jié)晶出現(xiàn)的鐵素體，三為對(duì)于厚壁部件，在正火過(guò)程中冷速過(guò)慢導(dǎo)致先產(chǎn)生了少量的鐵素體。第28頁(yè)/共31頁(yè)6.結(jié)論6.3工藝措施