T91合金無縫鋼管

2.1　合金化原理

T91鋼是美國(guó)國(guó)立像樹嶺實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)燃燒工程公司冶金材料實(shí)驗(yàn)室合作研制的新型馬氏體耐熱鋼。它是在9Cr1MoV鋼的基礎(chǔ)上降低含碳量，嚴(yán)格限制硫、磷的含量，添加少量的釩、鈮元素進(jìn)行合金化。根據(jù)ASTM213/A213M-85C,T91鋼的化學(xué)成份見表1。

與T91鋼對(duì)應(yīng)的德國(guó)鋼號(hào)為X10CrMoVNNb91，日本鋼號(hào)為HCM95，法國(guó)則為TUZ10CDVNb0901。

表1　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(qiáng)化、彌散強(qiáng)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(qiáng)化作用最明顯的元素，隨含碳量的增加，鋼的短時(shí)強(qiáng)度上升，塑性、韌性下降，對(duì)T91這類馬氏體鋼而言，含碳量的上升會(huì)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(qiáng)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(gè)方面。一方面起固溶強(qiáng)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(shí)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(xì)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)，600℃開始劇烈氧化，而含鉻量達(dá)5%時(shí)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(shí)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(dá)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(qiáng)碳化物形成元素，加入后能與碳形成細(xì)小而穩(wěn)定的合金碳化物，有很強(qiáng)的彌散強(qiáng)化效果。

⑤加入鉬主要是為了提高鋼的熱強(qiáng)性，起到固溶強(qiáng)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(shí)間不少于10 min，回火溫度為730～780℃，保溫時(shí)間不少于1h，最終熱處理后的組織為回火馬氏體。

2.3　機(jī)械性能

T91鋼的常溫抗拉強(qiáng)度≥585 MPa，常溫屈服強(qiáng)度≥415 MPa，硬度≤250 HB，伸長(zhǎng)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(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量公式算得T91的碳當(dāng)量為 2.17%

可見T91的焊接性較差。

3　T91焊接時(shí)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(shí)不易發(fā)生正常的珠光體轉(zhuǎn)變，從而冷卻到較低溫度時(shí)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(huì)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(diǎn)，故而T91焊接接頭內(nèi)部應(yīng)力很大。

對(duì)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(shí)，焊縫冷卻過程中氫由焊縫向近縫區(qū)擴(kuò)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(zhǎng)大

焊接熱循環(huán)對(duì)焊接頭熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大有重大的影響，特別是緊鄰加熱溫度達(dá)到最高的熔合區(qū)。當(dāng)冷卻速度較小時(shí)，在焊接熱影響區(qū)會(huì)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(shí)，由于產(chǎn)生了粗大的馬氏體組織，也會(huì)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(shí)，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(diǎn)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(yàn)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(qiáng)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(shí)，容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋。德國(guó)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(diǎn)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(shí)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(yàn)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(yàn)在不預(yù)熱、預(yù)熱150℃、預(yù)熱200℃、預(yù)熱250℃條件下進(jìn)行。焊條采用J707。焊接電流為165～170 A，電弧電壓為21～267 V，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　T91插銷試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)

條件 試樣

號(hào) 應(yīng)力水平

/MPa 斷裂時(shí)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(yàn)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(shí)，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(shí)，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(shí)產(chǎn)生冷裂紋，預(yù)熱溫度必須不低于200℃，德國(guó)規(guī)定預(yù)熱溫度為180～250℃，美國(guó)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(shí)層間溫度一般控制在200～300℃。法國(guó)規(guī)定：層間溫度不超過300℃。美國(guó)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(diǎn)以下并保持一定時(shí)間再進(jìn)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(huì)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(jìn)行回火，因?yàn)槠浜附咏宇^冷卻到室溫時(shí)就有產(chǎn)生冷裂紋的危險(xiǎn)。對(duì)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(shí)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(jìn)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?；鼗饻囟绕蜁r(shí)，回火效果不明顯，焊縫金屬容易時(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(duì)接的焊接工藝評(píng)定。采取的預(yù)熱溫度為200℃，焊后冷卻到150℃，保溫1h后進(jìn)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(duì)試樣進(jìn)行外觀檢查、斷口檢查、無損檢測(cè)、拉伸和彎曲試驗(yàn)，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、梅州市梅縣區(qū)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(qiáng)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(yàn)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(shí)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(shí)踐中，取得滿意效果，并獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)ASTM213/A213M-85C,T91鋼的化學(xué)成份見表1。

與T91鋼對(duì)應(yīng)的德國(guó)鋼號(hào)為X10CrMoVNNb91，日本鋼號(hào)為HCM95，法國(guó)則為TUZ10CDVNb0901。

表1 T91鋼的化學(xué)成份%

元素 含量

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(qiáng)化、彌散強(qiáng)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(qiáng)化作用最明顯的元素，隨含碳量的增加，鋼的短時(shí)強(qiáng)度上升，塑性、韌性下降，對(duì)T91這類馬氏體鋼而言，含碳量的上升會(huì)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(qiáng)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(gè)方面。一方面起固溶強(qiáng)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(shí)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(xì)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)，600℃開始劇烈氧化，而含鉻量達(dá)5%時(shí)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(shí)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(dá)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(qiáng)碳化物形成元素，加入后能與碳形成細(xì)小而穩(wěn)定的合金碳化物，有很強(qiáng)的彌散強(qiáng)化效果。

⑤加入鉬主要是為了提高鋼的熱強(qiáng)性，起到固溶強(qiáng)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(shí)間不少于10 min，回火溫度為730～780℃，保溫時(shí)間不少于1h，最終熱處理后的組織為回火馬氏體。

2.3 機(jī)械性能

T91鋼的常溫抗拉強(qiáng)度≥585 MPa，常溫屈服強(qiáng)度≥415 MPa，硬度≤250 HB，伸長(zhǎng)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(guó)際焊接學(xué)會(huì)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(shí)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(shí)不易發(fā)生正常的珠光體轉(zhuǎn)變，從而冷卻到較低溫度時(shí)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。

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(huì)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(diǎn)，故而T91焊接接頭內(nèi)部應(yīng)力很大。

對(duì)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(shí)，焊縫冷卻過程中氫由焊縫向近縫區(qū)擴(kuò)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(zhǎng)大

焊接熱循環(huán)對(duì)焊接頭熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大有重大的影響，特別是緊鄰加熱溫度達(dá)到最高的熔合區(qū)。當(dāng)冷卻速度較小時(shí)，在焊接熱影響區(qū)會(huì)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(shí)，由于產(chǎn)生了粗大的馬氏體組織，也會(huì)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(shí)，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(diǎn)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(yàn)得出T91焊接熱影響區(qū)硬度曲線，見圖2。

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(shí)，容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋。德國(guó)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(diǎn)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(shí)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(yàn)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(yàn)在不預(yù)熱、預(yù)熱150℃、預(yù)熱200℃、預(yù)熱250℃條件下進(jìn)行。焊條采用J707。焊接電流為165～170 A，電弧電壓為21～267 V，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 T91插銷試驗(yàn)結(jié)果