火电机组P91钢的金属监督

季伟+牟永田+李梅

【摘 要】P91钢是一种成熟、稳定、性能良好的管道用钢，其除了具有优良的常温、高温力学性能外，还具有F12和TP347等高合金热强性相接近的抗氧化能力，加强现场金属监督工作非常重要。

【关键词】金属监督；焊接控制；无损检测；硬度检测

前言

随着我国装备制造业水平的提高，已具备承担超超临界火电机组四大管道的能力，但是新建电厂应用国产化四大管道的情况现在还不普遍，大多还依赖进口。发展超超临界机组的关键技术是金属材料耐高温、高压及焊接和热处理问题。高端材料的应用是火电二次再热技术的重中之重，加强火力发电厂高温高压管道金属安全监督，实施预防为主的方针，确保机组安全、可靠、经济运行和优化检验，不断发现设备缺陷与隐患，推动金属安全监督技术进步。

一、P91钢焊接金属监督的现状

自1996年，原电力部电力规划设计总院管道小组提出“关于我国火电厂主蒸汽管道采用P91钢的建议”后，在火电机组中开始使用P91钢，近20年的运行表面，P91钢是一种成熟、稳定、性能良好的管道用钢，其除了具有优良的常温、高温力学性能外，还具有F12和TP347等高合金热强性相接近的抗氧化能力，并具有高的导热系数和低的线膨胀系数，但是P91钢焊接性能较差，焊缝冲击值较低，根部焊道易过燒，给焊接带来了一定的困难，因此，如果疏于监管，焊接位置将在后期运行中留下很大的隐患，加强现场金属监督工作非常重要。

二、P91钢焊接金属监督的要点

（一）正确识别P91钢管

需要对P91的材质证书及其相关文件资料进行却，以确保P91钢管质量。

1.P91钢的化学成分确认，见表1：

2.确认供货状态下的热处理工艺参数

ASME标准规定了P91正火和回火的最低温度，正火温度不低于1040℃，回火温度不低于730℃。

3.确认P91钢的力学性能，见表2：

此外除横向或纵向拉伸性能外，还应进行压扁试验或弯曲试验。按照ASME的要求，对于直径大于NSP25及直径和壁厚之比≤7.0的钢管进行弯曲试验，以代替压扁试验。

4.确认P91钢的金相组织

P91钢的典型金相组织为回火马氏体，其晶粒度为6级以上，P91正火+回火的典型显微组织.

（二）P91钢焊接金属监督

1.焊接人员资质的监督

P91钢焊接从业人员包括焊接技术人员、热处理人员、焊工、无损检测人员、质量检验人员等。金属监督过程中对焊接从业人员的资质非常重视，在DL/T 869-2012《火力发电厂焊接技术规程》中明确要求各类人员需持证上岗。二十多年的运作，行业内也形成了一整套培训与考核的机构，例如各行业、协会、检验检测机构、培训中心举办焊工资质培训考核业务。对于现场P91钢的焊接，应做好上述焊接从业人员的资质复查，确保持证上岗的同时，尽量选择经验丰富、经验水平较高的施工人员，是现场监督的首要任务。

2.焊接过程的监督

焊接过程的监督是确保正确的工艺得到正确的实施，不正确的施工将严重影响到P91钢焊缝的性能，焊接过程中有效监督对保证焊缝质量至关重要。

（1）审核焊接工艺评定，是否严格按照相关的工艺评定标准执行，如电力部《焊接工艺评定规程》DL/T 868-2004。

（2）确认焊接设备、热处理设备及所使用的检测工具有效且符合标准要求。

（3）在焊口预热时，保证加热器和热电偶正确安装和使用。T91/P91钢焊接时具有明显的冷裂倾向，为了防止冷裂纹的产生，焊前一般要进行预热.预热温度一般钨极氩弧焊为150℃～200℃，焊条电弧焊为200℃～250℃.

（4）焊接材料符合工艺要求，预热温度及焊接工艺参数如电流、电压、焊接速度、热输入等符合工艺要求。焊接时层间温度过高，会造成焊缝组织粗大，焊缝中奥氏体量增加，马氏体量减少，马氏体“自回火”的作用不显著，最终导致焊缝组织脆性增加。层间温度过低，会增加产生冷裂纹的风险，也不利于焊缝金属中氢的扩散逸出。因此，对焊接层间温度要进行控制，一般为200℃～300℃。同样，焊接热输入量过大也会造成焊缝组织过热、晶粒粗大及网状晶界等缺陷导致焊缝脆化，韧性变差，因此要严格控制焊接热输入量，一般控制在25KJ/cm以下。影响焊接热输入量的因素较多，但直接决定焊接热输入量的因素是焊接电流，电弧电压和焊接速度这三个焊接参数。

（5）确保焊后热处理的执行情况符合工艺要求。T91/P91钢焊后进行760±10℃高温回火热处理，主要作用是降低焊接接头残余应力，获得中、高温回复状态的板条马氏体组织。由于这种钢对焊接热处理敏感，它的理论AC1温度在800℃～830℃之间，其下限距标准规定的热处理温度上限比较接近，热处理过程的允许偏差就有可能超过钢材的AC1温度。另外，焊接材料的性能往往悬殊很大，特别是AC1温度差别很大，如日系T91/P91焊材的AC1温度在770℃左右，如按760±10℃热就有可能超过焊缝金属的AC1温度。当焊后热处理温度超过AC1温度时，其室温冲击韧性将急剧下降，满足不了焊接接头性能的要求，这在实际监检过程中是要特别注意的地方。

（三）焊接后的检验

焊缝质量按I类焊缝的验收标准检验，检验内容及要求为：

1.外观按DL/T869—2004《火力发电厂焊接技术规程》，I类焊缝外观的质量标准验收；对P91钢焊接接头内部缺陷的检测优先选用超声检测，对于检验中发现的微小缺陷，要逐一进行鉴别，在此类钢种的焊接缺陷中，面积状未熔合和裂纹出现的几率比较高，而且在接头壁厚较大，但每一种无损检测的方法都是有其局限性的，最好由射线检测进行辅助。

2.T91/P91钢焊后热处理状态下焊缝金属、热影响区和母材的硬度关系一般为：焊缝硬度高于母材硬度，最高硬度在紧靠焊缝金属焊接界面的粗晶热影响区，最低硬度在远离焊接界面侧的细晶热影响区。在实际工程现场，一般采用便携式硬度计对硬度进行测试，考虑到仪器探头的尺寸，要测试狭窄的热影响区并不容易（手工电弧焊约为3～8mm）。即使能测到热影响区的一些数据，也很难分辨粗晶区和细晶区，实际意义不大。最直接的方法就是只测焊缝和母材的硬度。DL/T438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》明确焊接接头硬度检测部位包括焊缝和近缝区的母材，这更便于实际操作。应控制焊缝硬度值在180HB～270HB，直管段母材硬度值在180HB～250HB。这样就能满足冲击功41J的最低值要求，也使硬度检验真正反映热处理效果的作用。

三、结束语

目前，在大型火电机组中采用T91/P91钢，如在在屏式过热器、高温过热器、高温再热器及其连接管道和集箱，主蒸汽管道及再热蒸汽热段管道等受压部件都有了广泛的应用，对这些受压部件安装焊接质量进行监检，并明确焊接、热处理、硬度检验及金相检验等几个安全质量控制环节中的关键技术问题，对于控制焊接质量，保障锅炉安装质量及机组安全运行有重要意义。

参考文献：

[1]中国机械工程学会焊接学会主编，焊接手册[第二卷]第1版，北京：机械工业出版社，1992.

[2]NDT全国特种设备无损检测人员资格考核统编教材，中国特种设备检验协会组织编写。超声检测。北京：中国劳动社会保障出版社，2008。

[3]美国无损检测学会。美国无损检测手册（超声卷）。世界图书出版公司，1996。

[4]中华人民共和国能源行业标准，全国锅炉压力容器标准化技术委员会主编。承压设备无损检测。北京：新华出版社，2015。

[5]金属学与热处理[M]，北京：机械工业出版社。

[6]焊接冶金与金属焊接性，北京：机械工业出版社。endprint