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1、P91钢蒸汽管道 软化机理研究与工艺控制,华北电力科学研究院有限责任公司 南京 2011.11,汇报内容,1.研究背景 2.P91钢蒸汽管道软化实例 3.软化后的P91钢的力学性能 4.软化原因分析 5.工艺控制要点 6.结论,1.研究背景,随着高参数机组在我国火力发电厂的迅猛发展，P91材料广泛的应用于主蒸汽管道、再热蒸汽管道及其旁路、高温联箱等高温部件。 对于早期建设的亚临界、超临界机组，在役的P91钢的蒸汽管道和联箱中硬度偏低是一个普遍的问题。由于数量极大，采用更换方式根除安全隐患，是一个极为困难的事情。 开展低硬度P91钢的性能、软化机理的研究和对热加工工艺措施的优化将极为重要。,2.
2、P91钢蒸汽管道软化实例,2.1 某厂实例 某厂更换主汽弯头，规格为D45141.5mm，焊接前弯管外弧金相组织为回火马氏体，硬度为200HBHLD左右。,2.P91钢蒸汽管道软化实例,2.2 相关导则要求 国家电力公司电源建设部颁发的T91/P91钢焊接工艺导则要求： 回火温度为76010，回火时间按照每25mm壁厚保温1小时，但最少不少于4小时进行计算。,2.P91钢蒸汽管道软化实例,图1 P91钢焊接热处理工艺曲线,2.P91钢蒸汽管道软化实例,2.3 实际热处理工艺工艺及结果 回火温度为770，保温时间为5小时，回火热处理曲线如图2所示。在恒温保温前，750760之间存在一段近5小时的
3、升温段，这严重偏离了设计的热处理曲线。,2.P91钢蒸汽管道软化实例,图2 实际回火热处理曲线,2.P91钢蒸汽管道软化实例,2.3 实际热处理工艺工艺及结果 同时由于该弯头较小，两侧焊口进行热处理时，外弧部位受到两次热循环的影响，出现了过回火现象。经测试其硬度仅为134HBHLD左右，组织中出现了一定的铁素体块如图3所示。,2.P91钢蒸汽管道软化实例,图3 软化的P91钢中出现了铁素体,3.软化后的P91钢的力学性能,对硬度值为160HB的P91钢蒸汽管道进行力学性能测试，其结果如表1、表2、所示。可见，软化后的P91钢的力学性能出现了大幅度的下降。屈服强度下降更为明显，室温比标准下限低3
4、2%，540比标准低31%，566比标准低33%，600比标准低23%。,表1 硬度值为160HB的P91钢蒸汽管道的力学性能结果,3.软化后的P91钢的力学性能,3.软化后的P91钢的力学性能,表2 硬度值为160HB的P91钢力学性能与相关数据对比下降结果,3.软化后的P91钢的力学性能,对软化的P91钢进行高温持久强度试验，其结果如表3所示。160HB的P91钢的10万小时的持久强度与GB5310相比，下降了近一半。,3.软化后的P91钢的力学性能,表3 依据现阶段试验结果外推的10000h和100000h持久强度（MPa）,4.软化原因分析,4.1 P91钢的回复再结晶 未经变形的马氏
5、体板条是相对稳定的， 这是由于细小的碳化物抑制边界的迁移， 而P91钢的马氏体板条中存在大量高密度位错，延迟再结晶的发生，即使在回火过程中也保持不变 。 但是，在实际生产中常常对P91管道进行二次变形加工，马氏体增加了一定变形能。或者由于工艺控制不当导致回火时间的增长，增加了材料的内能，这使得马氏体的再结晶的出现形成了动力学的可能。即工艺控制不当会造成铁素体的出现。,4.软化原因分析,4.2 软化机理及再结晶铁素体的形成 P91钢强度的下降，一定程度上是由于M23C6、MX、Laves相发生了变化和位错、亚结构消失或部分消失造成。当P91钢出现异常软化时，常常伴随金相组织的异常，即在组织中可见
6、块状铁素体。这是引起P91钢软化的重要原因。,4.软化原因分析,4.2 软化机理及再结晶铁素体的形成 P91钢回火马氏体中产生铁素体的三种机制： （1）回火过程中温度失控，导致超过Ac1相变点出现的铁素体； （2）在回火过程中通过回复再结晶而出现的铁素体； （3）对于厚壁部件，在淬火过程中冷速过慢导致先产生了少量的铁素体。,4.软化原因分析,4.2.1超过Ac1相变点出现的铁素体 当回火温度超过Ac1点（经测试，P91钢的Ac1为834）时，钢将进入相、相和碳化物的两相区，一部分马氏体会分解生成部分相、相和碳化物，回火温度进一步提高，钢将进入相和碳化物的单相区，铁素体又逐步消失。在随后的冷却中
7、，只是部分分解的相会保留下来，而相又生成了马氏体。因此，在过回火中，铁素体的含量应该不会太高。但是在实际840下回火，我们见到的铁素体含量还是比较高的。,4.软化原因分析,4.2.2再结晶形成铁素体 于P91钢管取试样进行正火+回火实验室模拟试验，当在810、820回火时，发现在马氏体板条间出现了新形成的铁素体块，如图4、5所示。 保温时间过长，会增加材料的内能，从而加速再结晶出现铁素体。在本文前面提到了案例正是由于回火时间过长导致了铁素体的出现，从而使P91钢软化。 冷热加工后的残余应力也给再结晶增添了动能。,4.软化原因分析,图4 810回火中产生的铁素体 图5 820回火产生的铁素体,4
8、.软化原因分析,4.2.3淬火冷却速度过慢造成先析出铁素体 对于厚壁部件，或是同批热处理的部件数量较多时，会造成淬火冷却速度过慢，先析出部分铁素体，由连续冷却转变曲线（CCT），如图6所示。当冷却速度小于一定值时，奥氏体冷却转变曲线进入铁素体转变区域，会有少量的奥氏体先转变成铁素体。,4.软化原因分析,图6 T/P91的连续冷却转变（CCT）曲线,4.软化原因分析,4.3 影响再结晶的因素 （1）温度：加热温度越高，再结晶转变速度越快。 回火温度越接近相变点，再结晶就越容易进行。回火时间越长，内能增加就越多，再结晶驱动力也会显著明显增加。 （2）变形程度：变形度越大，再结晶速度越快。 （3）微
9、量溶质原子：不利于再结晶的形核与长大，阻碍再结晶，使再结晶温度升高。 （4）原始晶粒尺寸：晶粒越细，变形抗力越大，冷变形后储存能越多，再结晶温度越低。 （5）分散相粒子：直径较大，间距较大时再结晶被促进；粒子直径和间距小时，再结晶被阻碍。,5.工艺控制要点,5.1 温度 对温度控制的准确性是非常重要的，尤其是热处理炉的温度均匀性，如果温度不均匀，可能会导致某一管件或管件的某一区域的加热温度偏离正常的热处理温度，因此，必要时应对炉膛的均匀性进行测量，以掌握温度偏差，在操作中根据偏差进行调整。,5.工艺控制要点,5.2 回火的恒温时间 对于焊接接头，综合考虑T91/P91钢焊接工艺导则（电源质20
10、02100号）和DL/T 869火力发电厂焊接技术规程的推荐值，恒温时间应确定为：壁厚50mm时，不少于4小时；5075mm时，不少于5小时；75100mm时，不少于6小时。 弯管或热成型加工后的恒温时间可参照此执行。 但回火的恒温时间不应盲目延长，以上述推荐值的下限为宜。,5.工艺控制要点,5.3 升温和冷却速度 为了避免因热处理不当而产生附加应力，热处理的升、降温速度应该严格控制，不宜过快，计算升降温速度的方法为6250/壁厚（/h）；而为了避免P91钢在热处理过程中的过度软化，该速度又不宜过慢，特别是应严格控制在700以上阶段的升、降温速度，力求保证其达到或尽可能接近理论计算值。 除了工
11、艺要素外，在实际工程中，要考虑加热器的功率、保温效果等方面施工中因素，以确保在规定的时间内达到所需要的回火温度和效果。,6.结论,6.1 软化与性能 P91钢软化后，力学性能出现了大幅度的下降。160HB的P91钢室温抗拉强度低于GB5310的下限值，屈服强度下降更为明显，室温比标准下限低32%，540比标准低31%，566比标准低33%，600比标准低23%；同样，P91钢软化后，高温持久强度也会下降，160HB的P91钢的10万小时的持久强度与GB5310相比，下降了将近一半。,6.结论,6.2 铁素体形成机制 P91钢中产生的铁素体来源于三种机制：一为回火温度超过Ac1相变点出现的铁素体，二为回复再结晶出现的铁素体，三为对于厚壁部件，在正火过程中冷速过慢导致先产生了少量的铁素体。,6.结论,6.3 工艺措施 综合考虑P91钢热加工后消除应力的需要和回火过程中软化的问题，热处理的最佳工艺应是：恒温温度76010；恒温时间按壁厚50mm时，不少于4小时；5075mm时，不少于5小时；75100mm时，不少于6小时；升、降温速度以“6250/壁厚（/h）”进行计算，并严格控制在700以上阶段的升、降温速度，力求达到或尽可能接近理论计算值。,谢谢 各位领导和专家,