浅谈对P91材质的理解和正确正回火改善热处理硬度

冷紫阳

摘要：P91材质是高强度耐热合金钢，石化行业主要用于超高压蒸汽管线。P91焊后硬度高、易裂纹，热处理不当会出现硬度偏低、性能不足情况，影响装置运行安全。本文通过理解P91材质特性、对性能（硬度）影响因素，总结了P91施工的一些见解：通过正确重新正回火工艺可以补救硬度偏低，实际效果良好。

关键词：P91材质，高温回火，硬度

P91材质高温综合性能良好，原主要用于电厂亚临界和超临界蒸汽管线系统。随着石化行业发展，P91材质也越来越多用于石化系统，在本项目—3#乙烯装置中，P91主要用于超高压蒸汽（ss）管道，设计压力13.5MPa、设计温度545℃;项目P91材质现场管道焊口总量1400道，吋口总量约18000达因。

但P91的施工工艺复杂，部分施工单位对其掌握不够透彻，或直接按普通低合金钢材质施工，造成焊接接头质量缺陷，甚至大的质量和安全事故。

理解P91的组织特性和性能影响因素，才能更好正确理解工艺，才能控制工程质量。

1.P91材质简介

P91是一种650℃下热强性和热稳定性兼具的热强钢，与P22相比强度高，同条件下壁厚仅需一半;与奥氏体钢相比热导性好、抗蠕变和抗疲劳能力大。因此，P91钢在石化装置的高温炉管、联箱、蒸汽管线等处都有较多应用。

P91材质能有良好的高温性能，靠的是均衡的化学成分和合适的微观组织。

a.P91合金元素

P91材质相当于国标10Cr9Mo1VNbN（GB5310），其中：

i） Cr能提高材料抗氧化和耐腐蚀能力，有很好的固溶强化和沉淀强化作用;

ii） Mo是马氏体基体最重要固溶强化元素，能提高蠕变强度、增加韧性;

iii） V、Nb使固溶体进一步强化和稳定;细小弥散的碳化物、氮化物沉淀，能阻止晶粒长大、阻止位错运动、改善蠕变性能;

b.P91金相组织

P91材质典型组织为回火马氏体组织。

P91含大量Cr、Mo元素，通过正火可获得板条束尺寸合适的马氏体;再通过高温回火，使马氏体适当多边形回复，原始板条碎化成亚晶、位错网结构，边界碳化物析出沉淀，得到合适的回火马氏体组织。

回火马氏体组织既有马氏体的强化效果，又得益亚稳态结构，沉淀强化、位错强化、弥散强化等强化效果明显，使P91材料在高温下有优良综合性能。

2.P91硬度要求

对P91的合理硬度，标准规定：

GB 50517-2010《石化金属管道工程施工质量验收规范》，7.4.4条要求≤241HB;

ASME A335-2017《高温用无缝铁素体合金钢公称管》，9.3条要求190～250HB;

电建DLT 869-2012《火力发电厂焊接技术规程》，附录F3.3要求热处理的焊缝硬度180HB～241HB;7.3.3要求焊缝硬度不应低于母材硬度的90%;

浙石化業主工程规范，对P91焊接接头的要求190～300HB;

结合特检院监检经验，对P91焊接接头硬度要求在190HB～250HB为合格。

3.焊接接头硬度不合格分析

P91高温性能好，但焊后硬度高、冷却相变易产生裂纹，需要及时热处理;而热处理不慎会造成焊接接头硬度过低，降低管材的性能。

总结同行资料和工厂经验，热处理过程对P91的主要影响如下：

a.正火阶段，为得到板条束尺寸合理的淬火态马氏体;

程度不够，则材料统一奥氏体细化不充分，不利形成板条束合适的马氏体;

程度过度，则金相中会产生块状铁素体组织，使硬度下降;

b.回火阶段，为得到合适的回火马氏体组织;

程度不够，则高温回复板条碎化不明显，组织不能完全转变为回火马氏体;

程度过度，则板条特征消失，亚晶过度长大，合金元素碳化物析出偏聚，铁素体长成块状组织;使硬度、塑性、强度明显降低;

回火温度过高（超过Ac1），则接头再次奥氏体化。

因此，P91硬度偏低一般是热处理过程正火回火过度，使内部组织出现大量铁素体，失去了原组织的各种强化效果。

现场P91工艺管道一般口径大、壁厚大，多采用手工电弧方式焊接，现场质保体系不如工厂，焊接线能量、层间温度容易失控，焊接接头容易过热;热处理多采用电阻带包裹式加热，操作中容易出现如热偶布置不当、加热带未牢固固定有空鼓、保温棉厚度不足、设备故障等情况，导致各点温度差过大、局部超温高于工艺要求上限，出现回火过度甚至局部过热过烧，造成硬度不合格。

部分规范对热处理温度要求如下：

ASME SA213《无缝铁素体和奥氏体合金钢锅炉、过热器和热交换器管》：正火温度≥1040℃、回火温度≥730℃;

GB5310《高压锅炉用无缝钢管》：正火温度1040～1080℃，保温时间1.5～2.5min/mm，回火温度750～780℃，保温时间2H以上。

4、正回火热处理工艺

预制阶段出现158道集气管角焊缝和19道对接焊缝出现硬度偏低情况，参见DL/T869-2012第6.6.4条 “因温度过高导致焊接接头部位材料过热的焊口，应进行正火热处理，或割掉重新焊接”。

P91焊口成本高，若割掉重新焊接，会造成较大经济损失和工期损失。经咨询行业内专家，重新正确正火+回火处理补救硬度偏低的预焊件焊口较为合适：

a.热处理设备

使用合作供货单位-江苏龙山管件有限公司的加热炉进行试验

设备名称：箱式电阻炉

型 号：RT-1200

设备参数：炉膛尺寸：6000*2500*2200

最高温度：1200℃

功 率：1200KW

b.正火热处理工艺

升温：300℃以下不控制，300℃以上按不大于250℃/h继续加热至恒温温度;

正火温度 ：1060±10℃;

正火保温时间：60～90±10 分钟（>1.8min/mm，最少60min）;

炉外风扇空冷速率：1060～800℃，>40℃/min;800～400℃，>10℃/min;

c.回火熱处理工艺

升温：炉温≤ 250℃进炉，升温至350℃以上，按不大于220℃/h继续加热至恒温温度;

回火温度：760±10℃

回火保温时间：150 分钟（>2.4min/mm，最少60min）

冷却速率：当工件温度>350℃时，降温速率<270℃/小时;

d.正火+回火热处理过程曲线

e.硬度检验、金相检测

将焊接接头试样按焊缝圆周四等分取四个部位，每个部位至少检测5个测试点（包括焊缝、影响区、母材），每个测点检测至少测 3 下，结果取平均值。

热处理操作前后，对相同部位的硬度分别进行检测，并做好记录。

对同一炉批次的工件，抽检1-2件进行金相检测。

5、正回火热处理结果

a. 正回火热处理前后硬度比对

经过正回火热处理，原硬度偏低的管道焊接接头，硬度值恢复到合格范围，部分大口径焊缝硬度值非常理想，几近于新母材;摘录见下表：

b. 金相结果

重新热处理前，对硬度低的接头金相检测为：马氏体+珠光体+铁素体;

正回火处理后，金相检测为：100%回火马氏体典型组织，符合P91材质要求。

c.力学性能检验

P91材质室温抗拉强度要求大于585MPa。

正回火处理后性能检验：室温抗拉强度656MPa，550℃抗拉强度400MPa。详见下表：

结论

项目初期出现部分焊缝结构的硬度偏低，主要是热处理失当。按以上工艺曲线重新正火+高温回火热处理后，所测硬度完全符合技术规范要求;一方面避免了损失，也为后续现场P91材质管道正确热处理积累了经验。

参考文献：

1、《石油化工金属管道工程施工质量验收规范》 GB50517-2010

2、《火力发电厂焊接技术规程》DL/T869-2012

3、《石油化工钢制管道焊接热处理规范》SH/T3554-2013

4、《P91钢的性能与组织结构研究》郑准备，张兵，王小迎.

5、《P91管道焊接的体会》王伟跃.

6、《P91材料硬度低的处理方案及建议》汪建光.

7、《P91钢管硬度低的原因分析及对性能的影响》王宝臣，田旭海，梁军

8、《P91钢管道硬度低的分析及处理》陈军

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