高温过热器T91 钢接头硬度异常分析

李亚平，陆 飞，刘小龙

（陕西北元集团锦源化工有限公司，陕西 榆林 719319）

T/P91 钢是一种改良型的9Cr-1Mo 钢，是在原9Cr-1Mo 马氏体钢基础上，限制碳含量上下限，添加微量V、Nb 等合金元素，严格控制S、P、Al、N 含量得到的。该钢种具有良好的高温热强性和抗氧化性，通过固溶强化和沉淀强化来提高该钢的抗高温氧化能力和抗蠕变性能，在同等温度和压力条件下，管子壁厚比10CrMo910 的管子减少50%，使焊接应力和焊工劳动强度大大降低[1]。目前，T/P91 钢已广泛应用于大容量、高参数、超临界及以上电站锅炉受热面管道和主蒸汽管道及高温再热蒸汽管道。

近年来，T/P91 钢普遍出现了硬度低的问题。对此，王宝臣等人[2]指出，由于P91 钢管材热处理时回火温度超过Ac1，且在Ac1 附近缓慢降温，组织中存在部分铁素体。徐开等人[3]在低硬度喷管F91 材料组织内也观察到一定量的铁素体，马氏体板条不明显。毕虎才等人[4]研究表明，P91 末过出口导管弯管硬度偏低与热处理回火温度过高、停留时间过长，组织转变为回火索氏体有关。随热处理回火温度升高、保温时间延长、冷却速度增加，T91 钢管材硬度呈逐渐降低趋势[5，6]，但当回火温度为820℃时，产生不完全正火，组织转变为细小板条马氏体、α 相及未溶解碳化物，硬度出现突升[7]。周龙等人[8]指出，低温再热器T91钢密排管焊缝未达规定的回火温度或保温时间，焊缝仍存在淬硬组织，硬度偏高。可见，不论是管材制造环节，抑或是安装时的对口焊接，热处理工艺均尤为关键。

本文针对某电厂超超临界燃煤机组锅炉高温过热器T91 管段硬度异常情况进行理化分析及原因探讨，以期制定有效的解决措施，并为同类型机组提供参考。

1 试样制备与试验方法

锅炉施工过程中，现场检验发现其高温过热器部分T91 管子（规格：Φ51×9.5mm、Φ42×8.0mm）的硬度异常。为进一步掌握管材性能状态，对现场检测硬度异常的T91 管子进行割管取样分析。

对送检的T91 管段进行化学成分测试，见表1。可以看出，T91 钢和焊材成分均符合标准要求。

表1 T91 钢和焊材化学成分（质量分数,%）

金相试样以三氯化铁盐酸水溶液侵蚀，在蔡司光学显微镜下观察显微组织。布氏、维氏硬度分别采用威尔逊布氏硬度计、岛津显微硬度仪测试。室温拉伸选用三思纵横电子式拉伸试验机测试。

2 试验及结果

2.1 微观组织

对送检T91 管段分别截取环状金相试样进行显微观察，宏观照片见图1。可以看出，T91 管段母材的金相组织均为回火马氏体，组织均匀细小，未见异常；热影响区金相组织均为回火马氏体，组织未见异常；焊缝金相组织为回火马氏体，马氏体板条粗大。

图1 T91 钢焊接接头显微组织

2.2 硬度分布

对送检的T91 管段分别在焊接接头处截取纵向条状试样，按照GB/T 231.1-2009《金属材料布氏硬度试验第1 部分试验方法》进行布氏硬度测试；同时，按照GB T 4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1 部分：试验方法》对其进行维氏硬度测试。硬度测试结果见表2，分布情况见图2。

图2 T91 焊接接头硬度分布图

表2 T91 钢焊接接头硬度数据

由结果知，T91 管段母材硬度在200HBW 左右，硬度满足相关标准要求；焊缝及热影响区的硬度值均在300HBW 以上，远高于DL/T 438-2016 的要求值。

2.3 拉伸性能

对送检的T91 管段分别沿纵向取焊接接头拉伸试样，按照GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1 部分：室温试验方法》进行室温拉伸试验，结果见表3。可以看出，焊接接头抗拉强度较母材高11MPa，屈服强度高36MPa，伸长率第21%。二者拉伸性能均满足相应标准要求。

表3 T91 钢焊接接头拉伸性能

3 结论

（1）所检T91 管段的母材硬度均满足ASME SA-213 和GB/T5310-2017 的相关要求，金相组织均为回火马氏体，组织未见异常。

（2）T91 管段的焊缝及热影响区硬度偏高，远高于DL/T 438-2016 的要求值，焊缝组织均为回火马氏体，且马氏体板条粗大。

建议：鉴于上述母材硬度未见异常，焊缝及热影响区的硬度超标，需进一步加强焊接过程的质量控制，降低焊接线能量，同时做好焊后热处理。