P91厚壁管焊后硬度超标原因分析及处理

P91厚壁管焊后硬度超标原因分析及处理

 陈云

中国核工业第五建设有限公司  上海市  201512

摘 要：本文针对P91厚壁管焊后硬度超标的问题，对硬度超标的原因进行了分析，同时提出通过改进焊缝金属化学成分，改善热处理措施等方案降低P91厚壁管道焊后表面硬度，结果表面处理方案有效。

关键词 ： P91  焊后热处理  硬度

Abstract: Aiming at the problem of excessive hardness of P91 thick-walled pipe after welding, the causes of excessive hardness were analyzed, and the surface hardness of P91 thick-walled pipe after welding was reduced by improving heat treatment measures, and an effective surface treatment scheme was obtained.

Keywords:  P91,Post-weld heat treatment ,Hardness,

0引言

9Cr-1Mo（SA335-P91/SA213-T91）钢是美国于七十年代末八十年代初开发的新型马氏体耐热钢， 该钢种在热膨胀系数，弹性模量、蠕变性能以及抗氧化性等多方面有着优越的性能，同时还具有良好的冲击韧性和持久塑性，所以该钢种在电站主蒸汽管道中得以广泛的应用[1]。某核电 P91 管道预制焊缝在进行硬度检测时，发现部分厚度较大的壁管焊缝硬度超出规程要求，按照DL/T438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》要求执行标准为 NB/T25085-2018。根据标准要求，硬度测量执行标准为符合 GB/T17394.1，其中 P91 管道热影响区硬度应达到 175~270HBW，焊缝硬度应达到 185~270HBW。目前共发现10道厚壁焊口焊缝硬度部分区域高于270HBW，占比大厚壁管数量的20%。分析厚壁管材焊缝硬度超标原因，提出治理办法。

1项目概况

该管道预制项目，母材材质为A335 P91，管径在Ø48.3~Ø559mm之间，壁厚在10.15~53.98mm之间，根据施工要求选用选用氩弧自动焊+埋弧焊自动工艺，焊接前充分预热，焊接过程中保证层间控温，焊后及时进行热处理，其热处理工艺为以80±20℃/h的升温速率，在750~780℃进行保温5-6h，后以55~115℃/h的降温速率进项降温至室温。其热电偶放置方式及加热宽度保温宽度如图1所示。该管道预制项目对焊接工艺及使用的焊材均进行了评定，结果全部合格。在现场预制焊口时，采用与焊接工艺匹配的焊接工艺及热处理工艺，热处理采用智能温度控制箱，并采用柔性陶瓷片进行加热，热电偶采用点焊的形式进行固定。焊接完成后进行无损检测均合格。在进行焊后硬度检测和光谱检测时发现，Φ559×53.98厚壁管道共焊接47道，所有的焊缝现场光谱均满足标准要求，10道焊缝表面硬度超标。现场硬度检测采用里氏硬度计直接转化为布氏硬度，硬度偏高的焊口硬度分三个方位进行测量，每个方位焊缝及两侧热影响区各测量5个点，然后取平均值。表1中热影响区硬度数值为三个方位测量平均值中最小的数值，焊缝区硬度为三个方位测量平均值中最大的数值。

表1  焊缝及热影响硬度结果

图1 热处理测温点及控制

2原因分析

2.1化学成分分析

对母材、焊接工艺评定焊缝金属及现场管道焊缝金属化学成分进行分析（见表2），从化学成分中发现，现场焊接时焊缝金属中的Mn、Ni元素含量比母材及工艺评定焊缝Mn、Ni元素含量都高。有研究表明[2]，焊接材料的化学成分特别是 Mn、 Ni 含量的变化，对焊缝相变温度的影响比较大， 比较理想的情况是根据每一批次焊材的Ac1温度或 Mn、 Ni 含量来适当的调整焊后热处理的温度。 ASME最新版的标准中，已经提出了根据焊材 Mn、 Ni 含量来调整焊后热处理温度的要求。故而焊缝金属 Ac1 是焊后热处理中需要考虑到的一个重要的因素， 因此在制订焊后热处理工艺参数的时候不仅仅全部沿用焊接工艺评定时的焊缝金属的Ac1 值， 还要考虑Mn、 Ni 含量变化以避免焊后热处理的最高温度超过该值而对焊缝金属的组织和性能造成恶化。

表2  化学成分结果

2.2热处理工艺控制分析

在热处理工艺控制方面，在现场预制焊口时，采用了与焊接工艺评定匹配的焊接工艺及热处理工艺，热处理采用智能温度控制箱，并采用柔性陶瓷片进行加热，热电偶采用点焊的形式进行固定。其热电偶放置方式及加热宽度保温宽度如图1所示。

经分析发现，现场由于管道壁厚较厚，在焊接过程中焊缝表面的降温速率较快，由于降温较快，实际的层间温度略高于测量获得的层间温度，实际的层间温度偏高。同时，现场管道长度比较长，热处理阶段采用了与工艺评定相同的控制时，可能存在保温包裹区域偏小，保温效果不均匀，散热快的问题。

3处理措施

针对上述原因分析，对不合格的1号焊接管焊口采用如下处理措施重新热处理，并提出如下措施：

1）在满足焊接工艺的前提下，提高热处理温度，热处理保温设置温度由755℃提高至760℃；

2）在现场热处理时，增加热处理保温的宽度，保温宽度由原来的600mm增加至1200mm；

3）封堵管道，增加塞堵工装，确保塞堵保温棉与外侧包裹保温棉形成闭合腔室，减少散热；

4）增加加热片防坠工装，保证加热片贴合度。

4实施效果

在重新热处理后，对1号焊接管焊口 0°、90°、180°、270°方位重新进行硬度检测（见表3），硬度检测结果均符合标准要求。随后对其余9道不合格焊口进行相同的措施处理，硬度检测结果也均符合标准要求。最终结果表明，通过提高保温温度，增加保温区域的宽度，减少管道内散热，确保加热片贴合等处理措施合理有效。

表3  1号焊接管重新热处理后焊缝及热影响区硬度结果

参考文献:

1、候伟峰. P91主蒸汽管道焊缝硬度超标分析.广东化工,2019,46(387):123~124

2、齐向前,等. 合金元素对 T/P91钢焊缝组织及性能的影响.热加工工艺,2008, 37(23):25~29