P91焊接接头焊后热处理硬度值偏低原因及处理方法

2021 年第3 期
特 种 设 备 安 全 技 术
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P91焊接接头焊后热处理硬度值偏低原因及处理方法
郑舟斌 虞学军 陆 伟
摘 要 本文对P91管线支管台焊接接头热处理后硬度值偏低的情况进行了分析， 通过采用炉内正火加回火的热处 理方法恢复 P91 材料硬度值， 解决了现场施工中P91 材料硬度值偏低的问题。

关键词 P91 焊后热处理 硬度值 正火加回火
1 前 言
某在建大型炼化厂140万吨/年乙烯装置超高压蒸汽 管道采用采 P91 材料，设计压力 13.5MPa ，设计温度 545℃，最大管道 711mm ×50mm 、最小 168.3mm × 12.7mm 。

项目施工过程中，在对P91 管道焊接接头热处 理后进行硬度检测时， 出现大量密集支管台 （如图1） 焊接
接头热影响区硬度值偏低的现象。

图 1 密集支管台焊接接头
P91材料具有非常优良的抗高温持久性、 抗蠕变性和 冲击韧性， 但是该材料基体组织为低碳马氏体， 相对于珠 光体性耐热钢， 焊接性比较差， 冷裂倾向敏感， 热输入不当 严重影响材料的高温持久性和韧性； 如果焊接热处理后硬 度值低于正常值的话， 会导致它的持久性变差， 影响使用 寿命。

本文针对实际施工过程中 P91 焊接接头热处理后 硬度值偏低的原因进行了分析， 并提出了恢复硬度值的处 理方法， 以减少不必要的经济损失。

2 硬度值偏低原因分析
2.1 焊接参数
在焊缝焊接过程中， 线能量过高， 导致热输入量过大， 层间温度过高， 导致材料晶粒粗大， 均会使得焊缝硬度值 偏低。

核对P91 焊接接头的焊接记录， 预热温度、 电流、 电 压、 焊接速度、 层间温度等， 参数均在焊接工艺卡参数范围 内 （见表1） 。

表 1 焊接参数对比一览表
焊接参数 焊接工艺卡数据
焊接记录数据
氩弧焊预热温度℃ 160 160
埋弧焊接电流 A 300-400 290、 290、 310、 320、 320、
330、 300 埋弧焊电压 V 25-35 29.5、 30、 31、 31、 32、 32、 34 焊接速度 mm/min 300-450 450、 440、 445、 435、 430、 440、 450
层间温度℃
160-300
210
2.2 热处理参数
P91材料属于对热输入特别敏感的材料， 尤其是当进 行焊后热处理时， 过高的回火温度、 过长的回火时间会促 进马氏体再次结晶， 导致产生铁素体， 使P91材料的硬度 值降低。

核对P91 焊接接头的热处理曲线， 升温速度、 恒温温 度、 降温速率在热处理工艺卡参数范围内 （见表2） 。

表 2 热处理参数对比一览表
热处理参数 热处理工艺卡数据 焊接热处理曲线记录数据 加热速度范围℃/h 103 （且≤220）
100 保温温度范围℃ 760 760 冷却速度范围℃/h
130
120
2.3 硬度检测仪器
通常情况下为便于检测、 提高效率， 现场施工硬度检 测一般采用的是便携式硬度计， 在检测过程中， 即使同一 待检点，每次检测的硬度值也可能存在一定偏差。

经调 查， 现场实际使用的便携式硬度计经定期检定并取得计量 检定合格证书， 检验前使用标准硬度块进行了校验， 在检
收稿日期： 2021­3­15
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测过程中对母材、 焊缝、 热影响区分别进行硬度检测， 检测 数据为多次测量后的平均值， 出现批量的硬度值偏差问题 的可能性较小。

2.4 待检点表面处理
P91管道焊接接头热处理后，会在表面形成脱碳层， 若在硬度检测时， 未将脱碳层清理打磨干净， 会导致测量 结果偏低， 产生误判。

现场对硬度值偏低的焊接接头所有 待检点在内的区域进行了打磨， 去掉表面氧化皮、 脱碳层， 普遍磨掉0.7～1.2mm ， 并以120粒度砂轮进行精磨， 使 得表面光滑， 粗糙度达到Ra ＜ 6.3 m ， 经精磨后， 部分区 域硬度值检测结果明显得到提升， 但仍有部分焊接接头硬 度值较低 （见表3） 。

表 3 硬度检测结果一览表
管线号 焊口号 硬度值 （HB ）
母材 1 热影响区 1 焊缝 热影响区 2 SS11107 23D 219 149 219 188 SS11107 26D 218 132 238 189 SS11107 29D 223 122 210 185 SS11107 32D 234 145 197 179 SS11107
35D
229
132
190
129
根据DL/T869-2012《火力发电厂焊接技术规程》规
定， P91焊接接头的硬度合格指标为180HB ～270HB
， 从 表1中可以看出热影响区硬度值明显低于下限值。

2.5
微观金相检测
P91 焊缝正常金相微观组织应为回火马氏体/回火索 氏体， 根据标准GB14999.7-2010《高温合金铸件晶粒度、 一次枝晶间距和显微疏松测定》 、 GB/T 13298-2015 《金属 显微组织检验方法》 ， 对硬度值偏低的焊接接头进行了微 观金相分析， 焊缝组织为回火马氏体 （见图2） ， 热影响区 组织为板条马氏体+块状铁素体 （见图3） ， 母材组织为板 条马氏体 （见图4） ； 金相检验分析显示， 焊缝和母材组织 正常， 但热影响区组织异常。

图 2 焊缝金相 （200x ）
图 3 热影响区金相 （200x ）
图4 母材金相 （200x ） 参考有关文献，P91 焊接接头热处理累计时间过长， 会促进马氏体再结晶导致铁素体的产生， 这是引起P91材 料软化的重要原因。

对于密集支管台焊接接头， 由于相邻 支管台焊接接头热处理影响区重叠， 相当于热处理时间严 重加长， 这是导致硬度值偏低的主要原因。

3 硬度值偏低的处理方法
根据DL/T869-2012《火力发电厂焊接技术规程》规 定， 对硬度值严重偏低的焊接接头应进行正火热处理或割 掉重新焊接， 为尽量减小经济损失， 对该批硬度值偏低的 支管台焊接接头采取了炉内正火加回火热处理。

在正火加回火热处理后，对相同部位的硬度进行检 测， 检测结果均在180HB ～270HB 范围内 （见表4） 。

表 4 硬度检测结果一览表
管线号 焊口号 硬度值 （HB ）
母材 1 热影响区 1 焊缝 热影响区 2 SS11107 23D 229 213 229 198 SS11107 26D 238 215 218 219 SS11107 29D 227 211 215 185 SS11107 32D 236 207 207 209 SS11107
35D
221
219
199
199
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了组织晶粒的极度不均匀。

同时点状的 M-A 组元迅速 聚集形成条块状， 晶界处分布的条状M-A 组元逐渐连接 成链状， 晶界处的应力和组元变形应力互相叠加， 形成位 错塞积，应力更加集中，裂纹在位错塞积应力集中处形 核，裂纹之间的竞争关系促使主裂纹会在断裂所需能量 最低的大尺寸尖角型M-A 组元处延伸扩展， 进而穿晶断 裂，导致粗晶区脆化。

但是脆化后的粗晶区冲击功仍为 169.6J ， 仍有较好的韧性， 这和相关研究得出的结论 （粗 晶区冲击韧性严重恶化， 仅为几十焦） 是不完全一致的， 这是因为 Nb 、 Ti 对抑制奥氏体晶粒长大具有一定作用， 在微合金钢中， 长时间处于奥氏体化温度范围， Nb 也不 会完全溶解在基体中， 未溶解的Nb 、 Ti 组元对M-A 组元
的形成具有抑制作用 [9] 。

4 结 论
（1）从亚临界区到粗晶区， 冲击功先下降， 后略微升 高， 再下降， 且均低于母材； 其中粗晶区最低， 表现为局部 脆化； 细晶区和临界区冲击韧性较母材变化不大， 焊缝热 影响区该区域有良好的强度和韧性。

（2） 亚临界区硬度值最小， 小于母材； 粗晶区硬度值最 大， 远高于母材。

（3）奥氏体晶粒的急剧长大， M-A 组元的链状聚集， 板条间粗大的 M-A 组元和晶界处块状的 M-A 组元导致 了局部脆化。

（4） 实际焊接中的内外焊和多层多道焊， 由于道层次 之间交叉重叠的热影响， 将会导致热影响区的组织更加复
杂。

复杂的热循环中， 为了改善热影响区的性能， 实验研 究M-A 组元的形成转变机制、 分布离散化程度、 尺寸体积 的变化， 仍是我们不断努力的方向。

参考文献
[1]李继红， 杨亮， 张敏． X100管线钢埋弧焊焊接接头的力学性能
分析[[J ]． 热加工工艺， 2013， 42 （11） ： 159­163． [2]乔桂英， 李建龙， 李建一， 等． X100管线钢焊接热影响区组织 与韧性研究[J ]． 燕山大学学报， 2011， 35 （6） ： 528­532． [3]张晓勇， 高惠临， 庄传晶， 等． 焊接热输入对 X100管线钢粗晶 区组织及性能的影响[J ]． 焊接学报， 2010， 31 （3） ： 29­32． [4]聂文金， 尚成嘉， 由洋， 等． 抗变形 X100管线钢模拟焊接热影 响区的组织与韧性研究[J ]． 金属学报， 2012， 48 （7） ： 797­806． [5]吴佩军， 毕宗岳， 黄晓辉， 等． 峰值温度对 X100管线钢及焊缝 组织性能的影响[J ]． 热加工工艺， 2014， 43 （21） ： 15­18． [6]祝成波， 申邦坡． X100管线钢中奥氏体晶粒长大规律研究[J ]． 热加工工艺， 2013， 42 （12） ： 70­72． [7]李学达， 林学强， 孙建波， 等． 峰值温度对 X100管线钢临界热 影响区组织和冲击韧度的影响[J ]． 材料热处理学报， 017， 38 （5） ： 106­111． [8]李学达， 尚成嘉， 韩昌柴， 等． X100管线钢焊接热影响区中链 状 M­A 组元对冲击韧性和断裂机制的影响 [J ]．金属学报， 2016， 52 （9） ： 1025­1035． [9]乔桂英， 郭宝峰， 陈小伟， 等． 热循环对高铌管线钢焊接热影响 区冲击韧性的影响[J ]． 金属热处理， 2009， 34 （12） ： 32­34．
作者 杨 锐 1 马世成 1 孙全庆 1 岳 猛 2
1 德州市产品质量标准计量研究院
2 通裕重工股份有限公司
山东 德州 邮编 253000
对同一炉批次的工件， 抽检1～2 件进行金相检验， 热影响区金相组织为回火马氏体， 焊缝金相组织为回火马 氏体， 母材金相组织为回火马氏体， 微观金相组织结果均 符合要求。

对炉内同条件的焊接试板进行力学性能试验， 拉伸、 弯曲、 冲击等力学性能检验结果均合格。

4 结 论
综上所述， 因密集支管台相邻焊接接头距离过近， 导 致相邻焊接接头热处理过程中热处理时间相互累计， 导致 同一焊接接头热处理时间过长， 是造成此次批量密集支管 台焊接接头硬度值偏低的主要原因。

对硬度值偏低的焊 接接头， 采取正火加回火热处理后， 焊接接头硬度、 微观金 相组织、 力学性能均可以得以有效恢复， 表明正火加回火
热处理是解决 P91 焊接接头硬度值偏低后的一种有效处 理方法。

参考文献
[1]DL/T869­2012,火力发电厂焊接技术规程[S ].
[2]DL/T819­2019,火力发电厂焊接热处理技术规程[S ]. [3]GB/T13298­2015， 金属显微组织检验方法[S ]. [4]GB/T5310­2017， 高压锅炉用无缝钢管[S ].
[5]中国电机工程学会.P91钢蒸汽管道软化机理研究与工艺控制 [R ].成都:2011 [6] 崔雄华等.P91主蒸汽管道硬度偏低问题的试验分析与恢复 [J ].电力设备， 2007， 第 8卷第 12期.
作者 郑舟斌 虞学军 陆 伟
舟山市特种设备检测研究院 浙江 舟山 邮编 316000
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