P91焊接的热处理控制

P91焊接的热处理控制——硬度测试证明是检查P91材料状态的有力手段

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改良的9Cr-1Mo，一般指P91，因为其出众的高温性能，被广泛应用于

电力工业，P91通过其微观结构获得良好的强度和韧性。这种期望的组织只能通过利用均衡

的化学成分分析和正确的热处理工艺获得。P91制造和加工过程中，热处理是一道非常关键

的步骤。

P91是一种马氏体Cr-Mo钢，加入V和Nb微合金元素，并控制N含量，在焊态下，P91

组织中含有“新鲜”马氏体。这种未回火的马氏体硬且脆，韧性差，且这种材料有应力腐蚀裂

纹倾向。另外，由于新鲜马氏体的蠕变性能还不清楚，可以确定假设为不好。因此，对P9

1焊后形成的马氏体回火处理是获得要求的工作性能所必须的。正确的热处理将会形成沉淀

碳化物（M23C6）和富V和Nb的碳化物，焊缝和母材的硬度介于200VHN和270VHN之

间，具有充分的韧性，即20℃时高于27J（20 ft-lb）。

P91的硬度

焊接产生的热量将影响母材，热影响区起始于紧靠焊缝金属焊接界面处，粗晶热影响区（C

GHAZ）位于热影响区中，远离焊接界面侧可以辨别出细晶热影响区（FGHAZ）。

图1描绘了焊后热处理状态的P91焊缝金属、热影响区和母材的典型硬度。图1显示最高

硬度出现在粗晶热影响区（CGHAZ），最低硬度出现在细晶热影响区（FGHAZ），细晶热

影响区（FGHAZ）是蠕变性能最弱的区域，该位置易出现所谓的IV型裂纹（Ref.1）。

PWHT过程中热处理参数变化产生的影响

TNO工业技术公司和NEM公司对P91进行了多次不同热处理条件下的硬度试验。图2阐

明了多种热处理对焊缝金属（最高）硬度的影响，硬度为拉森米勒参数（LMP）的函数，L MP用于表示热处理时间和温度的组合特性，LMP对消除应力的热处理温度有效。

LMP值介于图2中两条垂直虚线之间的PWHT能够形成良好的材料性能，需要的热处理区间以750℃/2h（即LMP=20.8）作为下限，以770℃/10h（即LMP=21.9）作为上限。

利用硬度检测控制PWHT

从图2可以明显得出，拉森米勒参数（LMP）和焊缝金属硬度的加权平均值有直接关系，所有的硬度值都预期低于平均值趋向线，再就是，图2还显示，母材硬度随LMP变化不大。

母材的硬度稍微高于200VHN，只有LMP很高的情况下，母材硬度才低于，但仍很靠近2 00VHN。

对于焊缝金属、硬度与焊后热处理参数（表述为LMP）这种密切关系，对检查热处理后P9 1状态很帮助。

如果采用便携式硬度测试，应多加注意，通常母材、焊缝和热影响区都要进行硬度测试，然而，考虑到探头的尺寸，测试狭窄的热影响区并不容易，即使能测到热影响区的一些数据，也很难分辨数据来自细晶热影响区（FGHAZ）还是来自粗晶热影响区（CGHAZ）。如果相对低的硬度值出现在细晶热影响区（FGHAZ），还可以接受，但如果是出现在粗晶热影响区（CGHAZ），就不能接受了。

一种最直接的方法就是只测试焊缝和母材的硬度，这两个区域能够很容易的分辨开来，另外，Bruhl,F,etal（Ref.1）研究发现，细晶热影响区（FGHAZ）硬度比母材的大约低20VHN，基于收集的数据，细晶热影响区（FGHAZ）和母材之间的这个“固定”硬度差异是确定的。粗晶热影响区（CGHAZ）与焊缝或母材硬度间的关系不是很明确，但粗晶热影响区（CGH AZ）大约比焊缝金属硬度高20VHN。

图2可用于指导解释测试结果，紧记便携式硬度测试的准确性，当分析便携式硬度测量数据时，要紧记其准确度要低于实验室测量结果。不当操作测量设备、测试区域表面处理不良、或测在脱碳及严重变形的表面层将会导致不准确的结果。

韧性

在欧洲，27J（20ft-lb）的Chary V冲击韧性通常认为是具有足够的延展性。欧盟（Ref.2）的Directive 97/23是指PED（pressure equipment directive）采用20℃（或最低工作温度）下27J作为安全界限。然而，一些规程要求更高的41J（30ft-lb）的冲击值（Ref.3，5）。考虑焊接接头的韧性，焊缝金属被认为最为关键，图3描述了不同LMP下埋弧焊焊缝金属的冲击试验结果。

对于埋弧焊，研究发现焊态下的冲击韧性只有7J左右，只要进行LMP值为20.8以上焊后热处理，就能保证获得27J以上的冲击韧性。这和填充金属提供的LMP值有关，大部分P 91填充金属供应商提供焊缝金属的数据是经760℃（1400°F）/2h（LMP=21）的热处理。最后，值得注意的是NEM和TNO公司研究发现，经焊后热处理，具有合适韧性焊缝金属的硬度低于300VHN。

临界热处理

在有些不好的情况下，部件没能在要求的范围内进行焊后热处理，太低的LMP将会导致焊

缝金属硬度过高，这也很容易从硬度测试结果中看出，超过770℃/10h（即太高的LMP）将导致硬度偏低。只要热处理温度低于下临界点A1，即使焊后热处理持续时间很长，硬度仍会保持在200VHN左右。

高于下临界点A1的热处理将会破环材料性能（Ref.4），高于A1的热处理导致部分马氏体转化为奥氏体。

在相当快的冷却速率下，奥氏体将会转变成新鲜的高硬度马氏体，在慢的冷却速率下，奥氏体会形成铁素体，两种情况下都是有害的，形成铁素体被认为是最坏的情况，因为蠕变强度降低到P22的等级。

下临界点A1是Ni和Mn的函数，P91母材的A1大约为800℃～830℃。焊缝金属含有较高比例的Ni和Mn，因此A1较低，下临界点温度可以应用ORNL数值关系A1= 848-42（N i[%]+Mn[%]）[℃]得出,对于Ni+Mn含量为1.5%，A1温度约为785℃（1445°F），很接近PWHT的上限。

由于临界区域内（高于A1，低于A3）的热处理造成很差的性能，所以避免这种PWHT很重要。

根据热处理温度和冷却速率，主要会出现四种极端情况。

A、热处理温度高于焊缝和母材的A1，并跟随快冷；

B、热处理温度高于焊缝和母材的A1，并跟随慢冷；

C、热处理温度高于焊缝的A1，但低于母材的A1，并跟随快冷；

D、热处理温度高于焊缝的A1，但低于母材的A1，并跟随慢冷；

快冷是指能够避免奥氏体中形成铁素体的冷却速度。

图4描述了A情况，热处理温度高于焊缝和母材的A1，并跟随快冷，由于形成了新鲜马氏体，母材和焊缝硬度都比较高。