热处理工艺对SA-335P91材料硬度的影响

机械制造文摘——焊接分册　锅炉压力容器焊接产业论坛　热处理工艺对ＳＡ一３３５Ｐ９１材料硬度的影响　杨宏权，张兆林，夏一农，郑红　（１．哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨　１５００４６；２．哈尔滨焊接研究所，黑龙江哈尔滨　１５００８０）　０前言　ＳＡ一３３５Ｐ９１（以下简称Ｐ９１）属于９Ｃｒ．１Ｍｏ．Ｖ型铁　热处理后材料的表面硬度会有所下降，为了满足用户　的要求，必须在焊后热处理前将材料表面硬度控制在　一个合适的范围；另外对于一些热成型的管件及端盖　素体耐热钢，其最高的使用温度界限是６５０　ｏＣ。该钢　具有高的许用应力、持久强度、疲劳强度、热导率，良好　的焊接性，较好的抗腐蚀性，因此被广泛应用于超临界　及超超临界锅炉的高温高压部件上，例如过热器集箱、　主蒸气管道等，工作温度通常都在６００　ｃｌＣ左右，工作压　力都在２７　ＭＰａ以上。一旦该材料在锅炉运行时发生　失效，对电厂造成的损失将是非常巨大的，因此出于对　电厂安全运行的考虑，有必要对此类材料加以监督控　等产品，需要进行正火＋回火，因此必须制定合适的正　火＋回火热处理工艺参数，以满足表面硬度的控制范　围要求。　１　确定合适的表面硬度控制范围　通过对Ｐ９１材料进行模拟产品的实际热循环，确　定焊接退火前后材料表面硬度的变化范围。为了满足　Ｐ９１类产品表面硬度能够达到用户的要求，需要确定焊　接退火前材料的表面硬度的控制范围。　１．１　模拟试验　制。在新颁布的《火力发电厂金属技术监督规程》　（ＤＩ／Ｔ４３８－－２００９）中对９％～１２％Ｃｒ系列钢制管道及　集箱提出了表面硬度的要求，要求母材的硬度控制在　１８０～２５０　ＨＢ之间。目前５大电力公司根据该标准的　模拟过渡管的实际热循环，对规格为　５５９　ｍｍ×　９５　ｍｍ的Ｐ９１管子进行正火＋回火＋焊接退火热处理　工艺试验。在正火＋回火处理后以及焊接退火后对材　要求对Ｐ９１材质的产品提出了表面硬度检查的要求，　要求产品的表面硬度必须控制在１８０～２５０　ＨＢ之间。　由于该类材料在制造过程中通常要进行焊后热处理，　料进行表面硬度试验，试验采用便携式里氏硬度计进　行。具体工艺参数见表１。　表１模拟试验工艺参数　试验结果见表２。从试验数据可以看出，当正火工　艺和回火保温时间一定时，随着保温温度的提高，材料　表２退火前后表面硬度变化情况（ＨＢ）　的表面硬度下降；当焊接退火保温温度一定时，随着退　火时间的延长，材料表面硬度下降。　１．２实测试验　对Ｐ９１材质的集箱焊接退火前后表面硬度进行检　查，对比分析热处理前后表面硬度的变化范围。试验　以某电站锅炉项目的集箱为载体进行，集箱筒身材质　２０１１年第６期３３　锅炉压力容器焊接产业论坛　为Ｐ９１，焊接退火参数为：（７５５±１５）℃×４　ｈ，设备为台　车式燃气炉。热处理前后对集箱不同位置进行表面硬　机械制造文摘——焊接分册　度检查（检测位置如图１所示），试验采用便携式里氏　硬度计进行，试验结果见表３。　图１　集箱检测位置简图　表３集箱焊后热处理前后不同部位表面硬度变化情况（ＨＢ）　表３中Ｂ，Ｇ，Ｊ，Ｏ，Ｒ，ｗ位置为焊缝，其他位置为母　材，由于焊缝在退火前为未回火的马氏体组织，硬度很　高，当经历焊接退火后，相当于对焊缝进行了回火处　３４　２０１１年第６期　理，因此硬度会下降很多。母材位置焊接退火前后的　表面硬度值变化趋势如图２所示。图中Ａ、ｘ点为半球　形端盖，这两点硬度值下降较低，表明端盖在进行正火　机械制造文摘——焊接分册　＋回火处理时，回火较充分；Ｈ、Ｉ、Ｐ、Ｑ点为三通接头，　锅炉压力容器焊接产业论坛　要求，焊接退火前的母材应有一定的余量，从统计数据　看，硬度下降值普遍小于２０　ＨＢ，有个别数值在２０　ＨＢ　以上，但降低后依然满足要求，因此为了不过分增加正　火＋回火的工艺难度，又能保证焊接退火后产品的硬　这４点硬度值下降很多，其中３点硬度下降值都在３０　ＨＢ以上，最高达到了４２．８　ＨＢ，这说明三通接头在正　火＋回火处理时，回火温度选择较低，回火不充分，经　过焊接退火后，相当于进行了充分的回火，因此硬度值　下降较多；其它各点都是在Ｐ９１管的母材上，绝大多数　度要求，可将正火＋回火后的表面硬度范围控制在２００　２５０　ＨＢ之间。　硬度值下降都在１０～２０　ＨＢ之间，ｃ、Ｋ、Ｎ点下降值在　１０　ＨＢ以下．是由于该３点位于环焊缝热影响区内，焊　接过程的热输人相当于对临近焊缝的母材进行了一次　回火，从而造成该处母材在退火前硬度就有所降低，在　２正火＋回火工艺参数的确定　为了达到所确定的表面硬度控制范围要求，对Ｐ９１　材料进行正火＋回火的工艺试验，确定合理的热处理　工艺参数。由于将正火＋回火后的表面硬度值提高到　２００～２５０　ＨＢ之间，对于厚壁管正火后空冷＋回火的工　焊接退火后硬度下降较少。　艺已难以满足要求，为此按照ＡＳＭＥ标准的要求，采用　了淬火＋回火工艺在生产实践中发现，淬火＋回火后　邑　的产品出现了工件开裂的情况，经过分析，开裂是由于　淬火过程中组织应力过大而引起的。由于Ｐ９１材料正　火后的冷却速度能否达到马氏体临界冷却速度是正火　测试点　＋回火后能否获得理想的组织及性能的关键，因此我　图２　Ｐ９１集箱焊接退火前后表面硬度变化趋势　们采用在正火后进行强制风冷来提高正火后的冷却速　度。　２．１　热处理工艺试验　１．３数据分析　从模拟热处理试验结果以及实际产品的数据统计　采用规格为￣ｂ５５９　ｍｍ　Ｘ９５　ｍｍ的Ｐ９１材料在电阻　炉中进行热处理，正火后采用轴流风机进行风冷，风机　的型号为ＢＴ３５—１１Ｎｏ．８，具体热处理工艺参数见表４。　结果来看，焊接退火后母材硬度都有所降低，因此为了　保证焊接退火后产品的表面硬度满足１８０～２５０　ＨＢ的　表４热处理工艺参数　２．２试验结果及分析　料的最低回火温度为７３０℃，资料显示，在８１０℃以　下，随着回火温度的升高其强度和硬度降低。上述试　验结果也验证了这一规律。从试验数据看，材料经过　热处理后分别对２组试件取样进行拉伸试验、冲　击试验、弯曲试验、硬度试验及金相检验。拉伸及冲击　试验取样方向为纵向，位置为１／２壁厚处；弯曲试验取　样方向为横向，取样位置为表面，受拉面为材料原始表　上述正火＋回火处理后，各项力学性能均满足标准的　要求，金相组织为回火马氏体，这说明在（１　０６０±　１５）℃温度下正火后采用风冷能够获得完全马氏体组　织。当回火温度达到７７０℃时，材料的硬度最低值为　１９９　ＨＢ，因此要保证材料表面硬度控制在２００～２５０　ＨＢ　面；硬度试验取样位置为表面、１／４壁厚、１／２壁厚处；　金相试验取样位置为１／２壁厚处。力学性能试验结果　见表５，２组试件金相组织均为板条马氏体，如图３　所示。　之间，回火可以在７４０～７７０℃温度下进行。其具体工　艺曲线如图４所示。　２０１１年第６期３５　Ｐ９１材料的Ａ　，相变点为８１０℃，标准要求Ｐ９１材　锅炉压力容器焊接产业论坛　机械制造文摘——焊接分册　３结论　（１）焊接退火前，Ｐ９１材料表面硬度控制在２００～　２５０　ＨＢ的范围内，能够保证在经历焊接退火后，材料的　表面硬度满足１８０～２５０　ＨＢ的要求。　（２）Ｐ９１材料按如下正火＋回火热处理工艺，可以　将材料硬度控制在２００～２５０　ＨＢ的范围内。正火：　（１　０６０±１５）ｏＣ　ｘ　１．２　ｍｉｎ／ｍｍ，风冷；回火：（７５５±　１５）ｏＣ×２．４　ｍｉｎ／ｍｍ，空冷。　（ａ）１号　（ｂ）２号　参考文献　图３试样金相照片　［１］　ＤＬ／Ｔ４３８－－２００９．火力发电厂金属技术监督规程［ｓ］．　［２］　陈家伦，于秀清．用于锅炉的耐高温铁素体管材Ｔ９１／Ｐ９１　ｆ　１　０　６０　１±５１℃　　性能综述［Ｊ］．锅炉制造，１９９６（１）：１５—２２．　［３］　束国刚，薛飞．国产Ｐ９１钢的热处理Ｔ艺优化研究［Ｊ］．　赠　≤　中国电力，２００３（８）：２０—２３．　时间ｔ／ｈ　收稿日期：２０１１—０９—０８　图４正火　回火热处理工艺曲线　．．．　．…　．杨宏权简介：１９７７年出生，工程师；主要从事锅炉及压力容器热　处理技术　作’。；ｙａｎ　ｏｎ￣ｇｑｕａｎ５７７＠ｓｏｈｕ．ｃｏｒｎｏ　（上接第２７页）　ＨＲ３　Ｃ　ｆｏｒ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ＵＳＣ　ｂｏｉｌｅｒｓ　ｆ　Ａ］．Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｆｏｓｓｉｌ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｌａｎｔｓ－５ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒ—　国产化的可行性，并确定了满足产品性能要求的合理　的焊接工艺方案，为超超临界电站锅炉中末级过热器　ｅｎｅｅ［Ｃ］．Ｕｎｉｔｅｄ　Ｓｔａｔｅｓ，ＡＳＭ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００８：１８５—１９６．　［３］　张忠文，李新梅，魏玉忠，等．ＨＲ３Ｃ钢焊接接头的组织　和性能研究［Ｊ］．热加工工艺，２００８，３７（２３）：５—８．　和再热器的耐热钢管材扩大了供方市场，为超超临界锅　炉产品高温过热器、再热器的材料国产化作出了贡献。　［４］　窦怀武，李建伟，张希仓，等．电站新型奥氏体耐热钢的　焊接［Ｊ］．现代焊接，２００８，７：４２—４４．　［５］　范长信，张红军，周荣灿，等．超超临界机组锅炉用新型　参考文献　耐热钢的焊接［Ｊ］．电力设备，２００６，７（４）：１１—１４．　杨富，李为民，任永宁．超临界、超超临界锅炉用钢［Ｊ］．　电力设备，２００４，５（１０）：４１—４６．　收稿日期：２０１１—０９—０８　［２］　Ｉｓｅｄａ　Ａ，Ｏｋａｄａ　Ｈ，Ｓｅｍｂａ　Ｈ，ｅｔ　ａ１．Ｌｏｎｇ—ｔｅｒｍ　ｃｒｅｅｐ　ｐｒｏｐｅｒ—　ｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ＳＵＰＥＲ３０４Ｈ，ＴＰ３４７ＨＦＧ　ａｎｄ　陈怡简介：１９８５年出生，硕士，主要从事锅炉焊接技术工作；　ｃｈｅｎｙｉ８６１００６＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ　３６　２０１１年第６期