P91钢蒸汽管道软化机理与热处理工艺控制

　　P91钢被广泛应用于温度高于566℃火电机组的主、再热蒸汽管道及其旁路、高温联箱等部件。按照ASME  SA335-SA335M《高温用无缝铁素体合金钢管》和DL/T  438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》的要求，P91钢管的硬度在180～250HB之间，然而在P91钢管件的检验中，无论国产还是进口材料，相当数量的管件出现硬度偏低的现象，甚至有的实际布氏硬度值仅为130HB左右。硬度偏低的P91钢管件的金相组织常出现铁素体，给机组的长期稳定运行带来了严重的安全隐患。本文以某电厂新换P91弯管经焊接回火处理后出现硬度偏低为例，对其微观组织和各种性能进行试验，分析P91钢的软化机理，并提出控制热处理工艺的相关措施。

　　1　P91钢蒸汽管道弯管软化

　　某电厂由于服役P91钢蒸汽管道弯管(规格d451×41.5)硬度低而对其进行更换。新弯管外弧金相组织为回火马氏体，硬度在200HBHLD左右。更换时焊后热处理工艺要求满足《T91/P91钢焊接工艺导则》要求，即回火温度为(760+10)℃，回火时间按照每25mm壁厚保温1h，但最短不少于4h，工艺规定保温时间为5h。然而实际操作过程中，在保温前于750～760℃之间存在一近5h的升温段，严重偏离了设计回火曲线。同时，由于该弯管较小，在分别对弯管两侧焊缝回火时，弯管受到2次热循环的影响。回火后测试其硬度仅为134HBHLD左右，且组织中出现了一定量的铁素体块(图1)。

　　2　软化后P91钢的力学性能

　　选取硬度值为160HBW的P91钢管进行拉伸和冲击试验，结果见表1，可见P91钢软化后其拉伸屈服强度出现了大幅度下降。

　　对硬度值为160HBW和180HBW的P91钢进行高温持久强度试验，结果见表2，可见硬度值为160HBW的P91钢持久强度与标准相比下降了近50%，硬度值为180HBW的P91钢持久强度下降了10%。

　　3　P91钢软化原因

　　P91钢的强化主要通过M23C6、MX等第二相的弥散析出强化、固溶强化、位错强化和精细亚结构强化以及细晶强化等，P91钢的弱化机理与强化则相反。强度的下降，一方面是由于M23C6、MX、Laves相发生了变化和位错、亚结构消失或部分消失所致;另一方面当P91钢出现异常软化时，常伴随金相组织的异常，即在组织中可见块状铁素体，这是引起P91钢软化的重要原因。在正常回火条件下不会产生铁素体组织，分析P91钢回火马氏体中产生铁素体的原因如下。

　　(1)超过AC1相变点

　　当温度超过AC1点(P91钢AC1=834℃)时，P91钢将形成α、γ相及其碳化物的两相区，一部分马氏体会分解生成α相，其比例由平衡相图决定。在随后的冷却中，α相保留，γ相转变为马氏体。一般在过回火中，铁素体的含量不高，但若在840℃下回火铁素体含量将较高。