电站锅炉安装与检修中T91钢的焊接工艺

摘 要：本文简述了T91钢的发展，重点介绍了300MW、600WM锅炉过热器和再热器用钢T91的焊接性及焊接工艺，为从事焊接的工程技术人员提供选材、制定合理的焊接工艺的依据。

0 前言

提高锅炉效率，降低煤耗，显而易见的方法就是提高锅炉的工作温度与压力，既向着大参数、高容量、单元集中控制方向发展。因此，世界各国均致力于研制与开发薄壁、抗蠕变性能高、热稳定性强的高合金钢，用以制造金属壁温ti≥580℃的锅炉受热面管系。在80年代以前，解决亚临界锅炉过热器、再热器用钢，主要是采用SA213-TP304H、SA213-TP321H、SA213-TP347H奥氏体不锈钢。虽然这种钢的高温抗氧化性能好、热稳定性强，但是价格昂贵，与其它铁素体钢焊接时，存在异种金属焊接难题和异种金属接头早期失效的危险，因此在商用上受到了很大限制。

在高参数锅炉中尽量不使用奥氏体不锈钢是世界工业发达国家锅炉设计用钢的准则，也是当今世界各国大型电站锅炉用钢的关键课题。SA213-T91就是在这种情况下，由美国像树岭国家实验室在原SA213-T9的基础上开发和研制的。80年代末，90年代初我国制造的300MW 和600MW机组的过热器和再热器部分采用了T91，因此熟悉和掌握T91钢的焊接性及焊接工艺对锅炉安装、检修显得十分重要。

1 T91钢的研究现状及性能

自50年代末，比利时Liege的研究中心第一次公布了超级9Cr钢，即9Cr2Mo钢以来，世界各国均致力于开发和研制超级9Cr钢。法国的Valloure公司推出了EM12过热器管，60年代末期德国一钢厂推出了X20CrMoV121马氏体耐热钢（以下简称X20），70年代中期美国的ORNL实验室开始着手研制一经改进的9Cr1Mo钢，后经大量的比较性试验，于1983～1984年间将这一改进型9Cr1Mo钢列入SA213、SA335标准中，钢号分别为T91、P91。我国于80年代后期，自日本NKK公司得到T91钢，用于制造300MW、600MW锅炉过热器和再热器。“八五”期间进行了T91钢的国化研制，于1995年列入GB5310—95中，钢号为10Cr9Mo1VNb。EM12等6种钢材的化学成分见表1，T91钢的机械性能见表2。

2 T91钢的焊接性及焊接工艺

2.1 冷裂缝倾向

T91的供货状态为1040℃～1090℃正火加765℃～795℃回火，组织为回火马氏体。由表1可知，T91钢的主要元素为Cr和Mo，而这两种元素均是封闭γ区，形成铁素体的元素，但随着Cr和Mo含量的增加，铁素体、珠光体和碳化物形成的临界冷却时间增大[1]，也就是说，在一般的冷却条件下，这些组织很难形成，而最终必将形成马氏体组织，此外Cr还是提高钢材淬透性的元素，可大大提高钢材的淬硬倾向。由文献[2]提供的T91钢经1080℃，30分奥氏体化后测得的连续冷却转转变图可知，只有当t8/5大于4h时，T91钢方可形成中间产物。

表1 钢材的化学成分（%）

因此焊接时，如果不采取一定的工艺措施，T91有冷裂缝倾向。采用《斜Y坡口焊接裂缝试验法》、《焊接热影响区最高硬度试验法》、《平板刚性拘束裂纹试验法》等[2][3][4]对T91钢进行了冷裂敏感性试验，结果表明，T91钢具有一定的冷裂敏感性，冷裂倾向介于T22和T9之间，焊前必须预热，预热温度≥200℃。

2.2 热裂敏感性

采用《可变拘束焊接热烈缝试验法》、《斜Y型坡口焊接裂缝试验法》对T91钢进行了热裂敏感性试验，结果表明[2][4]：T91钢的热裂倾向介于SA213-T9和SA213-TP304H之间，与低铬低合金钢相比，具有较敏感的热裂倾向，焊接时必须控制焊接线能量，层间温度不能过高，而再热裂缝倾向无。

2.3 电站锅炉中常见的T91钢焊接接头形式及焊接工艺

2.3.1常见接头形式

用于300MW、600MW锅炉过热器和再热器的T91钢管有φ54×8mm、φ54×9mm、φ57×4mm等规格，常见的接头形式有T91+T91；T91+12Cr1MoV；T91+TP304H；T91+TP347H；T91+G102；T91+T22。

2.3.2典型T91钢对接接头的焊接工艺

基于焊接性分析及舍菲勒组织图，对锅炉安装和检修中常见的3种接头形式进行了焊接工艺评定，焊接工艺如下：

A. T91+T91 （Φ54×8mm，TIG）

焊前预热温度：≥200℃；层间温度：≤300℃；保护气及流量：Ar，10～12L/min；背面成型气体及流量：Ar，7～8L/min；焊接电流：直流正接，110～130A；电压：12～14V；焊丝：φ2.5mm，TGS-9cb；焊后热处理：〔750℃～770℃〕×1h 。

B. T91+12Cr1MoV（Φ54×8mm，TIG）

焊前预热温度：≥200℃；层间温度：≤300℃；保护气及流量：Ar，10～12L/min；背面成型气体及流量：Ar，7～8L/min；焊接电流：直流正接，110～130A；焊接电压：12～14V；焊丝：Φ2.5mm，TGS-9cb；焊后热处理规范为〔730℃～750℃〕×1h。

C. T91+TP304H（Φ54×8mm，TIG）

焊前预热温度：≥200℃；层间温度：≤250℃；保护气及流量：Ar，11～13L/min；背面成型气体及流量：Ar，7～9L/min；焊接电流：直流正接，110～120A；焊接电压：11～13V；焊丝：ER NiCrFe3；焊后热处理规范：（750～770℃）×1h。评定结果符合技术条件要求，结果见表3。

表3 焊接工艺评定结果

：“/ ”斜线上部指T91，斜线下部指12Cr1MoV或TP304H。

3. 结论

T91钢具有良好的冲击韧性和高的热强性，价格低廉，在625℃与SA213-TP304H 等强，是今后亚临界和超临界锅炉受热面管系首选材料，亦是TP304H的更新替代产品。T91钢焊接性较差，焊前必须预热200℃以上，采用本文提供的焊接工艺能够获得与母材匹配的性能。

参考文献

1 顾钰熹等.焊接连续冷却转变图及其应用.北京：机械工业出版社，1990

2 VALLOUREC INDUSTRIES.THE T91 BOOK.FRANCE，1990

3 NIPPON KOKAN KK.PROPERTIES OF MODIFIED 9Cr-1Mo STEEL TUBES FOR BOILER USAGE.JAPPEN，1985

4 上海锅炉厂、哈尔滨锅炉厂等.T91钢管国产化研究总结报告.1995