【摘要】介紹了T9l／P91鋼的研發過程，分析了該鋼焊接性主要問題，探討了該鋼焊接工藝要點及其應用。結果表明，T9l／P91新型鋼種以其一系列優良的使用性能，在高參數火力發電機組高溫管道上獲得了廣泛的應用。該鋼焊接性的主要問題是冷裂紋敏感性較強，以及一定的熱裂紋傾向，同時也不可忽視接頭性能的弱化(焊縫區韌性惡化和熱影響區的軟化)；合理的焊接工藝是控制和改善該鋼焊接性的重要技術手段。焊接方法和焊接材料確定以后，獲得優質接頭的關鍵工藝措施是：焊前預熱、控制層溫，以及“及時有效”的焊后熱處理等工藝。不同的接頭組合類型(同種鋼或異種鋼)，不同規格尺寸的T91／P91鋼管焊接，其匹配的焊接工藝各具特色；采用專用藥芯焊絲填充TIG打底新工藝，將該鋼種的焊接工藝推向一個新的發展階段。
一、概述
T91／P91鋼以其良好的高溫持久強度、熱穩定性和高溫抗蠕變能力等綜合性能，在電站鍋爐的過熱器、再熱器及主蒸汽管道上獲得越來越廣的應用。雖然說T91／P91鋼在我國使用和研究已有十多年的歷史，一些單位在掌握該鋼焊接工藝方面積累了一些經驗，并且由國家電力公司電源建設部下發了《T91／P9l鋼焊接工藝導則》指導性文件，但在施工現場施焊時，該鋼的焊接質量問題仍時有發生。這表明，一方面是對該鋼焊接性的理解不夠深人；另一方面對配套焊接工藝關鍵技術的控制尚不到位。換言之，對引進鋼種及其焊接工藝的消化、吸收以及國產化工作仍須繼續進行。關于T91／P91鋼焊接的研究文獻逐年增多，電廠機組成功應用的范例無一不與其采用的焊接工藝密切相關。
由于接頭的組合類型、管子的規格尺寸(直徑和壁厚)不同，焊接所匹配的工藝各異，因而繼續開展T9l／P91鋼焊接性及其配套工藝的研究，對探尋工藝控制接頭性能機理，以及創新工藝核心技術很有必要。為此，本文特意將典型焊接工藝與該鋼焊接性問題相聯系，綜合評述該鋼焊接工藝的特點及其應用。該項工作對推動T91／P91鋼焊接工藝的進一步完善，提高鍋爐使用壽命，具有積極的意義和參考價值。
二、T91／P91鋼簡介
隨著電力工業的迅速發展，高參數、大容量機組不斷涌現，對鋼管材料的高溫蠕變性能和抗應力腐蝕等性：能提出更高要求。為此，世界主要的工業發達國家進行了大量研究，先后開發出系列新型鐵索體型耐熱鋼，并成功地用于大容量火力發電機組，其中高CT型9Cr1MoVNbN耐熱鋼即為T91／P91鋼。
20世紀70年代美國在試驗室改進原有的9Cr1Mo鋼，80年代初確定改良型鋼為T91／P91鋼，接著1983年T91／P91鋼獲美國ASME認可。80年代末德國從F12鋼轉向使用T9l／P91鋼，90年代初日本大力推廣T91／P91鋼。目前世界主要生產鍋爐管和大直徑厚罐管的鋼廠，均已完成了T91／P91鋼工業化生產研究，其中日本、德國、法國等國家的鍘廠已向全世界供應T91／P9l鋼管。我國于1987年引進該鋼種并在電廠應用。該鋼的國產化工作已由冶金部部署實施。
T91／P91鋼被高參數火力發電機組廣泛應用，是因為該鋼種的使用性能具有以下優點：①與不銹鋼相比，該鋼具有低的熱膨脹系數和良好的導熱性。
②該鍘具有較高的室溫抗拉強度，δb最高達770MPa，而且塑性也較好。③該鋼的沖擊韌度和材料脆性轉變溫度明顯優于同類X20和EMl2鋼。④該鋼具有更高的高溫持久強度和許用應力，在550℃高溫經過105h運行后的高溫持久強度是T22鋼的2倍，在540～610℃內的許用應力明顯高于T22、TP304H和X20鋼。⑤該鋼具有良好的整管彎曲加工性能。⑥該鋼的高溫疲勞性能優于T22和TP304H鋼，高溫抗氧化性能也遠高于T22鋼。
三、T91／P91鋼的焊接性
T91／P91鋼是在9Cr1Mo鋼的基礎上，采用純凈化、細晶化冶金技術，以及微合金化和控軋、控冷等工藝，開發出的新一代中合金耐熱鋼。從化學成分上看(見表1)，T91／P91鋼中C、S、P含量降低了，并用V、Nb、N元素微合金化；從力學性能上看(見表2)，T91／P91鋼的強度和韌性改善了。這是由于該鋼的強化機理與老鋼種有原則的不同，即除了固溶和沉淀強化外，還通過微合金化、控軋、形變熱處理及控冷獲得高密度位錯和高度細化晶粒的結果。該鋼的供貨狀態為正火＋回火(730～760℃)，顯微組織是回火馬氏體。
與T9鋼相比，T9l／P9I鋼由于降低了碳和雜質元素的含量，焊接裂紋的敏感性明顯減弱，防止裂紋產生的預熱溫度隨之而降。應該說，該鋼的焊接性有所改善。但是這并不意味著在所有的情況下都能獲得滿意的接頭性能。研究表明，該鋼焊接性的主要問題如下：
(1)焊接裂紋敏感性。鋼中合金元素種類多，總含量達10%左右，具有相當高的空淬特性，由于HAZ淬硬傾向大，冷裂紋敏感性仍較大；同時鋼中含有C、Nb等促進熱裂的元素，因此該鋼還有一定的熱裂傾向，其敏感性介于SA213—T9鋼和SA213—TP304H鋼之間。
(2)HAZ塑性降低。由于受焊接熱循環的影響，HAZ晶粒長大傾向較大，使該區的塑性降低。
(3)HAZ的軟化。由于受焊接熱循環的影響，HAZ出現軟化層，惡化了該區的力學性能。
(4)焊縫金屬韌性的惡化。由于焊縫金屬未曾經受控軋和形變熱處理過程，晶粒不可能由此被細化；同時焊縫中的Nb、V元素在冷卻凝固過程中難以呈微細的C、N化合物析出，因此焊縫的韌性比母材低許多。
(5)有研究顯示，在一些情況下，該鋼還有一定的應力腐蝕裂紋敏感性。
總體上看，該鋼焊接性的主要問題是冷裂紋敏感性較強，以及一定的熱裂紋傾向，同時也不可忽視接頭性能的弱化(焊縫區韌性惡化和熱影響區的軟化)。合理的焊接工藝是控制和改善該鋼焊接性的重要技術手段。
四、T91／P91鋼的焊接工藝要點
電站鍋爐過熱器和再熱器用T91鋼管常用規格有ψ54mm和ψ57mm等，壁厚有4mm、8mm和9mm等幾種。大直徑主蒸汽P91鋼管有ψ457mm×45mm、ψ347mm×46mm等多種規格。小徑管現場施工多為水平對接固定位，要求單面焊雙面成形，而且要求反而焊縫不被氧化。為使接頭具有滿意的使用性能，早期的焊接工藝主要采用兩種方法：一是全氬弧焊(TIG打底＋TIG填充)；二是氳弧焊(TIG)打底＋焊條電弧焊填充。
其焊接工藝要點如下：
(1)采用正確的坡口形狀和尺寸。
(2)選用合理的焊接材料(TIG焊絲和填充電焊條)。
(3)選用正確的焊接規范(包括焊絲及電焊條牌號和直徑、鎢極直徑、焊接電流、氬氣流量、電源極性、焊縫層數及道數等)。
(4)選用正確的工件預熱溫度、焊縫層間溫度。
(5)選用合理的焊后熱處理規范(包括升降溫速度、回火溫度及保溫時間等)。
(6)堅持正確的接頭裝配定位焊和熟練、高超的手工操作技能等。
據文獻報道，上述方法及工藝的應用，取得了較為滿意的效果。但是該工藝的不足之處或困難是焊接過程中焊縫的背面保護問題較復雜，一旦保護不好，背面焊縫即被氧化，焊縫的質量不能保證，造成不安全隱患。為此，近年來推出了自保護藥芯焊絲焊接方法及其工藝。該工藝的最大特點是焊接過程中冶金反應產生的氣體和熔渣，不僅對正面熔池能夠進行有效的保護，而且反面焊縫也被熔渣有效保護；正所謂氣渣聯合保護焊接方法及工藝，可以完全免除焊縫背面充氬復雜程序及裝置，克服了TIG方法背面焊縫保護困難的缺點。然而，該方法目前尚不成熟，原因是這種專用自保護藥芯焊絲焊縫質量難以保證，況且焊絲的焊接工藝性也難以接受。
近年來，還有一種采用藥芯焊絲填充打底的TIG焊接方法。該方法的特點是，打底焊時用藥芯焊絲的熔渣對背面焊縫進行保護，免除了焊縫背面保護，焊縫的填充層可以是TIG焊接，也可以是焊條電弧焊。這種打底專用藥芯焊絲成分、性能調整方便，接頭的性能能夠滿足使用要求，焊接工藝性也令人滿意，是一種前景看好的工藝方法。藥芯焊絲打底的TIG焊接方法的焊接工藝要點，除了焊接材料和焊接規范的選用，以及操作技術與上述全氬弧焊有所不同外，其他要點大同小異。
對于大徑管(P91)的焊接，除了采用TIG打底＋焊條電弧焊填充(多層多道)焊接方法之外，近期有單位采用了埋弧焊工藝(TIG打底＋條電弧焊填充5～8mm＋弧焊填充)，明顯提高了焊接生產效率，同時改善了焊接質量。
從T9l／P91鋼焊接工藝特點可以看出，無論是用實芯焊絲打底TIG焊接方法，還是藥芯焊絲打底TIG方法，其焊接工藝要點的實質是要達到兩個目的：一是防止焊接缺陷產生；二是保證接頭的使用性能。為防止焊接缺陷產生，必須對諸如工件預熱溫度、焊縫層問溫度、焊接熱輸入量，以及操作技術等工藝參數進行有效控制；而為保證接頭的使用性能，必須對諸如填充焊絲(實芯或藥芯)成分、焊接熱輸入量，以及工件焊后熱處理等工藝參數進行有效控制。
應當看到，焊接方法和焊接材料確定以后，獲得優質接頭的關鍵工藝措施是：焊前預熱、控制層溫，以及“及時有效”的焊后熱處理。焊前預熱的實質是控制焊接區的氫的行為，降低焊接區的硬度和應力峰值及改善韌性?？刂茖訂枩囟纫环矫鏋榉乐购缚p過熱；另一方面是為了保持緩冷。及時有效的焊后熱處理包含兩層意思：一是該項工藝確實能起到改善焊縫及其HAZ組織，提高接頭的韌性和高溫持久強度以及消除焊接內應力等作用；二是在實施該項工藝時，必須嚴格控制焊件焊后冷卻的最低溫度，以及到焊后熱處卿的時問問隔。
后者對于獲得優良接頭性能是至關重要的。
五、T91／P91鋼焊接工藝的應用
1.T91＋T91(P91＋P91)鋼管對接焊工藝的應用
某電廠一期工程1號機組末級過熱器排使用ψ57mm×8mmT91鋼管制造，576道焊口采用傘TIG方法或TIG打底＋SMAW填充方法焊接。在執行表3中實例①所示的焊接工藝要點同時，特別強調焊前準備、背面充氳方案，以及嚴格的作業程序。所焊接頭具有良好的性能，保證了機組運行可靠性和穩定性。目前機組運轉正常，該工藝獲得網滿成功。
焊接材料的化學成分及熔敷會屬的力學性能
某電廠為了從根本上解決6臺超高斥電站鍋爐過熱器、再熱器爆管問題，用ψ42mm×5mmT91鋼代替G102鍘，采用表3中實例②焊接工藝施工，接頭經100%X射線探傷檢驗，均達二級以上。更換后的T91鋼管及其接頭，在一年多的運行過程中質量良好。
以上是一個焊前工件不預熱而獲得滿意效果的成功案例。本案例工藝應用效果與陶永順等關于“ψ60mm以下、壁厚在6mm以下的T91鋼管，當采用TIG焊時，焊前不預熱也不會產生冷裂紋”的結論相一致。
某電廠2×660MW機組安裝工程中的主蒸汽管、再熱蒸汽管熱段、鍋爐末級過熱器出口聯箱均采用了SA335—P9l大直徑厚壁管鋼材，管子規格有6種，從ψ281mm×49.5mm至ψ762mm×31.5mm不等，壁厚從31.5mm至78.0mm不等，焊口總計156個。采用表3中實例③焊接工藝施工，接頭經100%X射線探傷檢驗，一次合格率高達99.71%，焊接質量優良。這是一個P91鋼焊接工藝在大口徑厚壁管道應用的成功案例。
該項應用表明，在大拘束條件下，采用焊前預熱＋小熱輸入量焊接＋焊后熱處理等工藝，對獲得滿意接頭性能是至關重要的。
2.T91＋12Cr1MoV鋼管對接焊工藝的應用
某電廠六期擴建工程為兩臺125MW機組，高溫再熱器使用T91和12Cr1MoV鋼管，管子規格為聲42mm×4mm，每臺機組有672個對接接口。采用表3中實例④焊接工藝施工，無損探傷檢驗合格，機組運行至今，工作狀況良好。這是一個T91鋼焊接工藝在其與珠光體耐熱鋼的異種鋼焊接應用的成功實例。該項應用表明，采用的焊接工藝及其措施，對這一類異種鋼的焊接具有良好的匹配性。
3.T91鋼的藥芯焊絲TIG焊接工藝的應用
1995年，某電廠對8號鍋爐高溫過熱器及再熱器外圈進行檢修，管子材質為T9l鋼，規格為ψ42mm×5.5mm，采用了T9l鋼TIC焊接專用藥芯焊絲YR91W和表3中實例⑤焊接工藝施工，焊后檢驗全部合格，至今仍在安全運行。
以上是一個采用新型焊接填充材料，實現T91鋼TIG焊接背面免充氬氣保護，推進焊接工藝發展的典型成功應用實例。
4.T91鋼＋1Cr18Ni9Ti鋼管對接焊工藝的應用
某電廠二期2×300MW機組鍋爐過熱器安裝中，遇到了規格為ψ51mm×6mm的T91＋1Cr18Ni9Ti異種鋼對接接頭，采用了鎳基焊絲WELTIG82TIG打底＋鎳基焊條INCONEL182填充、蓋面和表3中實例⑥焊接工藝施工，工程中共完成焊口160個多，焊后經100%無損檢驗，一次合格率達97.2%。
該項焊接工藝應用案例有以下特點：
(1)接頭兩側管子成分、組織和性能差異太大。
(2)采用的配套焊接工藝與上述案例有很大不同：
①采用了鎳基焊絲和焊條。②選用的預熱溫度和層間溫度較前明顯降低。③最大的工藝特色是焊后不進行熱處理。
上述工藝變化都是異種鋼材料特性及其接頭組織性能所決定的。
從以上典型應用可以看出，不同的接頭組合類型(同種鋼或異種鋼)，不同規格尺寸的T91／P91鋼管焊接，匹配的焊接工藝各具特色，特別是更有采用專用藥芯焊絲填充TIG打底的新工藝，將該鋼種的焊接工藝推向一個新的階段。焊接工藝技術的進步和發展，改善了接頭的使用性能，促進了新鋼種及其工藝的應用；而新鋼種焊接工藝應用的更高需求，則推動了工藝技術的更快發展。
目前，與世界上主要的工業發達國家相比，我同在T91／P91鋼種研發和焊接工藝配套方面尚存在一定差距，對該鋼種工藝適應性及其評價還要進行大量工作。期望在不太氐的時問內，與之匹配的新型專用焊接材料及其工藝開發，以及接頭高溫蠕變特性、組織變化、失效機理及異種鋼焊接性等方面的研究，能夠取得更有價值的創新成果。
六、結語
(1)T91／P91鋼是一種改良型的9Cr—1Mo鋼，這一新型鋼種以其一系列優良的使用性能，在高參數火力發電機組高溫管道上獲得了廣泛的應用。
(2)T91／P91鋼焊接性的主要問題是冷裂紋敏感性較強，以及一定的熱裂紋傾向，同時也不可忽視接頭性：能的弱化(焊縫區韌性惡化和熱影響區的軟化)。合理的焊接工藝是控制和改善該鋼焊接性的重要技術于段。
(3)焊接方法和焊接材料確定以后，獲得優質接頭的關工藝措施是焊前預熱、控制層溫，以及“及時有效”的焊后熱處理等工藝。
(4)不同的接頭組合類型(同種鋼或異種鋼)，不同規格尺寸的T91／P91鋼管焊接，其匹配的焊接工藝各具特色。采用專用藥芯焊絲填充TIG打底的新工藝，將該鋼種的焊接工藝推向了一個新的發展階段。
