淺談對P91材質的理解和正確正回火改善熱處理硬度

冷紫陽

摘要：P91材質是高強度耐熱合金鋼，石化行業主要用于超高壓蒸汽管線。P91焊后硬度高、易裂紋，熱處理不當會出現硬度偏低、性能不足情況，影響裝置運行安全。本文通過理解P91材質特性、對性能（硬度）影響因素，總結了P91施工的一些見解：通過正確重新正回火工藝可以補救硬度偏低，實際效果良好。

關鍵詞：P91材質，高溫回火，硬度

P91材質高溫綜合性能良好，原主要用于電廠亞臨界和超臨界蒸汽管線系統。隨著石化行業發展，P91材質也越來越多用于石化系統，在本項目—3#乙烯裝置中，P91主要用于超高壓蒸汽（ss）管道，設計壓力13.5MPa、設計溫度545℃;項目P91材質現場管道焊口總量1400道，吋口總量約18000達因。

但P91的施工工藝復雜，部分施工單位對其掌握不夠透徹，或直接按普通低合金鋼材質施工，造成焊接接頭質量缺陷，甚至大的質量和安全事故。

理解P91的組織特性和性能影響因素，才能更好正確理解工藝，才能控制工程質量。

1.P91材質簡介

P91是一種650℃下熱強性和熱穩定性兼具的熱強鋼，與P22相比強度高，同條件下壁厚僅需一半;與奧氏體鋼相比熱導性好、抗蠕變和抗疲勞能力大。因此，P91鋼在石化裝置的高溫爐管、聯箱、蒸汽管線等處都有較多應用。

P91材質能有良好的高溫性能，靠的是均衡的化學成分和合適的微觀組織。

a.P91合金元素

P91材質相當于國標10Cr9Mo1VNbN（GB5310），其中：

i） Cr能提高材料抗氧化和耐腐蝕能力，有很好的固溶強化和沉淀強化作用;

ii） Mo是馬氏體基體最重要固溶強化元素，能提高蠕變強度、增加韌性;

iii） V、Nb使固溶體進一步強化和穩定;細小彌散的碳化物、氮化物沉淀，能阻止晶粒長大、阻止位錯運動、改善蠕變性能;

b.P91金相組織

P91材質典型組織為回火馬氏體組織。

P91含大量Cr、Mo元素，通過正火可獲得板條束尺寸合適的馬氏體;再通過高溫回火，使馬氏體適當多邊形回復，原始板條碎化成亞晶、位錯網結構，邊界碳化物析出沉淀，得到合適的回火馬氏體組織。

回火馬氏體組織既有馬氏體的強化效果，又得益亞穩態結構，沉淀強化、位錯強化、彌散強化等強化效果明顯，使P91材料在高溫下有優良綜合性能。

2.P91硬度要求

對P91的合理硬度，標準規定：

GB 50517-2010《石化金屬管道工程施工質量驗收規范》，7.4.4條要求≤241HB;

ASME A335-2017《高溫用無縫鐵素體合金鋼公稱管》，9.3條要求190～250HB;

電建DLT 869-2012《火力發電廠焊接技術規程》，附錄F3.3要求熱處理的焊縫硬度180HB～241HB;7.3.3要求焊縫硬度不應低于母材硬度的90%;

浙石化業主工程規范，對P91焊接接頭的要求190～300HB;

結合特檢院監檢經驗，對P91焊接接頭硬度要求在190HB～250HB為合格。

3.焊接接頭硬度不合格分析

P91高溫性能好，但焊后硬度高、冷卻相變易產生裂紋，需要及時熱處理;而熱處理不慎會造成焊接接頭硬度過低，降低管材的性能。

總結同行資料和工廠經驗，熱處理過程對P91的主要影響如下：

a.正火階段，為得到板條束尺寸合理的淬火態馬氏體;

程度不夠，則材料統一奧氏體細化不充分，不利形成板條束合適的馬氏體;

程度過度，則金相中會產生塊狀鐵素體組織，使硬度下降;

b.回火階段，為得到合適的回火馬氏體組織;

程度不夠，則高溫回復板條碎化不明顯，組織不能完全轉變為回火馬氏體;

程度過度，則板條特征消失，亞晶過度長大，合金元素碳化物析出偏聚，鐵素體長成塊狀組織;使硬度、塑性、強度明顯降低;

回火溫度過高（超過Ac1），則接頭再次奧氏體化。

因此，P91硬度偏低一般是熱處理過程正火回火過度，使內部組織出現大量鐵素體，失去了原組織的各種強化效果。

現場P91工藝管道一般口徑大、壁厚大，多采用手工電弧方式焊接，現場質保體系不如工廠，焊接線能量、層間溫度容易失控，焊接接頭容易過熱;熱處理多采用電阻帶包裹式加熱，操作中容易出現如熱偶布置不當、加熱帶未牢固固定有空鼓、保溫棉厚度不足、設備故障等情況，導致各點溫度差過大、局部超溫高于工藝要求上限，出現回火過度甚至局部過熱過燒，造成硬度不合格。

部分規范對熱處理溫度要求如下：

ASME SA213《無縫鐵素體和奧氏體合金鋼鍋爐、過熱器和熱交換器管》：正火溫度≥1040℃、回火溫度≥730℃;

GB5310《高壓鍋爐用無縫鋼管》：正火溫度1040～1080℃，保溫時間1.5～2.5min/mm，回火溫度750～780℃，保溫時間2H以上。

4、正回火熱處理工藝

預制階段出現158道集氣管角焊縫和19道對接焊縫出現硬度偏低情況，參見DL/T869-2012第6.6.4條 “因溫度過高導致焊接接頭部位材料過熱的焊口，應進行正火熱處理，或割掉重新焊接”。

P91焊口成本高，若割掉重新焊接，會造成較大經濟損失和工期損失。經咨詢行業內專家，重新正確正火+回火處理補救硬度偏低的預焊件焊口較為合適：

a.熱處理設備

使用合作供貨單位-江蘇龍山管件有限公司的加熱爐進行試驗

設備名稱：箱式電阻爐

型 號：RT-1200

設備參數：爐膛尺寸：6000*2500*2200

最高溫度：1200℃

功 率：1200KW

b.正火熱處理工藝

升溫：300℃以下不控制，300℃以上按不大于250℃/h繼續加熱至恒溫溫度;

正火溫度 ：1060±10℃;

正火保溫時間：60～90±10 分鐘（>1.8min/mm，最少60min）;

爐外風扇空冷速率：1060～800℃，>40℃/min;800～400℃，>10℃/min;

c.回火熱處理工藝

升溫：爐溫≤ 250℃進爐，升溫至350℃以上，按不大于220℃/h繼續加熱至恒溫溫度;

回火溫度：760±10℃

回火保溫時間：150 分鐘（>2.4min/mm，最少60min）

冷卻速率：當工件溫度>350℃時，降溫速率<270℃/小時;

d.正火+回火熱處理過程曲線

e.硬度檢驗、金相檢測

將焊接接頭試樣按焊縫圓周四等分取四個部位，每個部位至少檢測5個測試點（包括焊縫、影響區、母材），每個測點檢測至少測 3 下，結果取平均值。

熱處理操作前后，對相同部位的硬度分別進行檢測，并做好記錄。

對同一爐批次的工件，抽檢1-2件進行金相檢測。

5、正回火熱處理結果

a. 正回火熱處理前后硬度比對

經過正回火熱處理，原硬度偏低的管道焊接接頭，硬度值恢復到合格范圍，部分大口徑焊縫硬度值非常理想，幾近于新母材;摘錄見下表：

b. 金相結果

重新熱處理前，對硬度低的接頭金相檢測為：馬氏體+珠光體+鐵素體;

正回火處理后，金相檢測為：100%回火馬氏體典型組織，符合P91材質要求。

c.力學性能檢驗

P91材質室溫抗拉強度要求大于585MPa。

正回火處理后性能檢驗：室溫抗拉強度656MPa，550℃抗拉強度400MPa。詳見下表：

結論

項目初期出現部分焊縫結構的硬度偏低，主要是熱處理失當。按以上工藝曲線重新正火+高溫回火熱處理后，所測硬度完全符合技術規范要求;一方面避免了損失，也為后續現場P91材質管道正確熱處理積累了經驗。

參考文獻：

1、《石油化工金屬管道工程施工質量驗收規范》 GB50517-2010

2、《火力發電廠焊接技術規程》DL/T869-2012

3、《石油化工鋼制管道焊接熱處理規范》SH/T3554-2013

4、《P91鋼的性能與組織結構研究》鄭準備，張兵，王小迎.

5、《P91管道焊接的體會》王偉躍.

6、《P91材料硬度低的處理方案及建議》汪建光.

7、《P91鋼管硬度低的原因分析及對性能的影響》王寶臣，田旭海，梁軍

8、《P91鋼管道硬度低的分析及處理》陳軍

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