耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀之“无锡P91厚壁合金管”
P91合金钢管中各合金元素作用 :分别起到固溶强化、弥散强化和提高钢的抗氧化性、抗腐蚀性能,具体分析如下。
①碳是钢中固溶强化作用最明显的元素,随含碳量的增加,钢的短时强度上升,塑性、韧性下降,对P91这类马氏体钢而言,含碳量的上升会加快碳化物球化和聚集速度,加速合金元素的再分配,降低钢的焊接性、耐蚀性和抗氧化性,故耐热钢一般都希望降低含碳量,但含碳太低,钢的强度将降低。P91钢与12Cr1MoV钢相比,含碳量降低20%,这是综合考虑上述因素的影响而决定的。②P91钢中含微量氮,氮的作用体现在两个方面。一方面起固溶强化作用,常温下氮在钢中的溶解度很小,P91钢焊后热影响区在焊接加热和焊后热处理过程中,将先后出现VN的固溶和析出过程:焊接加热时热影响区内已形成的奥氏体组织由于VN的溶入,氮含量增加,此后常温组织中的过饱和程度提高,在随后的焊后热处理中有细小的VN析出,这增加了组织稳定性,提高了热影响区的持久强度值。另一方面,P91钢中还含有少量A1,氮能与其形成A1N,A1N在1 100℃以上才大量溶入基体,在较低温度下又重新析出,能起到较好的弥散强化效果。
③加入铬主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力,含铬量小于5%时,600℃开始剧烈氧化,而含铬量达5%时就具有良好的抗氧化性。12Cr1MoV钢在580℃以下具有良好的抗氧化性,腐蚀深度为0.05 mm/a,600℃时性能开始变差,腐蚀深度为0.13 mm/a。P91含铬量提高到9%左右,使用温度能达到650℃,主要措施就是使基体中溶有更多的铬。④钒与铌都是强碳化物形成元素,加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物,有很强的弥散强化效果。⑤加入钼主要是为了提高钢的热强性,起到固溶强化的作用。
P91厚壁合金管
108×4.5-5-10-12-14-18-20-22
114×4.5-5--12-14-18-20
121×4.5-5--12-14-16-20
127×4.5-5-10-12-14-16-20
133×4.5--14-16-18-20-25-30
140×5-6-7-12-14-16-20-22
146×4.5-6-16-18-20-25-30
152×4.5-6--16-18-20-25-30
159×4.5-6—14-16-22-25-30
168×8-14-20-25-30-35
180×8-25-30-38-40-45-50
194×6-20-25-30-40-45-50
203×6-15-20-25-30-32-45-50
219×6-8-18-20-25-30-50-55-65-70
热处理工艺
P91的最终热处理为正火+高温回火,正火温度为1040℃,保温时间不少于10 min,回火温度为730~780℃,保温时间不少于1h,最终热处理后的组织为回火马氏体。
机械性能
P91钢的常温抗拉强度≥585 MPa,常温屈服强度≥415 MPa,硬度≤250 HB,伸长率(50 mm标距的标准圆形试样)≥20%,许用应力值[σ]650℃=30 MPa。焊接性能
按照国际焊接学会推荐的碳当量公式算得P91的碳当量为
可见P91的焊接性较差。
3 P91焊接时存在的问题
3.1 热影响区淬硬组织的产生
P91的临界冷却速度低,奥氏体稳定性很大,冷却时不易发生正常的珠光体转变,从而冷却到较低温度时发生了马氏体转变。正由于此,P91的淬硬和冷裂倾向很大。
由于热影响区的各种组织具有不同的密度、膨胀系数和不同的晶格形式,在加热和冷却过程中必然会伴有不同的体积膨胀和收缩;另一方面,由于焊接加热具有不均匀和温度高的特点,故而P91焊接接头内部应力很大。对于P91,奥氏体十分稳定,要冷却到较低温度(约400℃)才能变为马氏体。粗大的马氏体组织脆而硬,接头又处在复杂应力状态下。同时,焊缝冷却过程中氢由焊缝向近缝区扩散,氢的存在促使了马氏体脆化,其综合作用的结果,很容易在淬硬区产生冷裂纹。
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