T91合金无缝钢管

2.1　合金化原理

T91钢是美国国立像树岭实验室和美国燃烧工程公司冶金材料实验室合作研制的新型马氏体耐热钢。它是在9Cr1MoV钢的基础上降低含碳量，严格限制硫、磷的含量，添加少量的钒、铌元素进行合金化。根据ASTM213/A213M-85C,T91钢的化学成份见表1。

与T91钢对应的德国钢号为X10CrMoVNNb91，日本钢号为HCM95，法国则为TUZ10CDVNb0901。

表1　T91钢的化学成份%

元素 含量

C 0.08-0.12

Mn 0.30-0.60

P ≤0.02

S ≤0.01

Si 0.20-0.50

Cr 8.00-9.50

Mo 0.85-1.05

V 0.18-0.25

Nb 0.06-0.10

N 0.03-0.07

Ni ≤0.40

T91钢中各合金元素分别起到固溶强化、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T91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。T91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。

②T91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，T91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，T91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。T91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。

2.2　热处理工艺

T91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。

2.3　机械性能

T91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。

2.4　焊接性能

按照国际焊接学会推荐的碳当量公式算得T91的碳当量为 2.17%

可见T91的焊接性较差。

3　T91焊接时存在的问题

3.1　热影响区淬硬组织的产生

从图1可以看出，T91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，T91的淬硬和冷裂倾向很大。

图1　T91钢的连续冷却曲线

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T91焊接接头内部应力很大。

对于T91，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。

3.2　热影响区晶粒长大

焊接热循环对焊接头热影响区的晶粒长大有重大的影响，特别是紧邻加热温度达到最高的熔合区。当冷却速度较小时，在焊接热影响区会出现粗大的块状铁素体和碳化物组织，使钢材的塑性明显下降；冷却速度大时，由于产生了粗大的马氏体组织，也会使焊接接头塑性下降。

3.3　软化层的产生

T91钢在调质状态下焊接，热影响区产生软化层不可避免，而且比珠光体耐热钢的软化更为严重。当用加热和冷却速度均较缓慢的规范时，软化程度较大。另外，软化层的宽度和它离熔合线的距离，不仅与焊接的加热条件及特点有关，还与预热、焊后热处理等有关。哈尔滨锅炉厂曾做过试验得出T91焊接热影响区硬度曲线，见图2。

图2　T91焊接热影响区硬度曲线

①730℃回火；②750℃回火

由图2可以看出，T91钢焊缝热影响区产生的软化现象比较严重，而且接头的回火温度越高，软化程度越严重，接头强度利用系数大大下降。

3.4　应力腐蚀裂纹

T91钢在焊后热处理之前，冷却温度一般不低于100℃，如果在室温下冷却，而环境又比较潮湿时，容易出现应力腐蚀裂纹。德国规定：在焊后热处理之前必须冷却至150℃以下。在工件较厚、有角焊缝存在及几何尺寸不好的情况下，冷却温度不低于100℃。如果在室温下冷却，严禁潮湿，否则容易产生应力腐蚀裂纹。

4　T91钢的焊接工艺

4.1　预热温度的选择

T91钢的Ms点约为400℃，预热温度一般选在200～250℃。预热温度不能太高，否则接头冷却速度降低，可能在焊接接头中引起晶界处碳化物析出和形成铁素体组织，从而大大降低该钢材焊接接头在室温时的冲击韧性。预热温度的下限从哈尔滨锅炉厂所做过的插销试验可得到很好的说明。

插销试棒采用T91钢，直径8 mm,深0.5 mm，底板采用13CrMo钢，厚20 mm，试验在不预热、预热150℃、预热200℃、预热250℃条件下进行。焊条采用J707。焊接电流为165～170 A，电弧电压为21～267 V，试验结果如表2所示。

表2　T91插销试验结果

试验

条件 试样

号 应力水平

/MPa 断裂时间

/min

不预热 1 303.8 9 9

2 186 8 237

3 176.4 8.3 1440未断

预热150℃ 4 421.4 8.1 1260

5 354.8 　 120未断

预热200℃ 6 465.2 8.6 1440未断

7 482.7 8.1 438

8 539 7.9 313

预热250℃ 9 539 8.2 1440未断

10 600 8.0 1440未断

由上述试验结果知，在不预热条件下，T91钢焊接接头的临界应力为176.4 MPa；预热150℃时，临界应力为354.8 MPa，为T91钢常温屈服极限415 MPa的85.4%；预热200℃以上时，临界应力大于460 MPa，超过了T91钢常温屈服极限。由此，为避免T91钢焊接时产生冷裂纹，预热温度必须不低于200℃，德国规定预热温度为180～250℃，美国CE公司规定预热温度为120～205℃。

4.2　层间温度的选择

层间温度不得低于预热温度下限，但如同预热温度的选取一样，层间温度也不能过高。T91焊接时层间温度一般控制在200～300℃。法国规定：层间温度不超过300℃。美国规定：层间温度可位于170～230℃之间。

4.3　焊后热处理起始温度的选择

T91要求焊后冷却到低于Ms点以下并保持一定时间再进行回火处理，焊后冷却速度为80～100℃/h。如果未经保温，接头的奥氏体组织可能没有完全转变，回火加热会促使碳化物沿奥氏体晶界沉淀，这样的组织很脆。但是T91焊后也不允许冷却到室温再进行回火，因为其焊接接头冷却到室温时就有产生冷裂纹的危险。对于T91来说，最佳起始温度为100～150℃，并保温1h，可基本确保组织转变完毕。

4.4　回火温度、恒温时间、回火冷却速度的选择

T91钢冷裂倾向较大，在一定条件下，容易产生延迟裂纹，故焊接接头必须在焊后24 h内进行回火处理。T91焊后状态的组织为板条状马氏体，经过回火可变为回火马氏体，其性能较板条状马氏体优越。回火温度偏低时，回火效果不明显，焊缝金属容易时效而脆化；回火温度过高(超过AC1线)，接头又可能再次奥氏体化，并在随后的冷却过程中重新淬硬。同时，如本文在前面所述，回火温度的确定还要考虑接头软化层的影响。一般而言，T91回火温度为730～780℃。

T91焊后回火恒温时间不少于1 h，才能保证其组织完全转变为回火马氏体。

为了降低T91钢焊接接头的残余应力，必须控制其冷却速度小于5 ℃/min。T91钢的焊接工艺可用图3表示。

图3　T91钢焊接工艺

①预热200～250 ℃；②焊接，层间温度200～300 ℃；③焊后冷却，速度为 80～100 ℃/h；④100～150 ℃保温1 h；⑤730～780 ℃回火1 h；⑥以不大于5 ℃/min速度冷却

5　T91钢在广东省内火电厂应用实例

广东省电力局第一焊接培训中心曾作过Φ42 mm×5mm的T91小径管对接的焊接工艺评定。采取的预热温度为200℃，焊后冷却到150℃，保温1h后进行回火，回火温度为750～780℃，保温1h，升降温速度均小于5℃/min。焊后对试样进行外观检查、断口检查、无损检测、拉伸和弯曲试验，结果均合格，这也说明上述焊接工艺是行之有效的。

上述焊接工艺已成功应用在沙角A厂、梅州市梅县区电厂高温再热器外圈。T91钢在这些电厂应用后，由于超温等造成的事故频率大大降低。

6　结论

①T91钢靠合金化原理，尤其是添加了少量铌、钒等微量元素，高温强度、抗氧化性较12 Cr1MoV钢有较大的提高，但其焊接性能较差。

②插销试验表明，T91钢有较大冷裂倾向，选取预热200～250 ℃，层间温度200～300 ℃，可有效防止冷裂纹产生。

③T91焊后热处理前，必须冷却至100～150 ℃，保温1 h；回火温度730～780 ℃，保温时间不少于1 h。

④以上焊接工艺已应用于200 MW、300MW 锅炉制造生产实践中，取得满意效果，并获得较大的经济效益。

根据ASTM213/A213M-85C,T91钢的化学成份见表1。

与T91钢对应的德国钢号为X10CrMoVNNb91，日本钢号为HCM95，法国则为TUZ10CDVNb0901。

表1 T91钢的化学成份%

元素 含量

S ≤0.01

Si 0.20-0.50

Cr 8.00-9.50

Mo 0.85-1.05

V 0.18-0.25

Nb 0.06-0.10

N 0.03-0.07

Ni ≤0.40

T91钢中各合金元素分别起到固溶强化、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T91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。T91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。

②T91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，T91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，T91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。T91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。

2.2 热处理工艺

T91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。

2.3 机械性能

T91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。

2.4 焊接性能

按照国际焊接学会推荐的碳当量公式算得T91的碳当量为

可见T91的焊接性较差。

3 T91焊接时存在的问题

3.1 热影响区淬硬组织的产生

从图1可以看出，T91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，T91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T91焊接接头内部应力很大。

对于T91，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。

3.2 热影响区晶粒长大

焊接热循环对焊接头热影响区的晶粒长大有重大的影响，特别是紧邻加热温度达到最高的熔合区。当冷却速度较小时，在焊接热影响区会出现粗大的块状铁素体和碳化物组织，使钢材的塑性明显下降；冷却速度大时，由于产生了粗大的马氏体组织，也会使焊接接头塑性下降。

3.3 软化层的产生

T91钢在调质状态下焊接，热影响区产生软化层不可避免，而且比珠光体耐热钢的软化更为严重。当用加热和冷却速度均较缓慢的规范时，软化程度较大。另外，软化层的宽度和它离熔合线的距离，不仅与焊接的加热条件及特点有关，还与预热、焊后热处理等有关。哈尔滨锅炉厂曾做过试验得出T91焊接热影响区硬度曲线，见图2。

3.4 应力腐蚀裂纹

T91钢在焊后热处理之前，冷却温度一般不低于100℃，如果在室温下冷却，而环境又比较潮湿时，容易出现应力腐蚀裂纹。德国规定：在焊后热处理之前必须冷却至150℃以下。在工件较厚、有角焊缝存在及几何尺寸不好的情况下，冷却温度不低于100℃。如果在室温下冷却，严禁潮湿，否则容易产生应力腐蚀裂纹。

4 T91钢的焊接工艺

4.1 预热温度的选择

T91钢的Ms点约为400℃，预热温度一般选在200～250℃。预热温度不能太高，否则接头冷却速度降低，可能在焊接接头中引起晶界处碳化物析出和形成铁素体组织，从而大大降低该钢材焊接接头在室温时的冲击韧性。预热温度的下限从哈尔滨锅炉厂所做过的插销试验可得到很好的说明。

插销试棒采用T91钢，直径8 mm,深0.5 mm，底板采用13CrMo钢，厚20 mm，试验在不预热、预热150℃、预热200℃、预热250℃条件下进行。焊条采用J707。焊接电流为165～170 A，电弧电压为21～267 V，试验结果如表2所示。

表2 T91插销试验结果