温度冷却到室温，在比较宽的冷却速度范围，奥氏体组织完全转化为马氏体组织；SA-335P91钢的晶粒度随着冷却时间的增加，晶粒度越来越大。马氏体的最大硬度小于213HV（若真如此，马氏体硬度就不大了，重新查一下）。马氏体的开始转变温度Ms大约在400℃左右、马氏体准转变结束点Mf为100℃左右。

图3-3 SA-335P91钢连续冷却组织转变图（CCT）

3.2使用焊接性

3.2.1持久强度下降（使用寿命下降）

由于SA-335P91马氏体耐热钢长时间在高温服役,不同于常温条件下工作，在高温同时有蠕变和疲劳破坏。蠕变破坏是一种低塑性断裂，其断裂时的塑性变形小，往往为脆性断裂[6]。在实际生产过程中P91钢使用寿命比通过做实验所得到的使用寿命小，从而使用寿命出现下降。因此当我你们设计SA-335P91马氏体耐热钢的使用寿命时，要高于实验所得的寿命才行，这样才能满足要求。高温工作时，由于内外壁温不同，造成内外热应力不同；且由于锅炉频繁启动和停止、运行参数的波动也会带来应力变化。由于这些原因就可能造成SA-335P91疲劳，由疲劳破坏也会使使用寿命下降。

3.2.2 IV裂纹

IV裂纹主要出现在焊接热影响区细晶区，是一种蠕变开裂，多发生在9%～12%Cr高等级耐热钢中，对一些在高温服役的厚壁管道更加容易出现IV裂纹[10]。

IV裂纹的产生原因在于P91的显微组织和应力状态，裂纹的全貌周围蠕变空洞和蠕变小裂纹形貌加下面图3-4。

从图3-4可以看出其裂纹中间宽，两边窄，其周围有密集蠕变孔洞及蠕变小裂纹，这就是IV裂纹的典型特征[11]。

IV裂纹的开裂与冶金因素有关，这是因为在焊接热循环作用下，晶粒再结晶形成的。由于焊接热循环中温度升高快，焊件被迅速加热到Ac3以上，在快速的升温过程中碳化物未能溶解，当再进行后热处理时，这些未能溶解碳化物晶粒长大，从而发生晶粒粗化。同时蠕变前的高密度位错在发生蠕变后全部消失，这样就导致了组织软化。

。

（a）低倍金相照片

[11]

（b）背散射电子像

[11]

图3-4 裂纹的全貌周围蠕变空洞和蠕变小裂纹形貌

4 SA-335P91钢焊接工艺

本实验所用的SA-335P91马氏体耐热钢规格为φ508×45mm,从而根据这个规格P91的焊接工艺。

4.1焊接方法

焊接方法采用钨极氩弧焊(TIG)+焊条电弧焊（SMAAW）,但是不采用埋弧焊，因为SA-335P91管道的规格为φ508×45，厚度比较大，不适宜采用填充量大的埋弧焊进行焊接，因为焊接热输入大，焊后在高温的时间停留较长，就会使奥氏体晶粒发生粗大，在冷却过程中只会得到粗大的马氏体，这样会对管道的焊接接头整体的力学性能。对于这种厚度较厚，采用多层多道焊，采用钨极氩弧焊进行打底，因为这样线能量较低，不会焊穿，剩余的采用手工焊条电弧焊进行填充，这样的焊接方法才会使焊接接头有较好整体性能。

4.2 焊前准备

（1）SA-335P91管道的下料。由于SA-335P91马氏体钢的铬含量较高，当采用火焰切割时钢的表面就会形成难熔而且粘度大的铬氧化膜，不容易切割，因而需要采用机械方法进行切割，可以采用等离子切割机进行切割，当要留3～5mm加工余量，这样切料完成后就可以将其硬化层清除掉[12]。

（2）破口加工。

SA-335P91管道采用单面U型焊接坡口, 采用单面破口是因为所焊焊件为管子，采用双面焊很难，且不方便操作，综合各种原因选择单面坡口。采用U型是因为管壁厚为45mm，厚度较大，采用这样的坡口形式更为容易焊透，而且可以减少熔敷金属填充量，其具体的坡口设计见(图4-1)

图4-1 U型坡口设计

（3）焊前清理。在焊接之前要将坡口内外的两侧20mm内的区域表面进行加工，清

除破口附近的油污及铁锈，同时也要注意在打磨的时候不能损坏坡口角度及钝边的尺寸，这样会给将来的焊接造成一定的困难。

（4）焊接电源的选择

焊接电源：电源采用直流电，钨极氩弧焊焊接时采用正接法，焊条电弧焊时采用反接法。

4.3焊接材料

焊接材料的选用应该选用与母材化学成分相近的材料，即具有耐高温强度及耐腐蚀的焊接材料。同时应该对焊条进行烘干，因为焊接材料在空气中长时间放置会吸潮，这样一来会使氢的含量增加，影响焊接工艺，因而焊条需要进行烘干。SA-335P91马氏体钢在高温长时间服役有一定好处，保证焊缝熔敷金属高温的蠕变性能等，这是选择焊接材料时所必须要注意的。其焊接所需的钢管为日本住友金属提供的SA一335P91钢。

SA-335P91马氏体钢管道所以用焊材来源于两个国家（美国和德国），焊条为美国的E9015-B9，焊丝为德国的SG-10CrMoVNb91[12]。具体焊接材料的产品类型、美国ASME/AWSASME/AWS和欧洲BS-ENBS-EN标准如表4-1。

表4-1 SA-335P91钢焊接所用的焊接材料

产品类型 TIG焊丝 手工电弧焊条

AWS and BS EN SG-10CrMoVN E9015-B9

美国生产的E9015-B9焊条为碱性焊条氢气含量小于4ml/100g；一般的含氢量为2～3ml/100g，属低氢型的碱性焊条，但是不管属于什么类型的焊条都要进行烘干，而且烘干之后还得在保温箱内100～150℃[11]进行保温储存，这样便于在焊接时更加方便使用。

SA-335P91钢焊接所用的焊接材料（TIG焊丝和手工电弧焊条）的化学成分（质量分数）见下面表4-2。

表4-2 SA-335P91钢焊接所用的焊接材料化学成分

[2]

元素 焊丝 焊条 元素 焊丝 焊条

C 0.75 0.10 Mo 0.91 1.05

Si 0.22 0.24 V 0.22 0.02

Mn 0.32 0.62 N 0.036 0.04

P 0.005 0.009 Al 0.005 0.007

S 0.006 0.006 Nb 0.05 0.05

Cr 8.72 9.03 Cu 0.04

Ni 0.71 0.73

从上表中可知所用焊条及焊丝所含的合金元素种类和合金含量质量分数，有一个共同的特点就是焊材中铬含量基本上和SA-335P91马氏体钢中所含铬含量差不多，而且都是高合金，合金成分高达百分之十以上，这是为了时焊缝与母材有着相近或者相同的力学性能。