Сварка стали P91: почему дисциплина соблюдения процедуры — это вся работа

Что такое P91 — и что идёт не так

P91 (EN 1.4903, ASTM A335 P91 / A213 T91) — это модифицированная ферритная сталь с 9% хрома и повышенной жаропрочностью, используемая для главных паропроводов и коллекторов, как правило, в эксплуатации примерно до 600 °C. Её прочность обеспечивается структурой отпущенного мартенсита, стабилизированной карбонитридами ванадия и ниобия, — структурой, создаваемой точным термическим циклом и разрушаемой небрежным циклом.

Характерным разрушением является растрескивание типа IV: разрушение от ползучести в мелкозернистой, межкритически нагретой части зоны термического влияния (ЗТВ), спустя годы эксплуатации, в сварном шве, который в день изготовления прошёл все обычные проверки. Почти каждый случай преждевременного разрушения P91 в отрасли связан с упрощением при изготовлении — пропущенной или неправильной PWHT, чрезмерным тепловложением или потерей контроля температуры. Именно поэтому работы с P91 выполняются по письменным, аттестованным процедурам (как правило, по ASME IX с дополнениями, специфичными для проекта) с записью температур.

Термический цикл

1. Предварительный подогрев примерно до 200–250 °C перед любым зажиганием дуги, включая прихватки, и его поддержание.
2. Температура между проходами удерживается в пределах аттестованного диапазона — обычно ограничивается примерно 300–350 °C. Остановитесь и дайте соединению остыть обратно в диапазон, а не продолжайте работу.
3. Тепловложение поддерживается от низкого до умеренного (часто ~1.0–2.5 kJ/mm в зависимости от процесса и толщины) при стрингерной технике — широкие поперечные колебания увеличивают межкритическую ЗТВ.
4. Охлаждение после сварки: соединение должно остыть ниже примерно 100 °C (часто до комнатной температуры) перед PWHT, чтобы мартенситное превращение завершилось. Помещение ещё тёплого соединения в печь в спешке оставляет непревращённый аустенит, который позже становится неотпущенным мартенситом.
5. PWHT обязательна, а не необязательна: как правило, около 750–770 °C, с выдержкой в соответствии с применимым кодексом (таблицы ASME B31.1 / EN 13480, время выдержки увеличивается с толщиной). К соединению прикрепляются термопары, а цикл записывается на диаграмме.

Контроль присадочного материала и химического состава

Используйте соответствующие присадочные материалы 9CrMoV (например, классов E9015-B91 / ER90S-B9). Суммарное содержание никеля и марганца в наплавленном металле контролируется, поскольку избыток (Ni+Mn) снижает температуру превращения и может оставить металл шва не полностью превращённым при обычных температурах PWHT — соединение выглядит правильным, но таковым не является. Сварочные материалы закупаются, хранятся и выдаются с той же дисциплиной, что и процедура.

Проверка

• Измерение твёрдости металла шва и ЗТВ после PWHT является стандартной практикой приёмки: значения, как ожидается, находятся в диапазоне около 200–270 HB/HV в соответствии со спецификацией проекта. Твёрдость значительно выше диапазона означает, что соединение было недостаточно отпущено (проверьте PWHT); значительно ниже означает переотпуск или неправильный присадочный материал.
• Ошибочная идентификация представляет реальную опасность: P91, P9, P22 и углеродистая сталь выглядят одинаково. Позитивная идентификация материала (PMI) основного металла и присадочного материала перед сваркой является обычной практикой на энергетических объектах.

Почему упрощения приводят к разрушению

Каждый этап выше защищает одно и то же — структуру выделений, которая придаёт P91 её ресурс ползучести. Пропустите охлаждение ниже 100 °C, и PWHT будет отпускать структуру, которая никогда полностью не сформировалась; превысьте температуру PWHT, и выделения огрубятся; дайте температуре между проходами подняться слишком высоко, и межкритическая зона расширится. Ничего из этого не проявляется на радиографии. Это проявляется годы спустя в виде трещин типа IV — именно поэтому при работе с P91 документы и диаграммы термопар являются не бюрократией, а фактическим документом о качестве.