一、 導論:P91材料的應用背景與熱處理的關鍵性
1.1 ASTM A335 P91 材料簡介與關鍵特性
ASTM A335 P91 級合金鋼管線,是一種改良型 9Cr-1Mo 馬氏體耐熱鋼,憑藉其卓越的高溫強度、抗氧化性和抗蠕變性能,被廣泛應用於高壓電力行業的超臨界鍋爐、熱回收蒸汽發生器(HRSG)以及高溫蒸汽管線等關鍵組件中 1。P91材料的最高推薦操作溫度約為 650°C,其在超過 620°C 的溫度下,其許用應力仍高於傳統的奧氏體不銹鋼,這使其成為提升電廠效率的關鍵材料 2。
P91材料的微觀結構和機械性能,完全依賴於其製造過程中的標準熱處理程序,即「正火與回火」(Normalize and Temper)處理 4。正火是將材料加熱至 1040°C – 1080°C 的奧氏體化溫度,隨後進行空冷,形成高硬度的板條馬氏體結構。回火(或稱亞臨界退火)則在 730°C – 800°C 範圍內進行,目的是將此硬而脆的馬氏體轉變為穩定的回火馬氏體組織,並促進 MX 型碳氮化物(M=V/Nb, X= C/N)的彌散析出,這是P91抗蠕變性能的根本保障 4。因此,任何後續的冷加工或銲接操作,都必須透過精確的熱處理來恢復或保持這種關鍵的回火馬氏體結構。
1.2 冷彎成形與消除應力熱處理的必要性
在管線製造與安裝過程中,為了適應複雜的佈局,P91 管線經常需要進行冷彎成形。冷彎操作本質上是一種塑性變形過程,會導致材料內部產生顯著的應變硬化,並在彎曲的內弧和外弧區域引入高幅值的殘餘應力場 6。這些殘餘應力場可能在局部達到材料的屈服強度。在沒有外部約束的情況下,殘餘應力會隨著溫度的變化而累積和演變 6。
對於 P91 這種具有高敏感性的馬氏體鋼而言,冷彎後的消除應力熱處理(Stress Relief Heat Treatment, SRHT)並非可選項,而是強制性的程序。若冷彎後未立即執行有效的熱處理,高應力和應變硬化區域將會保留未回火馬氏體或高度應變的組織,導致結構脆性增加,硬度超標,並形成應力集中點 7。這些結構缺陷會極大地提高組件在服役或甚至在停放期間發生應力腐蝕裂紋(Stress Corrosion Cracking, SCC)的風險 1。因此,本報告將專注於使用感應加熱(Induction Heating, IH)技術,提供一套精確、高效的作業程序,以確保冷彎後P91材料性能的完全恢復。
二、 P91冷彎後的殘餘應力機制與潛在失效模式分析
2.1 冷彎殘餘應力的產生與量值評估
冷彎過程涉及管線材料在彎曲機具上經受彈塑性載荷。當外部彎曲力矩被移除時,管線試圖彈性回彈。然而,由於材料的塑性變形,這種回彈受到阻礙,導致內層區域產生壓應力,外層區域產生拉應力,從而形成複雜且高幅度的殘餘應力分佈 6。這種應力分佈受到多重因素的影響,包括管線的直徑、壁厚(壁厚越大,應力梯度越複雜)、彎曲半徑以及冷彎溫度。
儘管冷彎殘餘應力的生成機制與銲接熱循環(特別是考慮到馬氏體相變的特殊應力路徑)不同,但其對結構完整性造成的危害具有相似的高風險性 8。文獻中顯示,電子束(EB)銲接在縱向會產生顯著的殘餘應力,這些應力足以改變材料性能,導致裂紋、變形等不良後果 10。冷彎應力在彎曲區域的峰值往往也達到甚至超過材料的屈服強度。為了確保P91材料的長期可靠性,必須採用實驗測量技術(如 X 射線繞射或鑽孔法)結合熱機械有限元模型(FEM)對殘餘應力分佈進行準確評估和預測,並將其作為 SRHT 效果驗證的基準 8。
2.2 未消除應力 P91 管線的特有風險
1. 應力腐蝕裂紋(SCC)的極高風險
未經消除應力熱處理的 P91 管線,其最大的結構風險是應力腐蝕裂紋(SCC)。SCC的發生需要三個要素:敏感的微觀結構、高局部拉伸應力,以及腐蝕性介質的存在 1。冷彎操作提供了高局部拉伸殘餘應力;未經回火的馬氏體組織則提供了極其敏感的微觀結構。這三要素中的兩項已具備。
更需警惕的是,對於 P91 管線,腐蝕介質的要求極低。研究指出,即使是暴露於潮濕大氣中的冷凝水,也可能在未經熱處理的 P91 表面濃縮足夠的污染物,進而引發 SCC 1。這意味著 SCC 的風險不僅限於管線投入營運後的高溫環境,更可能在製造完成、運輸、或工地安裝停放階段就開始潛伏甚至發展。因此,P91 管線在冷彎後必須立即進行 SRHT,這是保障其整個生命週期結構完整性的基本要求。任何延遲熱處理的行為,都將導致管線暴露於不可接受的失效風險中。
2. 硬度超標與脆性斷裂潛能
冷彎導致的應變硬化與潛在的未回火馬氏體組織會使材料硬度顯著增加。高硬度與材料韌性成反比。如果在殘餘應力區域進行硬度測試,結果通常會遠超設計規範。文獻指出,P91 銲縫區域(或塑性變形區域)若在銲後熱處理後硬度仍高於 300VHN,則表明韌性不足 11。未經消除應力處理的冷彎件,其硬度超標將導致材料在承受熱衝擊或機械載荷時易於發生脆性斷裂 12。因此,SRHT的關鍵冶金目標之一,就是將硬度降至 231VHN – 251VHN 的理想範圍,確保韌性的恢復 13。
3. 蠕變性能的長期影響
P91 管線主要應用於高溫高壓環境,其服役性能以抗蠕變能力為核心。殘餘拉伸應力不僅是短期SCC的誘因,也會成為長期蠕變損傷的起點 1。高殘餘應力會加速晶界處的蠕變空洞生成,使管線更快地積累熱疲勞裂紋和蠕變損傷,從而縮短管線的設計壽命。成功的 SRHT 能夠消除這些初始應力集中點,確保材料在高溫下的持久塑性和熱強性能 3。
三、 消除應力熱處理的冶金目標、規範與臨界溫度控制
3.1 冶金目標:回火馬氏體生成與性能恢復
消除應力熱處理(SRHT)的執行必須達成兩大核心冶金目標:首先,透過熱激活消除內部殘餘應力;其次,將因冷加工或潛在相變而形成的高應變或未回火的馬氏體組織,完全轉變為穩定的回火馬氏體(Tempered Martensite)3。
在 750°C 左右的回火溫度下,材料內部高密度的位錯纏結會發生重新排列和恢復,同時,碳原子會從過飽和的馬氏體中析出,形成 MX 型碳氮化物。這些彌散析出的碳化物(M=V/Nb)對 P91 提供了強大的析出強化作用,這是其優異高溫強度的基礎 5。透過將硬度從高應力狀態下的極高值降至 231VHN 至 251VHN 的合格範圍,SRHT 顯著提高了銲接接頭和冷彎區域的韌性 13。
3.2 ASME/ASTM 法規對 SRHT 參數的嚴格要求
P91 材料(ASME P-No. 5B, Group 2)的消除應力熱處理參數受到嚴格的行業法規控制,以確保材料在高溫下的長期可靠性。
1. 標準溫度範圍與保溫時間
根據行業標準和優化實踐,P91 消除應力熱處理的操作溫度範圍通常設定在 750°C 至 770°C 之間 3。ASME B31.1(動力管線規範)規定,銲後熱處理(PWHT,此處類比於冷彎後 SRHT)的最低溫度範圍為 704°C 至 760C 14。精確的溫度控制是必要的,因為溫度過低會導致應力消除不完全和回火不足;溫度過高則可能導致組織發生不利相變(詳見 3.3 部分)。
保溫時間的設定與管線壁厚密切相關。標準要求保溫時間應不低於 4 小時 7,或根據壁厚計算,例如 5min/mm 7。在實際操作中,常見的建議保溫時間範圍是 3 至 5 小時 3。足夠的保溫時間對於確保熱量完全「浸透」厚壁管線的核心,以及完成馬氏體的完全回火轉變至關重要 15。
2. 升/降溫速率限制
為了控制因熱梯度產生的瞬態熱應力,尤其在加熱和冷卻階段,必須嚴格限制升溫和冷卻速率。行業規範要求,升溫和冷卻速度應控制在 60-100°C/h 的範圍內 3。一些文獻指出,最大升降溫速率不應超過 150C/h 7。緩慢的冷卻是確保殘餘應力不會重新積累的關鍵,特別是在 770°C 降至 300°C 的過程中,必須採用「爐內緩冷」或感應加熱模擬的受控緩冷方式 3。
3.3 臨界溫度上限的化學成分依據與調整
對於 P91 鋼的熱處理,最關鍵的參數控制在於設定最高溫度,以確保不會超過其 Ac1 相變溫度,避免奧氏體化。一旦超過 Ac1 點,材料的微觀結構將會轉變,回火馬氏體組織會被破壞,進而嚴重損害P91賴以維持的高溫蠕變性能和持久強度。
P91的 Ac1 相變溫度並非固定值,它受到合金元素,特別是鎳 (Ni) 和錳 (Mn) 含量的影響。這些元素是奧氏體穩定元素,它們的存在會降低 Ac1 臨界溫度 1。因此,ASME鍋爐及壓力容器規範委員會已經採用了新的規範建議(Code Case),要求根據材料化學報告(MTR)中 Ni+Mn 的總含量,動態調整最大 SRHT 溫度 1。
這種基於化學成分的溫度調整是確保熱處理效果的第二層精確度要求。例如,當 Ni+Mn 總含量低於 1.0% 時,最高熱處理溫度可設定為 770C;但當 1.0%≦Ni+Mn< 1.5% 時,為了避免潛在的相變,最高溫度必須限制在 760°C – 765°C 範圍內 1。專業作業分析必須在執行感應熱處理前,查核並確認材料的化學成分,以制定精確的最高溫度限制,防止因過熱導致的不可逆性能劣化。
以下彙整 P91冷彎後消除應力熱處理的核心參數要求:
Table 1: P91冷彎後消除應力熱處理核心參數 (Core SRHT Parameters for Cold Bent P91)
| 參數項目 (Parameter) | 標準溫度範圍 [°C] (Standard Temp Range) | 最低保溫時間 (Minimum Holding Time) | 升降溫速率建議 (Recommended Heating/Cooling Rate) | 關鍵冶金目標 (Key Metallurgical Goal) | 參考依據 (Reference) |
| 消除應力溫度 (SRHT Temp) | 750 – 770 | 3 – 5h (或 5 min/mm 壁厚, ≧4h) | 60-100°C/h (爐內緩冷) | 馬氏體轉變為回火馬氏體;殘餘應力消除 | 3 |
| ASME B31.1 (最低規範) | 704 – 760 | N/A | ≦150°C/h | 合規性最低要求 | 7 |
Table 2: P91 消除應力熱處理溫度對應化學成分調整 (SRHT Temperature Adjustment Based on Chemical Composition)
| Ni + Mn 含量 (Content) | 最大 SRHT 溫度 (Max Temp) [°C] | ASME Code Case 依據 | 風險 (Risk if Exceeded) |
| Ni + Mn < 1.0% | 770 | 1 | 蠕變性能劣化 |
| 1.0% ≦ Ni + Mn < 1.5% | 760 – 765 | 1 | 組織發生相變,持久強度破壞 |
四、 感應式消除應力熱處理 (IH-SRHT) 技術分析與應用
4.1 感應加熱技術原理及在管線 SRHT 中的優勢
感應加熱(Induction Heating, IH)是一種利用電磁感應原理,在導電材料(如P91鋼)內部產生渦流,並通過電阻熱(焦耳熱)將其加熱的非接觸式熱處理技術。IH 在現場管線熱處理中,相較於傳統的電阻加熱毯或爐式熱處理,具有多項顯著優勢 16。
IH 的效率極高。與需要加熱整個爐室的傳統方法不同,感應加熱將能量直接集中於工件本身,目標性強,能量轉換率高達 90% 16。這種針對性的加熱方式能夠減少 50% 以上的能源消耗,顯著降低操作成本,並提升生產效率 17。其次,IH 提供了極高的溫度精確性和控制能力。操作人員可以對加熱速率和最終溫度進行精確管理,這對於 P91 這種具有狹窄熱處理窗口(750°C – 770°C)的材料至關重要 3。此外,由於感應加熱不涉及明火或極熱的周邊表面,其固有的安全性更高,降低了作業風險 17。
在冷彎管線的應用中,IH 的局部加熱能力尤其重要。它可以精確地針對冷彎應力集中的區域進行處理,避免不必要的熱量輸入到直管段,從而減少整體形變的可能性,確保組件的尺寸精度。
4.2 感應加熱在厚壁 P91 管線上的挑戰:參考深度與均勻性
雖然 IH 具有諸多優勢,但在應用於厚壁 P91 管線時,其電磁場的物理限制構成了主要的技術挑戰,尤其是在確保熱處理均勻性方面。
感應加熱的深度受到電流頻率的影響,通常由「參考深度」(Reference Depth)來界定。對於大多數感應彎曲或熱處理機常用的 1000Hz 頻率,電磁場的參考深度約為 17.8mm(約 0.7 英寸) 18。這意味著對於壁厚超過 17.8mm 的 P91 管線(這在高壓應用中非常常見),電磁能無法直接穿透到管線的核心。
因此,IH 對於厚壁 P91 管線的核心加熱,必須完全依賴於熱傳導。這就引入了對「浸泡貫穿期」(Soak Through Period)的嚴格要求。如果加熱程序設定不當,試圖透過快速提升表面功率來縮短整體加熱時間,將導致表面溫度遠超 770°C 的臨界上限,造成表面組織過熱劣化,而核心部分則可能因為熱量傳導不足而應力消除不完全或回火不足 1。
為克服這一挑戰,作業程序必須設置足夠長的恆溫保溫時間,允許熱量從感應加熱層向內擴散,確保整個壁厚達到並維持在目標的 SRHT 溫度區間內。此外,為了有效監測厚壁管線的溫度均勻性,必須採用多點測溫策略,包括讀取管線內表面溫度或通過模擬計算核心溫度,以確保在整個熱處理區域內,溫度梯度符合 ASME 規範的要求,即在任何 4.6 米(15 英尺)的銲縫長度內,溫度變化不應超過 138.9°C(250°F)19。
五、 感應式 SRHT 精準作業程序與現場參數控制
精確執行感應式消除應力熱處理是 P91 冷彎件質量保障的關鍵環節。此程序必須嚴格遵循行業規範,並利用 IH 技術的精準控制能力來克服其在厚壁應用中的限制。
5.1 預備與熱電偶佈置策略
- 材料驗證與最高溫度設定: 在開始熱處理前,工程師必須查閱 P91 材料的化學報告(MTR),特別是鎳 (Ni) 和錳 (Mn) 的總含量。根據 Section III-C 中所述的 ASME Code Case 規定,確定本次熱處理的最高允許溫度限制(760°C 至 770°C),以保護材料的蠕變性能不被破壞 1。
- 熱電偶選擇與安裝:
熱電偶的選擇與佈置直接決定了溫度監控的準確性。熱處理應選用 II 級 K 型熱電偶絲,建議直徑為1.0mm 3。熱電偶必須透過儲能式銲偶儀直接壓銲在管線外表面,確保良好的熱接觸,然後使用陶瓷套管和保溫材料進行覆蓋和保護 3。必須採用補償型導線進行溫度補償,以消除導線長度或環境溫度變化帶來的測量誤差 3。 - 關鍵點佈置與監測:
對於冷彎管線,殘餘應力的分佈具有顯著的非均勻性。因此,熱電偶的佈置必須覆蓋彎管的內弧、外弧和中性軸這三個最關鍵的區域。同時,需要在彎曲中心線周圍設定至少一個環向監測帶,確保整個彎曲變形區域都能達到均勻的目標溫度。對於厚壁管線,若條件允許,建議使用多個熱電偶測量不同深度的溫度(如管線內表面),以確保熱量已足夠貫穿壁厚 18。
5.2 IH 溫度曲線的精確執行(升溫、保溫、冷卻)
感應加熱機必須被設定為受控模式,嚴格遵守規範要求的升降溫曲線,避免 IH 設備的快速加熱能力導致熱應力累積。
- 升溫階段:
必須強制限制升溫速率在 60-100°C/h 的範圍內 3。這種緩慢的升溫速率是為了最小化加熱過程中的瞬態熱梯度,防止因內外層溫差過大而產生新的熱應力,從而避免結構損傷。 - 保溫階段 (Soak Time):
一旦達到目標溫度區間(例如 755°C – 765°C),溫度必須穩定維持。保溫時間需根據管線的實際壁厚來確定,建議為 5min/mm,且總保溫時間應介於 3 至 5 小時之間 3。足夠的浸泡時間是確保管壁核心應力完全消除、馬氏體結構向回火索氏體轉變,以及 Cr23C6 等碳化物按預期析出的必要條件 5。 - 冷卻階段:
冷卻階段對於保持消除應力熱處理的成果至關重要。從最高保溫溫度降至 300°C 的過程中,必須模擬「爐內緩冷」,速率必須維持在 60-100°C/h 的受控範圍內 3。這一緩冷過程確保了應力不會在降溫過程中重新積累。只有當溫度降至 300°C 左右時,才可以打開爐門或移除感應線圈及保溫材料,允許工件在靜止空氣中冷卻至室溫 3。
六、 質量控制與非破壞性檢測 (QC and NDT) 驗證
SRHT 結束後,必須進行嚴格的質量控制檢測,以科學證據驗證熱處理的有效性,確保 P91 管線的性能已完全恢復並符合行業規範。
6.1 硬度測試:回火效果的冶金驗證
硬度測試是評估 SRHT 效果的最直接和最重要的冶金驗證手段。冷彎區域的硬度超標是結構脆性和潛在失效的明確信號。
硬度測量必須依據 ASTM A370 標準,採用 Vickers(HV)方法進行 12。測試結果必須顯示硬度已顯著降低,從冷加工後的高值降至 300VHN 以下 11。文獻研究結果顯示,經過充分回火的 P91 鋼,其硬度通常會落在 231VHN 至 251VHN 的理想區間內 13。硬度達到此標準,則確認馬氏體組織已充分回火,結構韌性得到恢復。
6.2 殘餘應力量測與模擬技術
雖然硬度提供了間接的冶金證據,但殘餘應力是否得到有效消除仍需要直接或間接的量測來驗證。
現場和實驗室技術包括 X 射線繞射(XRD)和鑽孔法(Deep-Hole Drilling)等,用於測量彎曲區域的橫向和縱向殘餘應力分佈 8。這些實測結果至關重要,它們應證明經過 SRHT 後,殘餘應力值已大幅降低,遠低於材料的屈服強度。
此外,可以利用熱機械有限元模型(FEM)對彎管的熱處理過程和最終應力狀態進行數值預測。將實驗測量的殘餘應力分佈與 FEM 模型的預測結果進行交叉比對和驗證,是一種強有力的質量控制方法 8。這種結合實測與模擬的混合方法,能夠全面確定複雜幾何結構中殘餘應力的分佈和消除程度。
6.3 先進非破壞性結構檢測 (NDT) 驗證
感應加熱雖然高效,但其局部加熱特性和厚壁的熱傳導限制,可能導致熱處理結果在不同區域之間存在微觀結構的不均勻性。傳統的非破壞性檢測(NDT)如超聲波檢測(UT)或磁粉探傷(MPI)主要針對宏觀缺陷(如裂紋、氣孔),難以評估熱處理後的結構狀態差異。
為確保 IH 帶來的組織均勻性,建議採用渦流檢測(Eddy Current Testing, ET)技術。ET 在熱處理行業中被視為對結構和硬度進行 100% 線上檢測的黃金標準 20。ET 技術通過感應渦流,能夠快速、準確地檢測材料表面和次表面區域的結構變化、硬度差異以及熱處理深度的一致性 20。將先進的ET系統應用於彎管的IH區域,可以有效識別任何因感應加熱不均勻所導致的過熱或回火不足區域,從而確保整個彎管熱處理結果的一致性,這是傳統 NDT 難以達成的精確度。
此外,如果彎管附近存在銲縫接頭,則需依據規範要求對銲縫進行常規 NDT 檢查,如超聲波檢測、X 射線檢測或磁粉探傷,以確保銲縫區域無氣孔、夾雜物或熱裂紋等缺陷 22。
Table 3: 感應加熱 SRHT 後的質量控制驗證要求 (Quality Control Requirements Post-IH SRHT)
| 檢測項目 (Inspection Item) | 檢測方法 (Methodology) | P91 合格標準 (P91 Acceptance Criteria) | 關鍵目的 (Key Objective) | 參考依據 (Reference) |
| 硬度 (Hardness) | Vickers (HV) / ASTM A370 | < 300VHN; 理想 231-251VHN | 驗證回火效果,確保韌性 | 11 |
| 殘餘應力 (Residual Stress) | 鑽孔法/XRD/FEM | 應力值顯著降低,遠低於屈服強度 | 驗證應力消除程度,降低 SCC 風險 | 8 |
| 組織均勻性 | 渦流檢測 (ET) | 結構一致性 (無過熱/過冷區域) | 驗證 IH 均勻性及熱處理深度 | 20 |
| 衝擊韌性 (Impact Toughness) | ASME SA-370/QW170 | -20°C 衝擊韌性 ≧ 48J (參考標準) | 確保抗低溫脆性能力 | 3 |
七、 總結與操作建議
7.1 P91 冷彎後 IH-SRHT 最佳化綜合策略
對 ASTM A335 P91 管線冷彎後進行消除應力熱處理是確保其長期安全運行的強制性程序。若省略此步驟,將導致高殘餘應力、硬度超標和極高的應力腐蝕裂紋(SCC)風險,甚至在安裝期間暴露於潮濕大氣就可能發生潛在的災難性失效 1。感應加熱(Induction Heating, IH)因其高效率和精準控制的優勢,成為執行 SRHT 的理想技術,但必須嚴格遵守 P91 鋼狹窄的熱處理窗口和厚壁件的熱傳導限制。
作業應遵循以下綜合策略:
- 程序定制化與材料先決條件: 必須在執行 IH 之前,根據材料 MTR 報告中的 Ni+Mn 含量,精確設定本次熱處理的最高溫度上限 1。這一步驟是避免超過 Ac1 相變溫度,從而保護 P91 核心蠕變性能的關鍵。
- IH 參數與均勻性管理: 採用中頻感應加熱設備,必須將升溫和冷卻速率嚴格限制在 60-100°C/h 的範圍內,以控制熱應力 3。對於厚壁管線,必須延長保溫時間(浸泡貫穿期),確保熱傳導充分加熱管線核心,並在彎曲的關鍵區域(內弧、外弧、中性軸)進行多點、補償型的熱電偶壓銲監測,以驗證壁厚和環向的溫度均勻性 3。
- 質量控制數據閉環: 將硬度測試(Vickers < 300VHN)作為 IH 程序有效性的最終冶金驗證 11。同時,建議利用先進的渦流檢測(ET)系統對熱處理區域進行 100% 掃描,以確保感應加熱後的微觀結構和硬度分佈在整個彎管區域內具有高度的一致性,防止因局部加熱差異導致的性能波動 20。
7.2 操作風險緩解列舉項目
為確保 IH-SRHT 作業達到預期的冶金效果並符合法規要求,以下風險緩解措施至關重要:
- 溫度失控與過熱風險: 嚴格遵守根據化學成分調整後的最高溫度(≦ 770°C)1。任何超出此限制的操作都可能永久損害 P91 的高溫持久強度。
- 熱應力積累風險: 嚴格執行 60-100°C/h 的緩慢升降溫速率,尤其是在冷卻至 300°C 之前,必須保持受控的緩冷,防止熱應力重新生成 3。
- 測溫誤差風險: 確保 K 型熱電偶的正確安裝(壓銲)和補償導線的使用,並持續監控多個熱電偶讀數,防止單一測點的誤差誤導熱處理結果 3。
- 回火不足風險: 對於厚壁管線,確保保溫時間(5min/mm)足以實現熱量貫穿,並通過硬度測試驗證核心區域的回火效果。未經充分回火的核心區域將保留高殘餘應力,構成潛在的長期失效點。
遵循上述嚴謹的冶金和工程控制程序,可以確保 P91 冷彎件在應力消除熱處理後,其微觀結構和機械性能完全恢復,能夠安全地在高溫高壓環境下長期服役。
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- P91管道的焊接工艺 – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/382709100_P91guandaodehanjiegongyi
