石化裝置用P9無縫鋼管的研發

何 彪，肖功業，王國亮，趙慶權，王慶國，許磊磊，張俊萍

（天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301）

P9鋼是馬氏體耐熱鋼，通過添加9%的Cr和1%左右的Mo，使鋼具有較強的抗氧化性能和高溫強度；可應用于溫度≤650℃的過熱器管、再熱器管以及蒸汽管道等，同時還可以應用于溫度≤550℃的侵蝕性強的石油化工裝備［1］。目前國內石化行業所用的P9無縫鋼管基本從國外采購，但是交貨期長，且價格昂貴，從而嚴重制約了我國石化行業的快速發展［2］。為此，天津鋼管集團股份有限公司（簡稱天津鋼管）對P9無縫鋼管進行了國產化研制。

1 P9無縫鋼管的生產流程

根據天津鋼管的設備現狀，結合P9鋼的特點，設計出P9無縫鋼管的試制工藝流程：電弧爐煉鋼→鋼包精煉→真空脫氣→模鑄→管坯鍛造→管坯退火→管坯加熱→斜軋穿孔→PQF連軋管機軋管→三輥定徑→冷床冷卻→管端鋸切→鋼管矯直→漏磁探傷→熱處理→矯直→超聲波探傷→水壓試驗→尺寸及外觀檢查→鋼管入庫。

1.1 煉鋼及合金成分控制

由于P9鋼中添加了9%的Cr，為保證冶煉后期鋼水溫度不至于下降太多，同時縮短煉鋼周期，采用感應爐提前熔化合金母液的工藝，從而避免了傳統工藝因加入大量合金對鋼水溫度、處理周期以及鋼水增碳方面的不利影響。

C含量太低會導致P9無縫鋼管的高溫強度降低，同時可能生成δ鐵素體；但過高的C含量既會降低可焊性，也使其室溫硬度過高。通過采用優質低碳廢鋼，同時增加鐵水比例，嚴格控制C含量，最終設計出C含量為0.08%～0.12%。

S和硫化物容易在晶界偏聚，從而削弱晶界強度，形成孔洞，導致晶界脆化和蠕變脆化，因此要嚴格控制［3］，一般將S含量控制在0.005%以下。

Al雖是良好的脫氧劑，但也會顯著降低P9鋼的高溫持久性能，因此將其控制在0.015%以下。

另外P9鋼由于含有高Cr、Mo、Si等鐵素體形成元素，有縮小奧氏體區的作用。由于鐵素體相區的擴大和奧氏體相區的縮小，使得原本存在于1 400℃以上高溫區的δ鐵素體在常溫下有可能被保留下來，而δ鐵素體對鋼的室溫塑性影響相當明顯，同時對鋼的持久強度影響也相當顯著［4］；因此需要抑制δ鐵素體在煉鋼冷卻過程中的形成，即嚴格控制Cr、Mo、Si等鐵素體形成元素含量。

表1為天津鋼管首次試制生產的P9無縫鋼管（規格為Φ219.1 mm×10.31 mm）化學成分實測值。

表1 P9無縫鋼管的化學成分（質量分數） %

1.2 軋管

P9無縫鋼管具有Cr、Mo合金元素含量高的特點，高溫下變形抗力大，軋制困難。天津鋼管通過設置合理的環形爐加熱溫度和軋制工藝參數，保證了該鋼種在最佳的塑性變形區域進行軋制。

1.3 熱處理

P9無縫鋼管可采用退火或正火+回火工藝進行熱處理。退火工藝冷卻速度慢，影響生產節奏，生產過程中較難控制，并且成本高；因此，實際生產中很少采用退火的熱處理工藝，常采用正火+回火的熱處理方式代替退火工藝，實現工業化生產。

P9鋼由于不含V、Nb等微合金元素，因此正火溫度比P91鋼的低一些，為950～1 050℃，保溫1 h，該工藝正火時大部分碳化物溶解但不發生明顯的晶粒長大，但正火溫度過高則容易出現奧氏體晶粒粗大［6］；回火溫度為740～790℃，為獲得較低的硬度，回火保溫時間要適當延長。

2 成品鋼管的組織及性能

2.1 常溫力學性能及工藝性能

對P9無縫鋼管進行拉伸、硬度以及沖擊功的試驗結果統計（圖1），各項力學性能均滿足標準要求，且數據集中性較好（由于產品處于生產初期，樣本數少，無法做到理想的正態分布）。

圖1 P9無縫鋼管力學性能統計

2.2 金相組織、晶粒度、非金屬夾雜物

非金屬夾雜物對鋼的斷裂韌性、熱脆性、塑性、抗疲勞強度、耐腐蝕性，尤其是高溫性能有很大影響［7］。對生產的P9無縫鋼管進行了夾雜物、組織及晶粒度分析。結果是：A類細系和D類細系非金屬夾雜物級別均為0.5級，其他夾雜物級別為0級；組織均為回火馬氏體，晶粒度為8.5級，并且無δ鐵素體。P9無縫鋼管金相組織如圖2所示。

圖2 P9無縫鋼管金相組織

2.3 脆性轉變溫度

脆性轉變溫度（FATT50）是評價P9鋼性能的重要指標之一。P9無縫鋼管脆性轉變溫度曲線如圖3所示，脆性轉變溫度約為-48℃（沖擊試樣尺寸10 mm×7.5 mm，縱向）。

圖3 P9無縫鋼管脆性轉變溫度曲線

2.4 短時高溫性能

短時高溫性能反映鋼在一定溫度下的抗變形能力，同時也反映鋼的高溫塑性。P9無縫鋼管的高溫拉伸曲線如圖4所示，試驗方法按GB/T 4338—2006［8］執行，高溫性能參考 ASME 相關規范［9］。從圖4可看出：天津鋼管生產的P9無縫鋼管在各個溫度下的屈服強度完全符合標準要求，即使在600℃時，鋼的屈服強度仍能夠達到270 MPa左右。

圖4 P9無縫鋼管高溫拉伸曲線

3 結 論

（1）采用合理的煉鋼、軋制以及熱處理工藝，天津鋼管生產的P9熱軋無縫鋼管各項性能完全符合ASME SA 335/SA 335M—2010標準要求。

（2）天津鋼管生產的P9無縫鋼管的顯微組織為回火馬氏體，組織均勻，且無δ鐵素體；脆性轉變溫度在-48℃左右；短時高溫性能滿足ASME鍋爐及壓力容器規范要求，在600℃時，屈服強度仍能夠達到270 MPa。

（3）研發的P9無縫鋼管可以替代進口，實現P9無縫鋼管的國產化。

［1］《火力發電廠金屬材料手冊》編委會.火力發電廠金屬材料手冊［M］.北京：中國電力出版社，2001：247.

［2］張友鵬.攀鋼集團成都鋼釩有限公司實現石化煉油裝置用 P9 無縫鋼管的批量供貨［J］.鋼管，2012，41（1）：28.

［3］劉立民，朱洪，劉志國.法國T91、P91鋼管性能評定［J］.電站系統工程，2002，18（1）：63-64.

［4］陳亞寧.葉片鋼2Cr11Mo1VNbN軋制大型材δ鐵素體含量的控制［J］.特鋼技術，2010，16（1）：18-20.

［5］美國機械工程師學會.ASME SA 335/SA 335M—2010高溫用無縫鐵素體合金鋼公稱管［S］.2010.

［6］孫智，董小文，張緒平，等.奧氏體化溫度對9Cr1MoVNb鋼組織與性能的影響［J］.金屬熱處理，2001，26（8）：12-14.

［7］胡文豪，金進文，葉俊輝.淺談夾雜物對鋼質量的影響及其控制［J］.浙江冶金，2003（4）：9-13.

［8］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 4338—2006金屬材料高溫拉伸試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，2006.

［9］ASME鍋爐及壓力容器委員會材料分委員會.ASME鍋爐及壓力容器規范國際性規范 Ⅱ材料D篇性能（公制）［M］.北京：中國石化出版社，2007.