熱軋法生產P92 耐熱無縫鋼管的性能研究

2022-04-02 01:43:30張劍楠

山西冶金 2022年1期

李進，張劍楠，陳桂

（1.揚州誠德鋼管有限公司，江蘇揚州 225215；2.南京理工大學材料學院，江蘇南京 210009）

隨著我國經濟的快速發展，對電力工業發展要求越來越高。發展大容量高參數機組，特別是超臨界、超超臨界機組，是我國火力發電提高發電效率、節約一次能源、改善環境、降低發電成本的發展方向。相比超臨界機組，超超臨界機組的熱效率要高出4%左右，而且超超臨界機組技術繼承性更好，更容易實現大型化，在機組可靠性和機組壽命等方面也基本達到亞臨界機組水平。

超超臨界機組所用材料大多數是要求耐高溫、耐高壓、耐熱疲勞損壞的材料。由于鐵素體熱強鋼的熱膨脹系數小，導熱率高，在較高的啟動速率下不會造成聯箱和管道嚴重的熱疲勞損壞，所以鐵素體熱強鋼是聯箱管道的首選材料，如P91、P92、P112 等。超超臨界火電機組蒸汽參數超過600 ℃/25 MPa 后，主蒸汽和再熱蒸汽管道用材料要求具有更高的抗拉強度和抗疲勞性能，現有的P91 鋼已不能滿足此要求，必須使用P92 鋼。

P92 鋼在P91 鋼的基礎上對其成分進行了優化，增加w（W）替代一定量的Mo，加強基體的固溶強化，以增強鋼的熱強性與耐磨性。另外添加微量元素B，達到晶界強化和碳化物彌散強化的效果，從而增加其高溫強度，產生的M2（3C，B）6析出物在高溫下比M23C6更穩定，并能防止碳化物聚集和粗化。因此，P92 鋼不僅具有足夠高的持久強度、蠕變強度、抗疲勞和抗蒸汽氧化性能，還具有良好的加工工藝和焊接性能。這就使得P92 鋼最高使用溫度可達到625 ℃，許用應力與高溫強度有了大大提高，使受壓管道壁厚減薄，從而節約金屬材料。

P92 鋼是適用于超超臨界機組的高溫高壓要求的鐵素體型耐熱合金鋼，具有很高的使用價值。然而，目前國內四大管道國產化道路曲折，一定程度上還是依賴進口。揚州誠德鋼管有限公司采用的錐形輥穿孔斜軋的熱軋法生產P92 鋼管，已于2008 年年底完成P92 鋼管的試制工作，并通過了一系列評審工作，目前已具有批量生產P92 耐熱無縫鋼管能力。

1 P92 鋼管熱軋生產工藝流程簡介

試驗采用的鋼管規格為Φ610 mm×102 mm，長度約為1 000 mm。制造鋼管采用的原材料是由電爐冶煉經爐外精煉并真空脫氧處理的鎮靜鋼鋼錠，鋼錠脫模后緩冷至450～500 ℃，鍛壓成直徑為Φ600 mm的管坯，終鍛溫度不低于850 ℃。

對入廠管坯進行原材料檢驗，檢驗合格的管坯方可下料。首先經過冷定心工序定心后放入加熱爐加熱，然后經穿孔機穿孔得空心毛管，確定毛管壁厚后由軋管機斜軋得到荒管，用定徑機定徑，再經熱處理爐進行正火+回火熱處理。對所得鋼管取樣，進行化學分析、金相檢驗及力學性能試驗。檢驗合格的鋼管再由矯直機矯直，對鋼管內外壁進行修磨、超聲波或渦流探傷檢查，鋼管的尺寸、外觀檢查合格后，對其噴標包裝。

2 P92 鋼管成品性能研究

2.1 鋼管化學成分

1 號、2 號、3 號三個試樣分別取自同一鋼管近外壁處、1/2 壁厚處和近內壁處。采用的化學分析儀器是德國產直讀光譜儀（M8 型）和德國產氧氮分析儀（TC-600 型）。試樣化學成分如下頁表1 所示，由表1數據可以看出，熱軋法生產的P92 無縫鋼管化學成分分布均勻，不存在嚴重偏析現象。五害元素含量如下頁表2 所示，與ASME SA335M《高溫用無縫鐵素體合金鋼公稱管》規范比較，化學成分均在標準規定范圍內。

表1 鋼管化學成分分析結果 %

表2 有害元素含量 %

鋼的組織設計一般按照鉻當量計算預測其組織，在不同文獻中鉻當量的計算方法或有差異，本文采用的計算方法如下式（1）所示：鉻當量=w（Cr）+6w（Si）+11w（V）+5w（Nb）+4w（Mo）+1.5w（W）-40w（C）-30w（N）-4w（Ni）-2w（Mn）（1）

當鉻當量＜10%時沒有δ-F；10%≤鉻當量＜12%時可能出現δ-F；鉻當量≥12%時則出現大量δ-F。

2.2 金相檢驗

金相檢驗非金屬夾雜物依據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微鏡檢驗法》評定；金相組織按照GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》標準進行檢驗，并按照GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》進行晶粒評級。

根據表1 化學成分分析結果，并經式（1）計算所得鉻當量數值均小于10%，由此預測金相組織中不含δ-鐵素體。金相檢驗結果如表3 所示，金相組織為回火馬氏體，晶粒均勻致密，未發現有δ-鐵素體存在。顯微組織如圖1 所示，采用正火+回火的熱處理工藝，正火后加速冷卻，并嚴格控制正火保溫時間。若正火保溫時間太短，會使所得到的組織轉變不充分，雖然強度高，但是塑性較差。若正火保溫時間太長，則可能造成晶界脆化，對P92 鋼的韌性造成不良影響。回火時需保證加熱時間充足，讓回火組織充分轉變，消除內應力。

圖1 顯微組織試樣1 號和2 號（×100）

表3 金相檢驗結果

2.3 室溫力學性能

分別在鋼管近外壁處、壁厚1/2 處和近內壁處取拉伸和硬度試樣，加工成Φ12.5 mm 的圓棒拉伸試樣進行拉伸試驗，在近內、外壁處取樣進行彎曲試驗。試驗結果如表4 所示，試驗結果均符合ASME SA-335M 標準規定。

表4 室溫拉伸、硬度、彎曲測試結果

2.4 沖擊試驗

取橫向試樣進行系列溫度沖擊試驗，采用FATT50法測試鋼管的冷脆特性，試樣為規格55 mm×10 mm×10 mm，V 型缺口，深度2 mm 的標準試樣，在德國AMSLER 公司示波沖擊試驗機上進行試驗，沖擊試驗結果如下頁表5 所示，沖擊性能與溫度關系曲線如下頁圖2 所示。測試所得數據滿足GB5310標準要求，測得FATT50 結果為-14.6 ℃。

圖2 沖擊性能隨溫度變化曲線

表5 系列沖擊試驗

2.5 高溫力學性能

為測試P92 鋼管高溫力學強度，選取P92 鋼管通常工作溫度進行系列試驗，考慮到極限情況，最高試驗溫度定為650 ℃。按照ASME E21 標準要求，試樣采用橫向Φ12.5 mm 的圓棒拉伸試樣，在日本SHIMADZU AG-250KNE 電子萬能試驗機上進行試驗。試驗結果如下頁表6 所示。

表6 高溫力學性能

3 低循環疲勞試驗

為測試P92 鋼管的疲勞性能，分別在室溫（20 ℃）及P92 鋼管通常工作溫度（600 ℃、625 ℃）條件下進行低循環疲勞試驗。試驗標準按照GB/T 15248—2008《金屬材料軸向等幅低循環疲勞試驗方法》進行。沿鋼管縱向取樣，疲勞試樣長250 mm，標距12 mm，試樣標距部分為直徑8 mm。在MTS-810 電液伺服疲勞試驗機上進行低循環疲勞試驗，控制應變速率0.004/s，波形為三角波，應變比R=-1。