電站鍋爐用P91熱軋無縫鋼管的研制

【資料簡(jiǎn)介】

     P91鋼是美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）和燃燒工程公司共同研究開發(fā)的綜合性能優(yōu)良的動(dòng)力工程鍋爐用鐵素體耐熱鋼，主要應(yīng)用于主蒸汽管道、再熱蒸汽管道熱端及其他高溫承壓設(shè)備。它是在9Cr1Mo的基礎(chǔ)上通過添加V、Nb、N等元素進(jìn)行微合金化，從而在晶界及晶內(nèi)生成了大量形狀復(fù)雜的Nb、V（C，N），它在高溫塑性變形過程中比簡(jiǎn)單的球形析出物更能有效地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，另外，翼狀析出物增大了捕獲位錯(cuò)的幾率，因而大大提高了持久強(qiáng)度和抗蠕變性能，同時(shí)保持了原9Cr1Mo鋼的優(yōu)良的抗高溫腐蝕性能；與奧氏體鋼相比，它具有比奧氏體不銹鋼更低的熱膨脹系數(shù)和較高的導(dǎo)熱系數(shù)。

國內(nèi)鍋爐制造企業(yè)所需P91主要由國外供貨，但是供貨期長，且價(jià)格昂貴，嚴(yán)重制約了我國電力行業(yè)的發(fā)展，從而影響了我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度。

因此迫切需要P91的國產(chǎn)化。目前國內(nèi)只有內(nèi)蒙古北方重工等少數(shù)廠家通過鍛造鏜孔的方法制造出了符合標(biāo)準(zhǔn)的P91，但該方法生產(chǎn)效率不高，成材率低，資源浪費(fèi)較嚴(yán)重，而還沒有廠家通過穿孔熱軋方法生產(chǎn)中口徑P91。鑫輝創(chuàng)經(jīng)過前期的精心準(zhǔn)備，從煉鋼到軋管再到熱處理，一次成功，已評(píng)定的各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1、P91無縫鋼管的試制

根據(jù)鑫輝創(chuàng)的設(shè)備條件，結(jié)合該鋼種的特點(diǎn)，將P91無縫鋼管的試制工藝流程定為：EAF→LF→VD→模鑄→鍛造→退火→扒皮→管坯加熱→穿孔→斜軋→定徑→冷床→鋸切→矯直→探傷→正火→回火→矯直→修磨（或鏜孔）→超聲波探傷→水壓試驗(yàn)→測(cè)長、稱重、噴標(biāo)→打捆→入庫。

1.1煉鋼及合金成分控制

1）煉鋼

采用電爐冶煉+鋼包精煉+真空脫氣的冶煉工藝，原料采用鐵水+廢鋼，嚴(yán)格控制S、P以及其他有害元素的含量，保證鋼水的純凈度；保證足夠真空度和脫氣時(shí)間，同時(shí)氬氣攪拌，降低O、H氣體含量，同時(shí)促進(jìn)成分的均勻化；通過爐底吹氮?dú)夂臀?/span>CrN相結(jié)合的方法使鋼中的N含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；通過合理、適量的喂絲，使鋼中的夾雜物含量降到zui低。

模鑄成錠后，對(duì)鋼錠進(jìn)行鍛造，嚴(yán)格控制始鍛和終鍛溫度，要求始鍛溫度≤1300℃，終鍛溫度≥760℃；保證鍛造比大于3，優(yōu)化鍛后退火熱處理工藝，保證鍛坯質(zhì)量。

2）合金成分控制

過低的C含量使得高溫強(qiáng)度降低，但C含量過高，則可焊性降低，同時(shí)降低高溫塑性。采用電爐冶煉，電極增碳和鋼包增碳嚴(yán)重，VOD能夠很有效地降低C含量，但是又會(huì)引起O含量的增加，因此C含量難控制。通過控制廢鋼的C含量以及增加鐵水的配比，從電爐冶煉開始降碳，從而有效地控制了碳含量，鑫輝創(chuàng)zui終成品管的C含量在0.10%左右。

V、Nb的加入形成了細(xì)小的碳化物，起到了沉淀強(qiáng)化的作用，但是過多的V會(huì)引起持久強(qiáng)度的降低。因此鑫輝創(chuàng)將V控制在0.20%左右，Nb為0.07%。

S和S化物在晶界偏析，削弱晶界，形成孔洞，從而引起晶界脆化和蠕變脆化，因此要嚴(yán)格控制，鑫輝創(chuàng)生產(chǎn)的P91將S含量控制在0.004%以下，個(gè)別能達(dá)到0.001%。

而過高的Al含量，將會(huì)削弱其他元素所起的作用，同時(shí)也強(qiáng)烈降低鋼的持久性能，因此將Al含量控制在0.010%以下。

N與鋼中的Nb和V形成MX型金屬間化合物，對(duì)強(qiáng)度有明顯影響，而日本進(jìn)口管材中的N含量普遍較低。我們將N含量暫時(shí)控制在400ppm左右，N的含量對(duì)T91的影響需進(jìn)一步研究。

雖然ASME SA335M中沒有要求Ti在P91中的含量限制，但通過將Ti含量降到極低，長城鋼廠生產(chǎn)的T91獲得了*的高溫持久塑性。鑫輝創(chuàng)嚴(yán)格控制Ti含量，成品Ti<0.010%。

五害元素及O、H氣體含量也嚴(yán)重影響著鋼的高溫性能，通過煉鋼過程的嚴(yán)格控制，將P91的五害元素總量控制在250ppm以內(nèi)，O、H分別在40ppm和2ppm以下。

其他元素含量分別為：Si 0.33%；Mn 0.41%；Ni 0.10%；Cr 8.20%；Mo 0.90%；P 0.013%。

1.2 軋管

由于該鋼種的合金含量高，化學(xué)成分復(fù)雜，變形過程中，變形抗力大，塑性低，屬于難軋品種，因此對(duì)環(huán)型爐的爐溫進(jìn)行了嚴(yán)格控制，爐溫低于1050℃時(shí)，由于溶入奧氏體的Mo、V、Nb碳化物增多，阻礙晶界長大的作用被削弱，晶粒迅速長大從而導(dǎo)致變形不均勻，使塑性降低；溫度高于1200℃，會(huì)發(fā)生過熱現(xiàn)象，δ鐵素體量迅速增加，鋼的塑性和韌性也都下降。因此，使軋制過程中的溫度在1100-1200℃之間，此時(shí)該鋼種具有*的塑性。合理的設(shè)置喂入角、輾軋角以及軋制轉(zhuǎn)速等軋制工藝參數(shù)，保證該鋼種的順利軋制。軋制后鋼的尺寸精度高，外徑偏差和壁厚偏差均滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3熱處理

采用正火+回火的熱處理方式，正火溫度為1040-1060℃，保溫1h，此時(shí)大部分碳化物溶解但并不發(fā)生明顯的晶粒長大，正火溫度高于1060℃則容易出現(xiàn)奧氏體晶粒粗化，同時(shí)保證正火后鋼管內(nèi)外表面溫度降到Ms點(diǎn)以下，從而得到*的馬氏體；回火溫度為780℃左右，保溫2h，回火后馬氏體組織中碳化物能均勻析出，從而提高了材料的蠕變性能。

2、P91成品管的組織及性能

2.1常溫力學(xué)性能及工藝性能

對(duì)成品管進(jìn)行拉伸、沖擊、硬度以及壓扁試驗(yàn)。屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，屈強(qiáng)比在0.73-0.76之間；沖擊功和硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且均勻性良好；一次壓扁和二次壓扁后，均沒有發(fā)現(xiàn)裂紋以及冶金缺陷。

2.2夾雜、組織、晶粒度

非金屬夾雜物對(duì)鋼的強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性、疲勞、熱脆、耐蝕尤其是高溫性能有很大影響，因此需要對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行嚴(yán)格控制；而組織和晶粒度則是鍋爐管長時(shí)高溫下能夠平穩(wěn)工作的保障。

對(duì)成品管進(jìn)行取樣分析，非金屬夾雜物A細(xì)和D細(xì)均為1.0，在觀察的視場(chǎng)內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)其他夾雜。對(duì)成品管進(jìn)行內(nèi)、中、外表面金相觀察，均為回火索氏體，晶粒度為8.5級(jí)，碳化物均勻析出，并且無鐵素體出現(xiàn)，組織均勻性好。

2.3脆性轉(zhuǎn)變溫度

脆性轉(zhuǎn)變溫度（FATT50）是評(píng)價(jià)一個(gè)鋼種性能好壞的重要指標(biāo)。轉(zhuǎn)變溫度過高，則有可能在水壓過程中發(fā)生脆性斷裂，造成事故。采用系列沖擊的方法對(duì)成品P91進(jìn)行脆性轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)定，得出脆性轉(zhuǎn)變溫度為-27℃。

2.4短時(shí)高溫性能

短時(shí)高溫性能是鍋爐管的一個(gè)重要性能指標(biāo)，反映其在工作狀態(tài)下的性能。表1是P91的高溫拉伸性能，試驗(yàn)方法執(zhí)行GB/T4338，標(biāo)準(zhǔn)參考GB5310-95中的10Cr9Mo1VNb。從表1中可以看出，鑫輝創(chuàng)生產(chǎn)的P91的短時(shí)高拉性能*符合GB5310-95要求，也大于ORNL的zui低要求。

表1：短時(shí)高溫拉伸

溫度，℃	200	250	300	350	400	450	500	550	566	600
標(biāo)準(zhǔn)Rp0.2，MPa	380	370	360	350	340	325	300	260	—	200
實(shí)測(cè)Rp0.2，MPa	469	456	446	447	435	434	397	366	374	316
實(shí)測(cè)Rm，MPa	601	583	562	563	535	520	484	429	409	366
實(shí)測(cè)延伸率，%	22	22	19	19	18	17	21	27	21	33

2.5持久強(qiáng)度

持久強(qiáng)度是鍋爐管設(shè)計(jì)應(yīng)用的依據(jù)，是鍋爐管*安全使用的保證，是極其重要的參數(shù)。表2是590℃和620℃時(shí)，不同應(yīng)力下的掛機(jī)時(shí)間。

表2：持久強(qiáng)度掛機(jī)時(shí)間

溫度℃	590					620
應(yīng)力MPa	200	180	160	140	130	160	140	120	110	100	90
掛機(jī)時(shí)間，h	77已斷	286已斷	1536已斷	5616已斷	10032 未斷	72 已斷	240 已斷	2070 已斷	4849 已斷	7632 已斷	11016 已斷
延伸率，%	21.8	22.7	24.7	23.4	24.6	25.2	25.6	21.1	22.6	23.4	24.2

持久強(qiáng)度外推方程為：

    590℃： logσ＝2.45615 - 0.0814 logτ

    620℃： logσ＝2.38795 - 0.09892 logτ

590℃下105 h外推持久強(qiáng)度為112MPa，620℃下105 h外推持久強(qiáng)度為78.7MPa，均不小于GB5310對(duì)10Cr9Mo1VNb在590℃和620℃下持久強(qiáng)度要求。

2.6 焊接性能

對(duì)鑫輝創(chuàng)生產(chǎn)的P91進(jìn)行了焊接性能檢測(cè)。結(jié)果如下：

1） 焊接接頭550℃和600℃下短時(shí)高溫拉伸屈服強(qiáng)度分別為355MPa和315MPa，*GB5310-95要求。

2） 焊接熱影響區(qū)硬度zui高，在230-250HB之間，焊縫硬度稍高于母材，但差別不大，*有關(guān)規(guī)范要求。

3） 室溫下焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)、母材均具有良好的沖擊韌性，沖擊功遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鍋規(guī)要求（≥27J）。

4） 對(duì)P91焊接接頭進(jìn)行微觀金相檢測(cè)，宏觀未發(fā)現(xiàn)缺陷；微觀檢查焊縫和熱影響區(qū)的組織均為回火索氏體，未有裂紋、疏松、過燒和淬硬性組織。

5） 結(jié)論為：鑫輝創(chuàng)試制的P91鋼管，按照鑫輝創(chuàng)現(xiàn)行的P91管焊接工藝焊接，化性能檢測(cè)表明焊接性能良好。

2.7無損檢測(cè)

對(duì)P91進(jìn)行水壓試驗(yàn)，保壓時(shí)間不少于10s；同時(shí)按GB/T5777逐支進(jìn)行超聲波探傷，樣管內(nèi)、外表面縱向和橫向人工缺陷驗(yàn)收等級(jí)為C5。

水壓試驗(yàn)和超聲波檢測(cè)結(jié)果符合要求。

3 結(jié)論

采用電爐冶煉+鋼包精煉+真空脫氣的冶煉工藝，正火+回火的熱處理工藝，鑫輝創(chuàng)鋼業(yè)生產(chǎn)出了符合ASME SA335的P91鋼管。P91成品管的顯微組織為回火索氏體，鋼管全壁厚的組織均勻，且無鐵素體以及黃塊狀馬氏體出現(xiàn)。P91常溫力學(xué)性能以及高溫拉伸性能滿足GB5310-95以及ORNL的要求；脆性轉(zhuǎn)變溫度為-27℃；590℃和620℃下的持久強(qiáng)度估算值也都滿足GB5310-95的要求；可焊性良好。成品管水壓及探傷結(jié)果良好，*符合標(biāo)準(zhǔn)要求。