黃 飛

(遼寧阜新電力修造廠 遼寧阜新123000)

1 前言

隨著我國經濟建設速度的加快，對電力的需求也越來越大，大量發(fā)展燃煤發(fā)電機組，必然帶來巨大的環(huán)境壓力。為了優(yōu)化發(fā)展煤電，提高火電機組效率，必將大力發(fā)展節(jié)能高效的超臨界(SC)與超超臨界(USC)機組［1］。USC 這樣的高參數(shù)機組要求有相應的耐高溫、高壓的材料，目前我國的USC 機組主蒸汽和再熱熱段管道中應用最廣泛的是P92 鋼。我國USC 機組P92 鋼管件產品基本為國外進口，這就帶來了兩個問題，一是進口產品價格高，使得機組建設成本增加;另一個問題是國外管件制造的產能不能滿足我國USC 機組建設的需要，訂貨困難，交貨周期長。在這樣的背景下，進行P92 鋼的性能研究，自主開發(fā)質量合格的P92 鋼管件產品，將具有深遠的意義。

2 方案設計

2.1 P92 鋼性能特點

P92 鋼是采用V、Nb 元素微合金化并控制B和N 元素含量的鐵素體耐熱鋼，其主要用于苛刻蒸汽條件下的集箱和蒸汽管道(主蒸汽和再熱熱蒸汽管道)。相比其他鐵素體合金鋼具有更高的高溫強度和蠕變性能，它的抗腐蝕性和抗氧化性能等同于其他9%Cr 鐵素體鋼，它的抗熱疲勞性能強于奧氏體不銹鋼。正是因為P92 鋼的這些優(yōu)勢，在SC、USC 機組上得以大量采用，具有廣闊的前景。

T/P92 材料是在T/P91 材料基礎上經過以下的改良而發(fā)展起來的，加入了W，減少Mo 的含量以調整鐵素體－奧氏體元素之間的平衡，并且加入微量合金元素B。C 的含量保持在一個較低的水平以保證材料最佳加工性能。T/P92 鋼的化學成分見下表1。表2 是ASME 中規(guī)定的T/P92 材料在室溫狀態(tài)下力學性能要求。T/P92 在正火和回火狀態(tài)下使用。如果從奧氏體溫度冷卻到室溫，T/P92 會從奧氏體組織完全轉化為最高硬度小于450HV 的馬氏體組織。在較寬的冷卻速度范圍內T/P92 都保持這一特性。Ms溫度(馬氏體轉變開始溫度)相當高，大約在400℃(750 ℉)左右，Mf溫度(馬氏體轉變結束溫度)在100℃(210℉)以上并隨奧氏體起始晶粒度的變化而變化。

表1 T/P92 鋼化學成分［2］

表2 室溫下T/P92 鋼材的力學性能［2］

2.2 主要研究方法

采用P92 鋼管制作管件時，需要經過下料、加熱、成型、熱處理等加工過程，經熱加工成型后的工件需進行最終熱處理以獲得符合使用性能要求的管件產品。從P92 材料的特點可以看出，熱處理參數(shù)合適與否對管件的最終性能會產生很大影響，本文主要從熱處理角度探討了管件產品獲得合格質量的最終熱處理參數(shù)，而在熱處理參數(shù)中，P92 鋼的組織特點和強化機理決定了這種材料對回火溫度比較敏感［3］。為了研究熱處理工藝參數(shù)對P92 鋼管熱加工后性能的影響，先設計了部分小尺寸試件以對比在不同回火溫度下管件的性能變化規(guī)律情況，從而尋求最佳的回火溫度;然后在最佳熱處理規(guī)范下試制一個產品驗證件，檢驗該驗證件的各項理化性能數(shù)據(jù)能否滿足標準要求，從而確定管件產品的最終熱處理參數(shù)。

3 彎頭產品制作與小試樣對比試驗

3.1 彎頭產品制作及取樣

小尺寸試件從熱彎成型后的彎頭中截取。熱彎試件在熱加工后按圓弧長等分為三份，每一份中可切取同樣數(shù)量的試樣毛坯，如圖1 所示。切下來的三個小彎頭每一個針對一組特定參數(shù)進行熱處理，熱處理后截取試樣綜合對比三組熱處理參數(shù)對試樣組織和機械性能的影響。

圖1 小試樣取樣來源

參考P92 的相關標準和產品手冊等資料，設計了740℃，760℃，780℃三個回火溫度分別對三個小彎頭進行正火后的回火處理，對比在不同回火溫度下，鋼管組織和性能的差別。三個小試件的正火工藝為:1065℃±15℃，隨后對其中的1#試件進行780℃回火;2#試件進行740℃回火;3#試件進行760℃回火?？芍?，1#彎頭回火處理是最為充分的;3#次之;2#彎頭的回火處理參數(shù)相對最低。

3.2 小試樣性能檢驗

回火工藝參數(shù)對工件的性能影響具體情況還需回火處理后解剖三個彎頭，通過相關力學性能試驗進行橫向對比。

從每段小彎頭上取樣進行常溫拉伸、彎曲、沖擊、硬度、金相、高溫拉伸等試驗項目。

3.2.1 常溫拉伸結果根據(jù)常溫拉伸試驗結果繪制對比圖見圖2。

圖2 常溫拉伸試驗結果對比

從圖2 可見，1#彎頭的屈服強度和抗拉強度相比母材有較大的弱化，3#彎頭的拉伸性能與母材最為接近;2#彎頭的屈服強度和抗拉強度均高于母材。可見1#彎頭所經歷的高溫回火已經使材料的強度下降較多;3#彎頭相比母材的強度變化在最合理范圍內;2#彎頭之所以強度最高，是因為2#彎頭的回火溫度較低，正火過程得到的高強度、高硬度的馬氏體組織在較低的回火溫度下，未得到充分的回復，使得2#彎頭仍保持著較高的強度。

3.2.2 沖擊試驗結果

沖擊試驗分橫向和縱向兩個方向取樣，取樣于彎頭中性面，即沖擊試樣的取樣部位在熱彎時變形量非常小，沖擊性能受熱彎加工影響很小，這就意味著沖擊試驗最能反映熱處理工藝參數(shù)對材料性能影響。根據(jù)沖擊試驗結果繪制的圖形如圖3、圖4 所示。

圖3 縱向沖擊試驗結果

從圖4 中可見，1#彎頭的沖擊值是最高的，中間層的沖擊值甚至比母材要高出30J，2#彎頭的沖擊值表現(xiàn)為內層、中層、外層三個位置分布均勻，這種趨勢同樣反映在橫向沖擊結果中。具體到數(shù)值，2#彎頭的縱向沖擊結果在130J 左右，總體效果上與母材比較接近，橫向沖擊結果低于3#彎頭，受到了回火溫度偏低的影響，韌性損失較大。3#彎頭的縱向沖擊結果也與母材相當，橫向沖擊結果優(yōu)于2#彎頭和母材。所有的橫向沖擊試驗結果(包括母材)在內、中、外層表現(xiàn)比較分散，這是因為橫向取樣時試樣是與鋼管軋制方向垂直，鋼管的組織和性能在垂直軋制方向上受生產工藝和材料本身的因素影響較大，出現(xiàn)性能不均勻的狀態(tài)。

綜合來看，1#彎頭因回火溫度較高，其沖擊韌性表現(xiàn)最好。2#彎頭和3#彎頭縱向沖擊結果接近，與母材相當;橫向沖擊3#彎頭結果更優(yōu)。

圖4 橫向沖擊試驗結果

3.2.3 金相檢驗結果

金相試樣在每個彎頭的外弧面正中取樣，共取三個樣，觀察組織分布情況、晶粒情況和夾雜物情況。金相檢驗結果見圖5 ～圖7。三個彎頭的組織均為均勻的回火馬氏體組織，金相圖像中未發(fā)現(xiàn)有微觀缺陷。其中1#彎頭金相組織板條馬氏體中碳化物析出均勻彌散，碳化物數(shù)量和體積都較大，是回火處理非常充分的反映;2#彎頭因回火溫度較低，組織中彌散狀析出的碳化物非常稀少，馬氏體板條基本保持著原始形貌;3#彎頭組織中，馬氏體板條中的碳化物數(shù)量和體積相對1#彎頭都要小，呈細點狀分布。從晶粒度上看，1#彎頭比2#和3#彎頭的組織更為細密，晶粒度為6 級，而2#和3#管的晶粒度均為5 級。另外，非金屬夾雜物的分布在三個彎頭中都是D0.5。

圖5 1#彎頭CW1 試樣縱向金相組織

圖6 2#彎頭DW1 試樣縱向金相組織

圖7 3#彎頭EW1 試樣縱向金相組織

3.2.4 硬度檢驗結果

在每個小彎頭的外弧面、中性面、內弧面各取一個試樣，進行硬度檢測，檢測結果如圖8 所示。

從圖8 可以看到，2#彎頭的硬度值是三個彎頭中最高的，這也與前述的屈服和抗拉強度結果互相對應，2#彎頭硬度高的原因是因為彎頭回火溫度較低，正火得到的馬氏體組織未得到充分的回復造成的。1#彎頭的硬度值明顯低于另外兩個彎頭，也明顯低于已測定的母材硬度值HB228。3#彎頭的硬度值與母材相當，在HB225 左右。硬度值對回火溫度較敏感，能夠很好地反映回火參數(shù)的變化，從試驗結果也可明顯地看出不同回火溫度下的三個彎頭硬度值分布的差異。

圖8 彎頭硬度分布曲線

3.2.5 高溫短時拉伸結果(610℃)

高溫短時拉伸試樣從彎頭外弧沿縱向截取，圖9 是根據(jù)試驗結果繪制的三個小彎頭及母材的高溫強度對比圖。

圖9 高溫短時拉伸結果對比

從圖9 中可以看到，3 個彎頭的高溫強度分布趨勢與常溫拉伸結果類似，2#管的高溫強度是3個彎頭中最高的，因為高溫條件下抗拉強度與屈服強度之間的差距沒有常溫拉伸時那么大，所以2#管這種強度優(yōu)勢表現(xiàn)得更為明顯，2#管的屈服強度甚至比另兩個彎頭的抗拉強度還高。1#管因為回火溫度高，強度損失很大，其屈服強度降低到320MPa 左右。3#管的高溫強度與母材的高溫強度接近。

3.3 試驗結果分析

綜合上述結果對比情況，1#彎頭在經過較高回火溫度處理后，出現(xiàn)了軟化現(xiàn)象，常溫拉伸性能和高溫拉伸性能都表現(xiàn)出了明顯下降趨勢，但是試驗結果仍在ASME 標準許可范圍內。2#彎頭和3#彎頭在稍低的回火溫度下，綜合機械性能更好，在較高的拉伸強度下，仍然可保持較高的沖擊韌性。其中2#彎頭因回火溫度較低，其強度要高于3#彎頭，而韌性要低于3#彎頭。3#彎頭的總體性能與母材非常接近。

參考ASME 標準，這三個熱處理工藝參數(shù)處理的彎頭性能都能滿足要求，尤其是2#和3#彎頭的處理參數(shù)下綜合性能表現(xiàn)更好，即工件熱加工后回火溫度在740℃～760℃之間是最合適的。因本次試驗采用的是尺寸較小的彎頭，相對來說整個工件溫度均勻化比較容易達到，而在工廠實際生產時，彎頭、三通、變徑管等工件尺寸都要大的多，內外壁溫度很難均勻?；谏鲜隹紤]，為了保證整個工件都能熱透，在選擇回火溫度時，應該選擇760℃甚至稍高的回火溫度，以保證工件整體性能能夠滿足使用要求。

4 三通產品驗證件制作及性能試驗

根據(jù)小試件的試驗驗證，對P92 鋼管已經可以確定其熱加工后合理的熱處理工藝參數(shù)。為了檢驗所確定的熱處理工藝參數(shù)能否適用于生產條件，有必要針對一個真正的工程結構進行熱加工和熱處理處理，然后對工件整體結構進行解剖和分析，了解工件各部位的性能情況，并評定其性能能否滿足相關標準要求，從而為工廠化生產提供理論上和實踐上的技術依據(jù)。

選取了真實尺寸的熱壓三通進行工藝驗證，材料規(guī)格為φ415 ×60(mm)。熱壓完成后的三通在自然通風環(huán)境下冷卻到100℃以下后，進行熱加工后的熱處理。熱處理采用正火+高溫回火的工藝，正火空冷至100℃以下后才開始回火加熱，以保證材料全部轉變?yōu)轳R氏體組織，回火加熱過程控制升溫速度，溫度升至760℃后保持210min，使三通空冷得到的馬氏體組織得到充分回復，形成回火馬氏體組織。

4.1 性能試驗取樣

三通生產時是通過在管件兩端部施加載荷，從而使管件在熱壓模具中發(fā)生變形而形成圖中的形狀。三通生產時的關鍵是鼓包位置，因為三通的支管將從鼓包位置鉆孔后通過熱壓或拉伸形成。三通總體變形基本發(fā)生在鼓包處和管件圓周的腹部區(qū)域，這些變形區(qū)域是三通的薄弱環(huán)節(jié)，也是本文研究的重點區(qū)域，尤其是鼓包與管件相交部位——肩部區(qū)域，更是性能檢測的重點。肩部截取的試樣基本為橫向試樣，以檢驗三通最薄弱區(qū)域的最薄弱方向的機械性能。

4.2 性能試驗結果

4.2.1 常溫拉伸結果

三通取樣的常溫拉伸試驗結果如圖10 所示。從圖中可以看出，不論是肩部還是腹部，屈服強度仍然大于ASME 要求的440MPa，抗拉強度大于620MPa。肩部的拉伸強度要低于腹部的拉伸強度，比母材也稍低。

圖10 三通常溫拉伸試驗結果

4.2.2 沖擊試驗結果

常溫沖擊試驗在三通肩部取橫向試樣，在三通腹部取縱向試樣，試驗結果見圖11。

圖11 三通沖擊結果對比

三通肩部沖擊結果與腹部的沖擊結果很接近，分布也具有同樣的趨勢即外層和中間層結果差不多，要明顯好于內層。與母材相比，不論是肩部還是腹部，沖擊結果都與母材差不多，而且外層和中間層的沖擊結果要稍好于母材，母材在中間層位置的橫向沖擊值出現(xiàn)明顯下降，估計和管材的軋制工藝有較大關系。

4.2.3 硬度檢驗

三通的肩部硬度和腹部硬度測量值分布曲線如圖12。三通肩部和腹部的硬度值分布都很均勻，而且滿足ASME 標準的要求。腹部的硬度值要高于肩部，也要高于母材的HB229。

圖12 硬度測量結果分布

圖13 高溫短時拉伸試驗結果對比

4.2.4 610℃短時拉伸

高溫短時拉伸試樣在三通的肩部沿橫向截取，在腹部沿縱向取。圖13 是高溫拉伸結果對比曲線。

從圖13 中可看到，三通肩部的高溫強度與母材相當，腹部的高溫強度要高于母材，其高溫拉伸性能能夠滿足相關標準要求。

5 結論

通過上述試驗分析，結合試驗結果，可得到以下研究結論:

1)從彎頭中截取小試樣，對比分析了P92 管件在不同回火溫度下的性能變化情況，從試驗結果可知，P92 管件最終熱處理回火溫度在760℃時，綜合性能最好。

2)對小試樣的試驗結果進行了工程件驗證，驗證試驗表明，熱壓三通的最薄弱位置的力學性能均滿足ASME 的要求，采用國產化的工藝，管件質量能夠達到進口產品的水平。

3)所采用的熱成型和熱處理工藝是可靠的，能適用于工廠化的管件制作，可在上述研究基礎上制定管件熱壓成形和熱處理工藝規(guī)程。

［1］成海濤，郭元蓉. 我國電站鍋爐用管的現(xiàn)狀與發(fā)展對策.鋼管，2006(2).

［2］ASME.SA－335/SA－335M 高溫用無縫鐵素體合金鋼公稱管(第II 卷).中國石化出版社，2011.

［3］安錦平，徐廣信，彭先寬. 超超臨界機組P92 鋼管件國產化.超超臨界機組新型鋼國產化研討會，2009:235－242.

［4］肖凌，朱平，史春元等.P92 新型耐熱鋼焊接粗晶區(qū)回火參數(shù)選擇.焊接［J］，2006(11):52－55.

［5］張銘.P91 和WB36 管件研制. 遼寧工學院學報，2002(4):46－48.