張國忠，黃大兵，竇志超，劉 竑，徐路軍

（浙江泰富無縫鋼管有限公司，浙江 紹興 312367）

2020 年9 月，我國提出二氧化碳排放力爭2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和?；鹆Πl(fā)電是將化石能源轉(zhuǎn)化為電能，是二氧化碳的主要排放源之一，發(fā)展大容量超臨界火電機(jī)組和超超臨界火電機(jī)組將是我國火力發(fā)電提高發(fā)電效率、節(jié)約能源、減少氣體排放和改善環(huán)境的必然趨勢。普遍認(rèn)為當(dāng)蒸汽壓力≥27 MPa 或溫度≥580℃可稱為超超臨界機(jī)組，目前超超臨界火電機(jī)組效率最高已達(dá)到47%，而一般高壓機(jī)組的熱效率只有33%左右，超超臨界發(fā)電技術(shù)的推廣和發(fā)展，將進(jìn)一步降低能耗和減少CO2氣體排放[1-3]。

P92 鐵素體耐熱鋼是最早由日本東京大學(xué)和日本新日鐵公司共同研發(fā)的NF616 鋼[4-5]，由于其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，隨后被納入ASTM 和ASME標(biāo)準(zhǔn)，命名為P92/T92。P92 鋼是在P91 鋼的基礎(chǔ)上，添加鎢元素合金代替部分鉬，提高固溶強(qiáng)化效果，同時(shí)加入微量硼元素以強(qiáng)化晶界。P92 鋼在600 ℃外推10 萬h 的持久強(qiáng)度可達(dá)到130 MPa 以上，其許用應(yīng)力超出P91 鋼30%以上[6]。P92 鋼因其優(yōu)異的抗氧化性能、耐腐蝕、高溫強(qiáng)度和蠕變性能，能夠大幅提高機(jī)組的熱效率，成為超超臨界火電機(jī)組四大管道的首選管材[7]，主要應(yīng)用于四大管道的主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道以及旁路管道和聯(lián)絡(luò)管等關(guān)鍵管道和管件。

浙江泰富無縫鋼管有限公司（簡稱浙江泰富）近兩年來大力開發(fā)Φ406 mm 以上規(guī)格的大直徑P92無縫鋼管產(chǎn)品，通過不斷的工藝優(yōu)化和改進(jìn)，目前產(chǎn)品的實(shí)物質(zhì)量已達(dá)到了國內(nèi)外先進(jìn)水平，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于超超臨界火電機(jī)組的四大管道以及其他關(guān)鍵部位的管件，其典型機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)見表1。這里將以Φ665 mm×58 mm 規(guī)格為例，介紹超超臨界火電機(jī)組用大直徑P92 無縫鋼管的研究與開發(fā)。

表1 浙江泰富P92 大直徑無縫鋼管應(yīng)用于超超臨界火電電站機(jī)組的典型參數(shù)

1 大直徑P92 無縫鋼管的軋制

1.1 P92 的成分控制

P92 鋼是在P91 鋼的基礎(chǔ)上，添加1.50%～2.00%的W，并將Mo 含量降至0.30%～0.60%，同時(shí)添加微量的B。W 和Mo 都是固溶強(qiáng)化元素，但W 的原子系數(shù)較大，其在鐵基合金中的固溶效果強(qiáng)于Mo 元素，而且W 和Mo 的復(fù)合加入對(duì)提高鋼的熱強(qiáng)性效果比單獨(dú)加入等量的W 或Mo 優(yōu)越[3，8]，添加微量B 可顯著改善含Cr 鐵素體耐熱鋼的抗蠕變性能并抑制P92 焊縫的Ⅳ型蠕變開裂[9]。

由于含有9%的Cr，再加上Mo、W、V 和Nb等鐵素體穩(wěn)定元素，其鉻當(dāng)量較高，如果成分控制不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致基體組織中產(chǎn)生高溫啄鐵素體，高溫啄鐵素體不僅會(huì)降低P92 的蠕變塑性和持久強(qiáng)度，還會(huì)惡化鋼的熱加工性能[10]。為避免或減少在坯料加熱和熱加工過程中高溫啄鐵素體的產(chǎn)生，將P92的Cr 當(dāng)量控制在10%以內(nèi)。

1.2 P92 的高溫相變及力學(xué)性能

Φ665 mm×58 mm 規(guī)格P92 鋼管采用鍛造管坯，為避免高溫啄鐵素體的產(chǎn)生，管坯的加熱必須控制在合理的范圍內(nèi)。

用JMatPro 相圖計(jì)算管坯成分下的P92 隨溫度的相轉(zhuǎn)變圖，如圖1 所示，P92 的固相線在1 450℃左右，γ 奧氏體→啄鐵素體轉(zhuǎn)變溫度為1 250 ℃左右。對(duì)管坯取小樣分別在1 270 ℃和1 230 ℃保溫3 h 空冷后再在760 ℃回火，將小樣實(shí)驗(yàn)后的試樣制成金相試樣，用硝酸酒精腐蝕8～10 min 后觀察試樣近內(nèi)壁的金相組織如圖2 所示。分析結(jié)果表明：1 270 ℃加熱過程中有少量鏈狀啄鐵素體產(chǎn)生，而1 230 ℃加熱過程未產(chǎn)生啄鐵素體。因此P92 的管坯料加熱溫度應(yīng)不超過1 250 ℃。

圖1 JMatPro 軟件計(jì)算的P92 隨溫度的相轉(zhuǎn)變

圖2 小樣實(shí)驗(yàn)1 270 ℃和1 230 ℃的金相觀察

金屬的熱加工應(yīng)在強(qiáng)度低、塑性高的溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行，P92 也不例外。有研究[8，11]對(duì)P92 在600～1 300 ℃溫度進(jìn)行了高溫拉伸試驗(yàn)研究，在900 ℃以上，抗拉強(qiáng)度在100 MPa 以下，屈服強(qiáng)度在20 MPa 以下；在1 050～1 250 ℃溫度范圍，P92 具有較好的熱塑性，斷面收縮率均大于60%。

綜上所述，P92 管坯加熱溫度應(yīng)不超過1 250℃，軋制變形應(yīng)不低于900 ℃。

1.3 P92 大直徑無縫鋼管的軋制

Φ665 mm×58 mm 規(guī)格P92 大直徑無縫鋼管的軋制生產(chǎn)工藝為：管坯通孔→管坯加熱→穿孔→精軋→定徑→冷床冷卻。

由于9Cr 鋼的導(dǎo)熱性低于碳鋼和低合金鋼，為保證管坯加熱均勻和在加熱過程中不產(chǎn)生過高的熱應(yīng)力，對(duì)管坯打通心孔，并在700 ℃以下對(duì)管坯進(jìn)行預(yù)加熱，當(dāng)管坯在700 ℃保溫一定時(shí)間后再進(jìn)環(huán)形爐加熱和保溫，為避免高溫啄鐵素體的產(chǎn)生，環(huán)形爐的保溫溫度控制在1 200～1 250 ℃。

P92 經(jīng)環(huán)形爐加熱后進(jìn)入穿孔機(jī)進(jìn)行二輥斜軋穿孔，由于P92 的軋制抗力比低合金高，為避免穿孔機(jī)電流過載，將穿孔輥降到正常轉(zhuǎn)速的85%，調(diào)整合適的頂頭頂伸量，避免咬入電流過大。軋制過程中每個(gè)工序點(diǎn)的鋼管表面溫度及變形比（變形前的橫截面積/軋制后的橫截面積）見表2，通過調(diào)整穿孔后的毛管和精軋后的荒管尺寸，增大穿孔的變形比，降低精軋和定徑的變形比，使更多的變形發(fā)生在較高的低強(qiáng)度高塑性的溫度區(qū)間，從而避免軋制缺陷的產(chǎn)生。

表2 P92 大直徑無縫鋼管軋制變形參數(shù)

2 熱處理工藝及組織調(diào)控

P92 的熱處理工藝為正火+回火，熱處理后的組織是回火板條馬氏體組織。由于含有較高含量的Cr、Mo 合金元素和微量的Nb、V 合金元素，該馬氏體組織具有較高的固溶強(qiáng)化特性和位錯(cuò)密度，馬氏體板條之間和內(nèi)壁伴隨著M23C6（M 為Fe、Cr 或Mo）和MX（M 為V 或Nb，X 為C 或N）等碳化物或碳氮化物，這種組織在長期的高溫服役下就有較好的組織穩(wěn)定性和力學(xué)性能穩(wěn)定性[12]，改善了材料的蠕變斷裂強(qiáng)度。

2.1 熱處理對(duì)組織及性能的影響因素

（1） 晶粒度的影響。由于坯料保溫時(shí)間過長或在部分再結(jié)晶去軋制，會(huì)造成厚壁9Cr 鋼的晶?；炀?，晶粒不均勻會(huì)使鋼管抗熱應(yīng)力疲勞失效性能和抗高溫蠕變性能大大減弱[13]；另外，有研究[14]表明，粗晶粒的P92 比細(xì)晶粒的P92 鋼具有更高的高溫持久強(qiáng)度。因此，必須制定合理的熱處理工藝將P92 晶粒尺寸控制均勻，晶粒度控制在合理的級(jí)別內(nèi)。

（2） 冷卻速度影響。由于Cr、Mo 元素含量較高，P92 具有很好的淬透性，在相當(dāng)寬泛的冷卻速率條件（空冷）下都能完全轉(zhuǎn)變成馬氏體。根據(jù)P92 的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）曲線[3]，當(dāng)冷卻速度大于500 ℃/h（相當(dāng)于8.3 ℃/min），鋼的組織為單一馬氏體組織。有研究[15]報(bào)道，奧氏體化雖然以不同冷卻速度都可得到單一馬氏體組織，但更高的冷卻速度將提高650 ℃時(shí)效組織及硬度的穩(wěn)定性。

（3） 熱處理溫度的影響。P92 在較低的溫度正火時(shí)，合金元素及碳化物不能完全溶于奧氏體中，碳化物沿晶界分布、堆積，馬氏體板條組織結(jié)構(gòu)不夠明顯，馬氏體固溶強(qiáng)化效果不佳；隨正火溫度的升高，合金元素和碳化物加快溶解，晶界碳化物堆積逐漸減少，馬氏體固溶強(qiáng)化增強(qiáng)，但當(dāng)正火溫度超過1 100 ℃，馬氏體板條變得明顯粗大，局部開始出現(xiàn)混晶[7，16]；當(dāng)P92 在較低溫度回火，碳化物在馬氏體板條邊界析出較少；當(dāng)回火溫度達(dá)到760℃，馬氏體邊界和內(nèi)部開始析出碳化物顆粒，碳化物的析出起到釘扎位錯(cuò)作用[7，17]，增強(qiáng)了P92 的析出強(qiáng)化效果。

2.2 P92 的熱處理

Φ665 mm×58 mm 規(guī)格P92 無縫鋼管的正火溫度選擇1 040～1 080 ℃，適當(dāng)采用較長的保溫時(shí)間，不讓晶粒過于細(xì)小而影響P92 的高溫持久強(qiáng)度；正火奧氏體化后出爐采用強(qiáng)風(fēng)冷卻，對(duì)鋼管內(nèi)壁用紅外測溫儀進(jìn)行不同冷卻時(shí)間下的溫度測量，冷卻曲線如圖3 所示，P92 鋼管內(nèi)表面的平均冷卻速度達(dá)到20 ℃/min，即使在500 ℃以下的低溫區(qū)，冷卻速度也達(dá)到14 ℃/min 以上，較快的正火冷卻速度保證了P92 鋼管具有單一的馬氏體組織結(jié)構(gòu)和較好的時(shí)效組織的穩(wěn)定性；回火溫度選擇在760℃以上，使碳化物能夠充分彌散析出，以起到較好的析出強(qiáng)化作用。

圖3 Φ665 mm×58 mm P92 無縫鋼管正火冷卻曲線

按以上熱處理工藝生產(chǎn)的Φ665 mm×58 mm 規(guī)格P92 無縫鋼管實(shí)物金相組織和晶粒度如圖4 所示，金相組織為單一的回火馬氏體組織，板條形態(tài)清晰，晶粒度為6.5 級(jí)，不混晶。該組織合金元素固溶充分、位錯(cuò)密度高、晶粒度級(jí)別較為合理，具有良好的高溫穩(wěn)定性和抗蠕變性能。

圖4 Φ665 mm×58 mm P92 無縫鋼管金相組織和晶粒度

3 實(shí)物性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)

3.1 室溫/高溫力學(xué)性能

Φ665 mm×58 mm P92 無縫鋼管的室溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表3，拉伸試驗(yàn)采用橫向圓棒拉伸試樣，測試結(jié)果表明，室溫力學(xué)指標(biāo)完全滿足ASME SA 335—2010《高溫用無縫鐵素體合金鋼管》要求。

表3 Φ665 mm×58 mm P92 無縫鋼管室溫力學(xué)性能

對(duì)P92 兩個(gè)試樣分別沿橫向、縱向在接近外壁、內(nèi)壁處取樣進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。由結(jié)果可知，P92 試樣的沖擊功為150～200 J，處于較高水平，具有良好的沖擊韌性。

圖5 Φ665 mm×58 mm 規(guī)格P92 的室溫沖擊結(jié)果

對(duì)試樣1 做橫向高溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為200～600 ℃，試驗(yàn)結(jié)果以及GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對(duì)10Cr9MoW2VNbBN（等同于P92）標(biāo)準(zhǔn)要求值的對(duì)比見表4，如圖6 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，P92 試樣的在不同溫度下的屈服強(qiáng)度均明顯高于GB/T 5310 要求值，P92 試樣具有較高的短時(shí)高溫拉伸強(qiáng)度。

表4 Φ665 mm×58 mm 規(guī)格P92 鋼管高溫屈服強(qiáng)度 MPa

圖6 Φ665 mm×58 mm P92 無縫鋼管的高溫屈服強(qiáng)度

3.2 高溫持久試驗(yàn)

對(duì)試樣1 沿橫向取Φ10 mm 圓形試樣，做持久試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為625 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見表5，與德國V&M 公司P92 鋼管的高溫持久強(qiáng)度對(duì)比如圖7所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，浙江泰富P92 的高溫持久強(qiáng)度與國外進(jìn)口產(chǎn)品處于同一水平，具有良好的高溫持久性能。

表5 高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖7 浙江泰富P92 和德國V&M 公司P92 鋼管的持久強(qiáng)度對(duì)比

4 結(jié) 語

（1） 通過科學(xué)設(shè)計(jì)P92 無縫鋼管的化學(xué)成分和坯料加熱制度，避免生產(chǎn)過程中產(chǎn)生對(duì)軋制和高溫蠕變性能不利的啄鐵素體的產(chǎn)生；合理控制P92無縫鋼管軋制過程中的鋼管溫度和變形比，使更多的變形發(fā)生在塑性較好的較高的溫度區(qū)間，避免軋制缺陷的產(chǎn)生。

（2） 通過分析熱處理參數(shù)對(duì)P92 無縫鋼管組織的影響，合理設(shè)計(jì)熱處理工藝。通過該熱處理工藝，可得到合金元素固溶充分、位錯(cuò)密度高、晶粒尺寸適中的金相組織，該組織具有較高的高溫穩(wěn)定性和高溫持久性能。

（3） 對(duì)Φ665 mm×58 mm 規(guī)格P92 無縫鋼管進(jìn)行了室溫/高溫力學(xué)性能和高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)分析，評(píng)價(jià)結(jié)果表明：生產(chǎn)的大直徑P92 鋼管各項(xiàng)指標(biāo)滿足國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，高溫持久性能及綜合質(zhì)量達(dá)到了國內(nèi)外先進(jìn)水平。