电站锅炉用P91热轧无缝钢管的研制

【资料简介】

     P91钢是美国橡树岭国家实验室（ORNL）和燃烧工程公司共同研究开发的综合性能优良的动力工程锅炉用铁素体耐热钢，主要应用于主蒸汽管道、再热蒸汽管道热端及其他高温承压设备。它是在9Cr1Mo的基础上通过添加V、Nb、N等元素进行微合金化，从而在晶界及晶内生成了大量形状复杂的Nb、V（C，N），它在高温塑性变形过程中比简单的球形析出物更能有效地阻碍位错的运动，另外，翼状析出物增大了捕获位错的几率，因而大大提高了持久强度和抗蠕变性能，同时保持了原9Cr1Mo钢的优良的抗高温腐蚀性能；与奥氏体钢相比，它具有比奥氏体不锈钢更低的热膨胀系数和较高的导热系数。

国内锅炉制造企业所需P91主要由国外供货，但是供货期长，且价格昂贵，严重制约了我国电力行业的发展，从而影响了我国的经济发展速度。

因此迫切需要P91的国产化。目前国内只有内蒙古北方重工等少数厂家通过锻造镗孔的方法制造出了符合标准的P91，但该方法生产效率不高，成材率低，资源浪费较严重，而还没有厂家通过穿孔热轧方法生产中口径P91。鑫辉创经过前期的精心准备，从炼钢到轧管再到热处理，一次成功，已评定的各项性能均满足标准要求。

1、P91无缝钢管的试制

根据鑫辉创的设备条件，结合该钢种的特点，将P91无缝钢管的试制工艺流程定为：EAF→LF→VD→模铸→锻造→退火→扒皮→管坯加热→穿孔→斜轧→定径→冷床→锯切→矫直→探伤→正火→回火→矫直→修磨（或镗孔）→超声波探伤→水压试验→测长、称重、喷标→打捆→入库。

1.1炼钢及合金成分控制

1）炼钢

采用电炉冶炼+钢包精炼+真空脱气的冶炼工艺，原料采用铁水+废钢，严格控制S、P以及其他有害元素的含量，保证钢水的纯净度；保证足够真空度和脱气时间，同时氩气搅拌，降低O、H气体含量，同时促进成分的均匀化；通过炉底吹氮气和喂CrN相结合的方法使钢中的N含量达到标准要求；通过合理、适量的喂丝，使钢中的夹杂物含量降到zui低。

模铸成锭后，对钢锭进行锻造，严格控制始锻和终锻温度，要求始锻温度≤1300℃，终锻温度≥760℃；保证锻造比大于3，优化锻后退火热处理工艺，保证锻坯质量。

2）合金成分控制

过低的C含量使得高温强度降低，但C含量过高，则可焊性降低，同时降低高温塑性。采用电炉冶炼，电极增碳和钢包增碳严重，VOD能够很有效地降低C含量，但是又会引起O含量的增加，因此C含量难控制。通过控制废钢的C含量以及增加铁水的配比，从电炉冶炼开始降碳，从而有效地控制了碳含量，鑫辉创zui终成品管的C含量在0.10%左右。

V、Nb的加入形成了细小的碳化物，起到了沉淀强化的作用，但是过多的V会引起持久强度的降低。因此鑫辉创将V控制在0.20%左右，Nb为0.07%。

S和S化物在晶界偏析，削弱晶界，形成孔洞，从而引起晶界脆化和蠕变脆化，因此要严格控制，鑫辉创生产的P91将S含量控制在0.004%以下，个别能达到0.001%。

而过高的Al含量，将会削弱其他元素所起的作用，同时也强烈降低钢的持久性能，因此将Al含量控制在0.010%以下。

N与钢中的Nb和V形成MX型金属间化合物，对强度有明显影响，而日本进口管材中的N含量普遍较低。我们将N含量暂时控制在400ppm左右，N的含量对T91的影响需进一步研究。

虽然ASME SA335M中没有要求Ti在P91中的含量限制，但通过将Ti含量降到极低，长城钢厂生产的T91获得了*的高温持久塑性。鑫辉创严格控制Ti含量，成品Ti<0.010%。

五害元素及O、H气体含量也严重影响着钢的高温性能，通过炼钢过程的严格控制，将P91的五害元素总量控制在250ppm以内，O、H分别在40ppm和2ppm以下。

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

1.2 轧管

由于该钢种的合金含量高，化学成分复杂，变形过程中，变形抗力大，塑性低，属于难轧品种，因此对环型炉的炉温进行了严格控制，炉温低于1050℃时，由于溶入奥氏体的Mo、V、Nb碳化物增多，阻碍晶界长大的作用被削弱，晶粒迅速长大从而导致变形不均匀，使塑性降低；温度高于1200℃，会发生过热现象，δ铁素体量迅速增加，钢的塑性和韧性也都下降。因此，使轧制过程中的温度在1100-1200℃之间，此时该钢种具有*的塑性。合理的设置喂入角、辗轧角以及轧制转速等轧制工艺参数，保证该钢种的顺利轧制。轧制后钢的尺寸精度高，外径偏差和壁厚偏差均满足ASME标准要求。

1.3热处理

采用正火+回火的热处理方式，正火温度为1040-1060℃，保温1h，此时大部分碳化物溶解但并不发生明显的晶粒长大，正火温度高于1060℃则容易出现奥氏体晶粒粗化，同时保证正火后钢管内外表面温度降到Ms点以下，从而得到*的马氏体；回火温度为780℃左右，保温2h，回火后马氏体组织中碳化物能均匀析出，从而提高了材料的蠕变性能。

2、P91成品管的组织及性能

2.1常温力学性能及工艺性能

对成品管进行拉伸、冲击、硬度以及压扁试验。屈服强度、抗拉强度及断后伸长率均满足标准要求，屈强比在0.73-0.76之间；冲击功和硬度值符合标准要求，且均匀性良好；一次压扁和二次压扁后，均没有发现裂纹以及冶金缺陷。

2.2夹杂、组织、晶粒度

非金属夹杂物对钢的强度、塑性、断裂韧性、疲劳、热脆、耐蚀尤其是高温性能有很大影响，因此需要对非金属夹杂物进行严格控制；而组织和晶粒度则是锅炉管长时高温下能够平稳工作的保障。

对成品管进行取样分析，非金属夹杂物A细和D细均为1.0，在观察的视场内没有发现其他夹杂。对成品管进行内、中、外表面金相观察，均为回火索氏体，晶粒度为8.5级，碳化物均匀析出，并且无铁素体出现，组织均匀性好。

2.3脆性转变温度

脆性转变温度（FATT50）是评价一个钢种性能好坏的重要指标。转变温度过高，则有可能在水压过程中发生脆性断裂，造成事故。采用系列冲击的方法对成品P91进行脆性转变温度的测定，得出脆性转变温度为-27℃。

2.4短时高温性能

短时高温性能是锅炉管的一个重要性能指标，反映其在工作状态下的性能。表1是P91的高温拉伸性能，试验方法执行GB/T4338，标准参考GB5310-95中的10Cr9Mo1VNb。从表1中可以看出，鑫辉创生产的P91的短时高拉性能*符合GB5310-95要求，也大于ORNL的zui低要求。

表1：短时高温拉伸

温度，℃	200	250	300	350	400	450	500	550	566	600
标准Rp0.2，MPa	380	370	360	350	340	325	300	260	—	200
实测Rp0.2，MPa	469	456	446	447	435	434	397	366	374	316
实测Rm，MPa	601	583	562	563	535	520	484	429	409	366
实测延伸率，%	22	22	19	19	18	17	21	27	21	33

2.5持久强度

持久强度是锅炉管设计应用的依据，是锅炉管长期安全使用的保证，是极其重要的参数。表2是590℃和620℃时，不同应力下的挂机时间。

表2：持久强度挂机时间

温度℃	590					620
应力MPa	200	180	160	140	130	160	140	120	110	100	90
挂机时间，h	77已断	286已断	1536已断	5616已断	10032 未断	72 已断	240 已断	2070 已断	4849 已断	7632 已断	11016 已断
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

持久强度外推方程为：

    590℃： logσ＝2.45615 - 0.0814 logτ

    620℃： logσ＝2.38795 - 0.09892 logτ

590℃下105 h外推持久强度为112MPa，620℃下105 h外推持久强度为78.7MPa，均不小于GB5310对10Cr9Mo1VNb在590℃和620℃下持久强度要求。

2.6 焊接性能

对鑫辉创生产的P91进行了焊接性能检测。结果如下：

1） 焊接接头550℃和600℃下短时高温拉伸屈服强度分别为355MPa和315MPa，*GB5310-95要求。

2） 焊接热影响区硬度zui高，在230-250HB之间，焊缝硬度稍高于母材，但差别不大，*有关规范要求。

3） 室温下焊接接头焊缝、热影响区、母材均具有良好的冲击韧性，冲击功远远大于锅规要求（≥27J）。

4） 对P91焊接接头进行微观金相检测，宏观未发现缺陷；微观检查焊缝和热影响区的组织均为回火索氏体，未有裂纹、疏松、过烧和淬硬性组织。

5） 结论为：鑫辉创试制的P91钢管，按照鑫辉创现行的P91管焊接工艺焊接，化性能检测表明焊接性能良好。

2.7无损检测

对P91进行水压试验，保压时间不少于10s；同时按GB/T5777逐支进行超声波探伤，样管内、外表面纵向和横向人工缺陷验收等级为C5。

水压试验和超声波检测结果符合要求。

3 结论

采用电炉冶炼+钢包精炼+真空脱气的冶炼工艺，正火+回火的热处理工艺，鑫辉创钢业生产出了符合ASME SA335的P91钢管。P91成品管的显微组织为回火索氏体，钢管全壁厚的组织均匀，且无铁素体以及黄块状马氏体出现。P91常温力学性能以及高温拉伸性能满足GB5310-95以及ORNL的要求；脆性转变温度为-27℃；590℃和620℃下的持久强度估算值也都满足GB5310-95的要求；可焊性良好。成品管水压及探伤结果良好，*符合标准要求。