P92無縫鋼管的研制*

郭元蓉，詹 勇，胡茂會，吳 紅，陳 雨

（攀鋼集團成都鋼釩有限公司，四川 成都 610303）

P92無縫鋼管的研制*

郭元蓉，詹 勇，胡茂會，吳 紅，陳 雨

（攀鋼集團成都鋼釩有限公司，四川 成都 610303）

介紹了研制P92無縫鋼管取得的成果和生產(chǎn)工藝特點。對研制的P92無縫鋼管進行的高溫拉伸性能和高溫持久性能等性能評定結(jié)果表明：該無縫鋼管具有均勻的金相組織，各項力學性能指標和工藝性能完全滿足ASME SA 335/SA 335M標準規(guī)定和高溫鍋爐管道使用要求。

P92無縫鋼管；超超臨界發(fā)電機組；高溫鍋爐管道；新型熱強鋼；生產(chǎn)工藝

*國家科技支撐計劃資助項目（2007BAE51B02）

郭元蓉（1963-），女，碩士，教授級高級工程師，首席工程師，主要從事鋼管新產(chǎn)品開發(fā)工作。

目前，我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展帶來了電力需求的急劇增加，發(fā)電裝機容量和發(fā)電量均居世界第二位，其中火電機組裝機容量占全國供能裝機容量的75%左右。但是國內(nèi)鍋爐用鋼的研制長期落后于日本、歐美等技術(shù)先進國家和地區(qū)，導致我國火電機組的運行參數(shù)長期處于低水平狀態(tài)［1-3］。按照國家“優(yōu)先開發(fā)水電，積極發(fā)展核電，優(yōu)化發(fā)展火電”的能源戰(zhàn)略，提高機組效率，降低煤耗，建設(shè)高效率、大容量的超超臨界（USC）機組已成為火電機組發(fā)展主流。這對火力發(fā)電設(shè)備制造的關(guān)鍵材料——熱強鋼材提出了更高的質(zhì)量要求和新的挑戰(zhàn)?；痣姍C組蒸汽參數(shù)與熱效率、煤耗的關(guān)系見表1［4］。

自20世紀80年代USC機組問世以來，超超臨界技術(shù)已在日本、德國、丹麥等國家和地區(qū)大量投產(chǎn)使用。我國是USC機組技術(shù)后起國家，進入21世紀才開始引進設(shè)計技術(shù)，建造自己的USC機組。至2010年，我國運行和在建的1 000 MW USC機組（蒸汽壓力25.0～26.5 MPa、蒸汽溫度600℃）已超過97臺［5］，成為世界上擁有USC機組最多的國家。USC機組的苛刻蒸汽參數(shù)需要鐵素體耐熱鋼具有良好的力學性能和抗氧化特性，這就使得新型高Cr鋼的研發(fā)成為發(fā)展超超臨界機組的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

我國USC機組技術(shù)研究剛剛起步，尚未形成成套技術(shù)，根本原因就是高端鍋爐鋼材料和產(chǎn)品技術(shù)落后；因此，目前國內(nèi)USC機組用新型熱強鋼P92鋼管基本依靠進口，不僅耗費巨資，在某種程度上制約了我國經(jīng)濟發(fā)展的速度，也威脅到國家的能源安全。

表1 火電機組蒸汽參數(shù)與熱效率、煤耗的關(guān)系

本文將重點介紹攀鋼集團成都鋼釩有限公司（簡稱攀成鋼）研制P92無縫鋼管的工藝和成果。

1 工藝研究

P92鋼屬“多元素復合強化”的新型熱強鋼，其合金含量高，冶金質(zhì)量要求高，冶煉控制技術(shù)難度大，且熱塑性變形的溫度范圍窄，制管工藝復雜。首先在成分設(shè)計時，應平衡考慮固溶、沉淀析出、位錯和亞結(jié)構(gòu)等多種強化方式的復合作用效果，充分考慮各元素對持久強度的影響，確定最佳化學成分控制范圍；其次熱處理工藝是保障鍋爐管性能的關(guān)鍵工序，工藝設(shè)計時應研究和優(yōu)化最佳熱處理工藝。攀成鋼開發(fā)的P92無縫鋼管生產(chǎn)工藝具有以下特點：

（1） 采用“電爐+爐外精煉（LF）+真空脫氣（VD）”或電渣重熔的冶煉工藝，能夠保證P92鋼的高純凈度和低氣體含量，滿足USC機組用P92鋼的冶煉質(zhì)量要求和化學成分控制要求。

（2）優(yōu)化設(shè)計的成分為獲得最優(yōu)的P92無縫鋼管性能和組織奠定了基礎(chǔ)，同時通過控制Cr、Ni當量，解決了δ鐵素體含量控制問題，也有助于防止過多δ鐵素體導致的鋼管內(nèi)折缺陷，有利于提高鋼管的持久性能。

（3）針對P92鋼作為鐵素體型馬氏體耐熱鋼種在熱穿孔性能方面的特殊性，采取合適的穿孔溫度和穿孔工藝，包括采用空心錠鍛造坯軋管工藝，解決了該鋼種熱軋管的關(guān)鍵工藝技術(shù)［6］。

（4）根據(jù)P92無縫鋼管的不同外徑和壁厚，熱處理工藝通過對加熱溫度及保溫時間、冷卻介質(zhì)及冷卻速度等參數(shù)采取不同的工藝控制措施，解決了P92無縫鋼管獲得均勻的回火板條馬氏體組織而保證性能穩(wěn)定的技術(shù)難題。

2 產(chǎn)品質(zhì)量檢驗結(jié)果

按ASME SA 335/SA 335M《高溫用無縫鐵素體合金鋼公稱管》標準［7］和相關(guān)技術(shù)協(xié)議規(guī)定，對試制的P92無縫鋼管進行了化學成分、拉伸性能、沖擊性能、金相組織、晶粒度及高倍夾雜物評級等各項試驗。

2.1 化學成分

ASME SA 335/SA 335M標準中P92鋼的化學成分見表2。從表2可以看出：標準中各個元素的限定范圍較寬，但關(guān)鍵是如何確定各合金元素的最佳配比。

表2 ASME SA 335/SA 335M標準中P92鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

對研制的P92無縫鋼管的化學成分試驗結(jié)果表明：其化學成分完全滿足技術(shù)標準要求，有害元素含量控制優(yōu)于標準，為w（S）=0.003%～0.006%、w（P）=0.012%～0.013%；Cr、Ni當量控制合適，能夠充分保證P92產(chǎn)品性能，滿足δ鐵素體含量的控制要求。

2.2 常溫力學性能

研制的P92無縫鋼管常溫力學性能見表3。從表3可以看出：研制的P92無縫鋼管的常溫力學性能穩(wěn)定，指標優(yōu)于標準規(guī)定。

2.3 金相組織、晶粒度及非金屬夾雜物評級

對P92無縫鋼管進行了金相組織、晶粒度及非金屬夾雜物評級等項目的檢驗，檢驗結(jié)果均滿足且優(yōu)于ASME SA 335/SA 335M標準規(guī)定。金相組織為均勻的回火馬氏體組織，其中的δ鐵素體含量控制較好，Φ508 mm×80 mm P92無縫鋼管金相組織中δ鐵素體含量小于1%，在電力規(guī)范要求的范圍內(nèi)。不同規(guī)格P92無縫鋼管的金相組織如圖1～3所示。

表3 研制的P92無縫鋼管常溫力學性能

圖1 Φ299 mm×30 mm P92無縫鋼管金相組織

圖2 Φ325 mm×75 mm P92無縫鋼管金相組織

圖3 Φ508 mm×80 mm P92無縫鋼管金相組織

3 P92無縫鋼管性能評定

電力和鋼鐵行業(yè)相關(guān)機構(gòu)先后對攀成鋼研制的P92無縫鋼管進行了一系列性能評定，試驗檢測項目包括常規(guī)理化性能、金相組織、高溫力學性能、系列溫度沖擊韌性、碳化物分析、持久強度、蠕變試驗、焊接工藝性能及長期時效性能等。

圖4 P92樣管的拉伸性能與相關(guān)標準對比

3.1 部分評定試驗結(jié)果

3.1.1 高溫拉伸性能

對Φ299 mm×30 mm P92無縫鋼管取縱橫向、內(nèi)外層試樣，進行400℃、500℃、550℃、600℃、610℃、620℃和630℃高溫拉伸試驗，P92樣管的拉伸性能與相關(guān)標準對比如圖4所示。試驗結(jié)果表明：鋼管的縱橫向、內(nèi)外層的強度均勻性較好，其高溫強度處于GB 5310—2008標準［8］要求的外延曲線上方，高溫強度數(shù)據(jù)處于曼內(nèi)斯曼試驗平均數(shù)據(jù)附近，高溫Rp0.2也優(yōu)于EN 10216—2007標準［9］中的數(shù)據(jù)值，以及與文獻［10］數(shù)據(jù)對比，均顯示攀成鋼研制的P92無縫鋼管性能較好。

3.1.2 高溫持久性能

持久試驗溫度為610℃和630℃。采用等溫法外推10萬h的持久強度分別為120.1 MPa、98.5 MPa，高于GB 5310—2008規(guī)定的外推10萬h持久強度要求（610℃不小于106 MPa、630℃不小于82 MPa），也高于EN 10216規(guī)定的持久強度要求（610℃不小于100 MPa、630℃不小于75 MPa）。

按照DL/T 5366—2006《火力發(fā)電廠汽水管道應力計算技術(shù)規(guī)程》標準［11］規(guī)定，計算出P92無縫鋼管在610℃和630℃下的許用應力分別為80.1 MPa和 65.7 MPa，優(yōu)于 GB 5310—2008和 EN 10216—2007推薦的許用應力以及歐洲蠕變合作委員會（European Creep Cooperation Committee，ECCC）2005年評估計算的許用應力。研制的P92無縫鋼管高溫持久強度和許用應力見表4，實際許用應力與標準推薦數(shù)據(jù)對比如圖5所示。

表4 P92無縫鋼管高溫持久強度和許用應力

Φ508 mm×80 mm P92無縫鋼管600℃高溫持久強度測試結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，研制的P92無縫鋼管高溫持久強度性能達到ECCC和日本國際化學材料協(xié)會（National Institute for Materials Science，NIMS）推薦值，滿足ASME SA 335/SA 335M等相關(guān)標準的要求。

3.2 產(chǎn)品評定結(jié)果

（1）化學成分符合ASME SA 335/SA 335M和GB 5310—2008等相關(guān)標準對P92類鋼成分的技術(shù)要求；鋼管的室溫抗拉強度、屈服強度、伸長率、硬度等指標均滿足相應標準要求；鋼管縱橫向、內(nèi)外層強度，以及硬度等均勻性較好。

（2）P92鋼管金相組織為回火板條馬氏體，縱橫向無明顯差異，鐵素體的含量為1%～2%，滿足DL/T 438—2009標準［12］對于鐵素體含量不大于5%的要求。

（3）P92樣管在610℃、630℃的10萬h持久強度分別為120.1 MPa、98.5 MPa，許用應力分別為80.1 MPa、65.7 MPa，優(yōu)于GB 5310—2008和EN 10216—2007推薦的許用應力。

圖5 P92鋼管實際許用應力與標準推薦數(shù)據(jù)對比

圖6 Φ508 mm×80 mm P92無縫鋼管600℃高溫持久強度測試結(jié)果

以上結(jié)果表明：攀成鋼生產(chǎn)的P92無縫鋼管成分及性能符合GB 5310—2008、ASME SA 335/SA 335M和EN 10216—2007標準中P92的技術(shù)條件要求，組織結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定的馬氏體組織。其在力學性能、組織狀態(tài)、工藝性能以及高溫長時性能等方面均已滿足高溫鍋爐管道要求。

4 結(jié) 論

（1）研制的P92無縫鋼管設(shè)計成分優(yōu)化，滿足P92鋼性能和鐵素體含量控制要求，軋管及熱處理工藝解決了該類鐵素體型馬氏體耐熱鋼在軋制質(zhì)量控制、獲得均勻馬氏體組織等關(guān)鍵技術(shù)問題，生產(chǎn)工藝具有獨創(chuàng)性和先進性。

（2）各項試驗及評定的結(jié)論表明，研制的P92無縫鋼管的冶金質(zhì)量、各項力學性能（常溫、高溫、短時、持久）指標、工藝性能以及金相組織均符合ASME SA 335/SA 335M標準規(guī)定，滿足鍋爐制造及電站高溫管道使用要求，可替代進口P92無縫鋼管。

（3）國產(chǎn)P92無縫鋼管的成功研制，打破了制約我國形成超超臨界火電機組成套技術(shù)的“瓶頸”問題，能夠提高火力發(fā)電設(shè)備的制造水平和競爭力，滿足國家電力工業(yè)發(fā)展的需要。

［1］郭元蓉，吳紅.P91無縫鋼管國產(chǎn)化研究進展［J］.鋼管，2008，37（1）：22-27.

［2］成海濤，郭元蓉.核電用管現(xiàn)狀及國產(chǎn)化進展［J］.鋼管，2008，37（4）：1-5.

［3］成海濤，趙彥芬，郭元蓉，等.我國核電用無縫鋼管國產(chǎn)化的新進展［J］.鋼管，2011，40（1）：8-11.

［4］楊富，李為民，任永寧.超臨界、超超臨界鍋爐用鋼［J］.電力設(shè)備，2004，5（10）：41-46.

［5］毛健雄.700℃超超臨界機組高溫材料研發(fā)最新進展［C］//超超臨界機組技術(shù)交流2011年會論文集，2011.

［6］攀鋼集團成都鋼鐵有限責任公司.模鑄空心鋼錠軋制無縫鋼管的方法：中國，200810305681.7［P］.2009-05-27.

［7］美國機械工程師學會.ASME SA 335/SA 335M—2010高溫用無縫鐵素體合金鋼公稱管［S］.2010.

［8］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB 5310—2008高壓鍋爐用無縫鋼管［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［9］歐洲標準委員會.EN 10216-2—2007壓力無縫鋼管交貨技術(shù)條件 第2部分：帶特定高溫性能的非合金和合金鋼管［S］.2007.

［10］瓦盧瑞克·曼內(nèi)斯曼鋼管公司.T92/P92鋼手冊［C］//超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)論文集，2005.

［11］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5366—2006火力發(fā)電廠汽水管道應力計算技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國電力出版社，2006.

［12］中華人民共和國國家能源局.DL/T 438—2009火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程［S］.北京：中國電力出版社，2009.

R&D of P92 Seamless Steel Pipe

GUO Yuanrong，ZHAN Yong，HU Maohui，WU Hong，CHEN Yu
（Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.，Ltd.，Chengdu 610303，China）

Described here are the research and development achievements of the P92 seamless steel pipe and the characteristics of its production process.The results of the tests of hi-temperature tensile property and hi-temperature endurance property of the P92 seamless steel pipe indicate that the seamless steel pipe of this grade has homogeneous metallographic structure，and its mechanical properties and technological properties can fully satisfy the requirements of ASME SA 335/SA 335M and the application requirements of the high temperature boiler pipeline.

P92 seamless steel pipe；ultra supercritical power unit；high temperature boiler pipe；new type refractory steel；production technology

TG335.71

B

1001-2311（2014）03-0029-05

2013-08-07；修定日期：2014-02-26）