超超臨界機(jī)組中P92 鋼管件生產(chǎn)與性能研究

黃 飛

(遼寧阜新電力修造廠 遼寧阜新123000)

1 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)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(jī)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(jī)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(jī)組［1］。USC 這樣的高參數(shù)機(jī)組要求有相應(yīng)的耐高溫、高壓的材料，目前我國的USC 機(jī)組主蒸汽和再熱熱段管道中應(yīng)用最廣泛的是P92 鋼。我國USC 機(jī)組P92 鋼管件產(chǎn)品基本為國外進(jìn)口，這就帶來了兩個(gè)問題，一是進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格高，使得機(jī)組建設(shè)成本增加;另一個(gè)問題是國外管件制造的產(chǎn)能不能滿足我國USC 機(jī)組建設(shè)的需要，訂貨困難，交貨周期長。在這樣的背景下，進(jìn)行P92 鋼的性能研究，自主開發(fā)質(zhì)量合格的P92 鋼管件產(chǎn)品，將具有深遠(yuǎn)的意義。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 P92 鋼性能特點(diǎn)

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(qiáng)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(qiáng)于奧氏體不銹鋼。正是因?yàn)镻92 鋼的這些優(yōu)勢，在SC、USC 機(jī)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(chǔ)上經(jīng)過以下的改良而發(fā)展起來的，加入了W，減少M(fèi)o 的含量以調(diào)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(gè)較低的水平以保證材料最佳加工性能。T/P92 鋼的化學(xué)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(xué)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(zhuǎn)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(nèi)T/P92 都保持這一特性。Ms溫度(馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度)相當(dāng)高，大約在400℃(750 ℉)左右，Mf溫度(馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)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(xué)成分［2］

表2 室溫下T/P92 鋼材的力學(xué)性能［2］

2.2 主要研究方法

采用P92 鋼管制作管件時(shí)，需要經(jīng)過下料、加熱、成型、熱處理等加工過程，經(jīng)熱加工成型后的工件需進(jìn)行最終熱處理以獲得符合使用性能要求的管件產(chǎn)品。從P92 材料的特點(diǎn)可以看出，熱處理參數(shù)合適與否對管件的最終性能會產(chǎn)生很大影響，本文主要從熱處理角度探討了管件產(chǎn)品獲得合格質(zhì)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(diǎn)和強(qiáng)化機(jī)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(shè)計(jì)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(gè)產(chǎn)品驗(yàn)證件，檢驗(yàn)該驗(yàn)證件的各項(xiàng)理化性能數(shù)據(jù)能否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，從而確定管件產(chǎn)品的最終熱處理參數(shù)。

3 彎頭產(chǎn)品制作與小試樣對比試驗(yàn)

3.1 彎頭產(chǎn)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(gè)小彎頭每一個(gè)針對一組特定參數(shù)進(jìn)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(jī)械性能的影響。

圖1 小試樣取樣來源

參考P92 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品手冊等資料，設(shè)計(jì)了740℃，760℃，780℃三個(gè)回火溫度分別對三個(gè)小彎頭進(jìn)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(gè)小試件的正火工藝為:1065℃±15℃，隨后對其中的1#試件進(jìn)行780℃回火;2#試件進(jìn)行740℃回火;3#試件進(jìn)行760℃回火?？芍?#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(yàn)

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(gè)彎頭，通過相關(guān)力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行橫向?qū)Ρ取?/p>

從每段小彎頭上取樣進(jìn)行常溫拉伸、彎曲、沖擊、硬度、金相、高溫拉伸等試驗(yàn)項(xiàng)目。

3.2.1 常溫拉伸結(jié)果根據(jù)常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果繪制對比圖見圖2。

圖2 常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果對比

從圖2 可見，1#彎頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于母材?？梢?#彎頭所經(jīng)歷的高溫回火已經(jīng)使材料的強(qiáng)度下降較多;3#彎頭相比母材的強(qiáng)度變化在最合理范圍內(nèi);2#彎頭之所以強(qiáng)度最高，是因?yàn)?#彎頭的回火溫度較低，正火過程得到的高強(qiáng)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(fù)，使得2#彎頭仍保持著較高的強(qiáng)度。

3.2.2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

沖擊試驗(yàn)分橫向和縱向兩個(gè)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(shí)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(yàn)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(yàn)結(jié)果繪制的圖形如圖3、圖4 所示。

圖3 縱向沖擊試驗(yàn)結(jié)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(nèi)層、中層、外層三個(gè)位置分布均勻，這種趨勢同樣反映在橫向沖擊結(jié)果中。具體到數(shù)值，2#彎頭的縱向沖擊結(jié)果在130J 左右，總體效果上與母材比較接近，橫向沖擊結(jié)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(jié)果也與母材相當(dāng)，橫向沖擊結(jié)果優(yōu)于2#彎頭和母材。所有的橫向沖擊試驗(yàn)結(jié)果(包括母材)在內(nèi)、中、外層表現(xiàn)比較分散，這是因?yàn)闄M向取樣時(shí)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(chǎn)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(jié)果接近，與母材相當(dāng);橫向沖擊3#彎頭結(jié)果更優(yōu)。

圖4 橫向沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.2.3 金相檢驗(yàn)結(jié)果

金相試樣在每個(gè)彎頭的外弧面正中取樣，共取三個(gè)樣，觀察組織分布情況、晶粒情況和夾雜物情況。金相檢驗(yàn)結(jié)果見圖5 ～圖7。三個(gè)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(xì)點(diǎn)狀分布。從晶粒度上看，1#彎頭比2#和3#彎頭的組織更為細(xì)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(gè)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(yàn)結(jié)果

在每個(gè)小彎頭的外弧面、中性面、內(nèi)弧面各取一個(gè)試樣，進(jìn)行硬度檢測，檢測結(jié)果如圖8 所示。

從圖8 可以看到，2#彎頭的硬度值是三個(gè)彎頭中最高的，這也與前述的屈服和抗拉強(qiáng)度結(jié)果互相對應(yīng)，2#彎頭硬度高的原因是因?yàn)閺濐^回火溫度較低，正火得到的馬氏體組織未得到充分的回復(fù)造成的。1#彎頭的硬度值明顯低于另外兩個(gè)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(dāng)，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(yàn)結(jié)果也可明顯地看出不同回火溫度下的三個(gè)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(shí)拉伸結(jié)果(610℃)

高溫短時(shí)拉伸試樣從彎頭外弧沿縱向截取，圖9 是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制的三個(gè)小彎頭及母材的高溫強(qiáng)度對比圖。

圖9 高溫短時(shí)拉伸結(jié)果對比

從圖9 中可以看到，3 個(gè)彎頭的高溫強(qiáng)度分布趨勢與常溫拉伸結(jié)果類似，2#管的高溫強(qiáng)度是3個(gè)彎頭中最高的，因?yàn)楦邷貤l件下抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度之間的差距沒有常溫拉伸時(shí)那么大，所以2#管這種強(qiáng)度優(yōu)勢表現(xiàn)得更為明顯，2#管的屈服強(qiáng)度甚至比另兩個(gè)彎頭的抗拉強(qiáng)度還高。1#管因?yàn)榛鼗饻囟雀?，?qiáng)度損失很大，其屈服強(qiáng)度降低到320MPa 左右。3#管的高溫強(qiáng)度與母材的高溫強(qiáng)度接近。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

綜合上述結(jié)果對比情況，1#彎頭在經(jīng)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(yàn)結(jié)果仍在ASME 標(biāo)準(zhǔn)許可范圍內(nèi)。2#彎頭和3#彎頭在稍低的回火溫度下，綜合機(jī)械性能更好，在較高的拉伸強(qiáng)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)，這三個(gè)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(yàn)采用的是尺寸較小的彎頭，相對來說整個(gè)工件溫度均勻化比較容易達(dá)到，而在工廠實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，彎頭、三通、變徑管等工件尺寸都要大的多，內(nèi)外壁溫度很難均勻?；谏鲜隹紤]，為了保證整個(gè)工件都能熱透，在選擇回火溫度時(shí)，應(yīng)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(chǎn)品驗(yàn)證件制作及性能試驗(yàn)

根據(jù)小試件的試驗(yàn)驗(yàn)證，對P92 鋼管已經(jīng)可以確定其熱加工后合理的熱處理工藝參數(shù)。為了檢驗(yàn)所確定的熱處理工藝參數(shù)能否適用于生產(chǎn)條件，有必要針對一個(gè)真正的工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱加工和熱處理處理，然后對工件整體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，從而為工廠化生產(chǎn)提供理論上和實(shí)踐上的技術(shù)依據(jù)。

選取了真實(shí)尺寸的熱壓三通進(jìn)行工藝驗(yàn)證，材料規(guī)格為φ415 ×60(mm)。熱壓完成后的三通在自然通風(fēng)環(huán)境下冷卻到100℃以下后，進(jìn)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(zhuǎn)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(fù)，形成回火馬氏體組織。

4.1 性能試驗(yàn)取樣

三通生產(chǎn)時(shí)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(chǎn)時(shí)的關(guān)鍵是鼓包位置，因?yàn)槿ǖ闹Ч軐墓陌恢勉@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(diǎn)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(diǎn)。肩部截取的試樣基本為橫向試樣，以檢驗(yàn)三通最薄弱區(qū)域的最薄弱方向的機(jī)械性能。

4.2 性能試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 常溫拉伸結(jié)果

三通取樣的常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度仍然大于ASME 要求的440MPa，抗拉強(qiáng)度大于620MPa。肩部的拉伸強(qiáng)度要低于腹部的拉伸強(qiáng)度，比母材也稍低。

圖10 三通常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

4.2.2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

常溫沖擊試驗(yàn)在三通肩部取橫向試樣，在三通腹部取縱向試樣，試驗(yàn)結(jié)果見圖11。

圖11 三通沖擊結(jié)果對比

三通肩部沖擊結(jié)果與腹部的沖擊結(jié)果很接近，分布也具有同樣的趨勢即外層和中間層結(jié)果差不多，要明顯好于內(nèi)層。與母材相比，不論是肩部還是腹部，沖擊結(jié)果都與母材差不多，而且外層和中間層的沖擊結(jié)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(jì)和管材的軋制工藝有較大關(guān)系。

4.2.3 硬度檢驗(yàn)

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(biāo)準(zhǔn)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(jié)果分布

圖13 高溫短時(shí)拉伸試驗(yàn)結(jié)果對比

4.2.4 610℃短時(shí)拉伸

高溫短時(shí)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(jié)果對比曲線。

從圖13 中可看到，三通肩部的高溫強(qiáng)度與母材相當(dāng)，腹部的高溫強(qiáng)度要高于母材，其高溫拉伸性能能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

通過上述試驗(yàn)分析，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，可得到以下研究結(jié)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(yàn)結(jié)果可知，P92 管件最終熱處理回火溫度在760℃時(shí)，綜合性能最好。

2)對小試樣的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了工程件驗(yàn)證，驗(yàn)證試驗(yàn)表明，熱壓三通的最薄弱位置的力學(xué)性能均滿足ASME 的要求，采用國產(chǎn)化的工藝，管件質(zhì)量能夠達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)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(chǔ)上制定管件熱壓成形和熱處理工藝規(guī)程。

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