旋軋擴(kuò)徑工藝生產(chǎn)大直徑中薄壁P91無(wú)縫鋼管實(shí)踐

姚家華，何彪，肖功業(yè)，趙慶權(quán)，王國(guó)亮，張俊萍

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

旋軋擴(kuò)徑工藝生產(chǎn)大直徑中薄壁P91無(wú)縫鋼管實(shí)踐

姚家華，何彪，肖功業(yè)，趙慶權(quán)，王國(guó)亮，張俊萍

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

介紹了采用Ф460mm PQF連軋管機(jī)組熱軋，再經(jīng)Ф720mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)組旋軋擴(kuò)徑，生產(chǎn)大直徑中薄壁P91無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)工藝；分析了生產(chǎn)的P91無(wú)縫鋼管的性能。結(jié)果表明：采用旋軋擴(kuò)徑工藝生產(chǎn)的P91無(wú)縫鋼管，其化學(xué)成分、成品幾何尺寸和力學(xué)性能等均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；其持久強(qiáng)度與常規(guī)熱軋管機(jī)組生產(chǎn)的相當(dāng)，產(chǎn)品可以在高溫高壓環(huán)境下應(yīng)用。

無(wú)縫鋼管；大直徑；中薄壁；P91；旋軋；性能

眾所周知，P91因其w（Cr）為9%和w（Mo）為1%，在高溫抗氧化和高溫強(qiáng)度上有突出表現(xiàn)。同時(shí)通過(guò)添加V、Nb、N等微合金化元素，在晶界和晶內(nèi)形成了大量形狀復(fù)雜的Nb、V（C，N），該析出相具有高溫長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)大不明顯的優(yōu)點(diǎn)，從而大大提高P91鋼的高溫持久強(qiáng)度［1］，同時(shí)還保持了原9Cr-1Mo鋼的優(yōu)良的抗高溫腐蝕性能［2］。因此，P91經(jīng)常被用于主蒸汽管道、再熱蒸汽管道熱端及其他高溫承壓設(shè)備。

P91的合金含量高，其冶煉以及軋制過(guò)程比較困難，雖然國(guó)產(chǎn)大直徑厚壁P91無(wú)縫鋼管的各項(xiàng)性能能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求［3］，但是大直徑中薄壁無(wú)縫鋼管由于變形量大，在國(guó)際上也很少有適合軋制該產(chǎn)品的熱連軋機(jī)組，而大多是采用熱軋或熱擠壓后進(jìn)行冷拔（軋）的工藝。冷拔（軋）是在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的加工工藝。由于冷加工后鋼管的晶粒很細(xì)小，而在隨后的熱處理過(guò)程中晶粒又很難長(zhǎng)大［4］，雖然細(xì)小的晶粒使P91的高溫抗氧化性能更優(yōu)異［5］，但在超過(guò)晶界和晶內(nèi)等強(qiáng)溫度時(shí)，會(huì)明顯降低高溫持久強(qiáng)度。

采用推制式擴(kuò)管工藝生產(chǎn)大直徑中壁厚P91無(wú)縫鋼管時(shí)，由于熱擴(kuò)管的變形過(guò)程中外表面沒(méi)有約束力，因此鋼管徑向變形為拉應(yīng)力變形，制管時(shí)會(huì)將母管的缺陷擴(kuò)大，使原有軋制緊密的結(jié)構(gòu)變疏松，從而大大影響了P91無(wú)縫鋼管的安全使用［6］。采用該工藝生產(chǎn)的大直徑P91無(wú)縫鋼管，一般不建議在450℃以上環(huán)境中使用。

天津鋼管集團(tuán)股份有限公司采用鍛坯進(jìn)行軋制，并在Ф720mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)組上進(jìn)一步旋軋，生產(chǎn)出了符合標(biāo)準(zhǔn)要求的大直徑中薄壁P91無(wú)縫鋼管。本文對(duì)該P(yáng)91無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)情況進(jìn)行介紹。

1 生產(chǎn)工藝

Φ508mm×20.62mm規(guī)格P91無(wú)縫鋼管的具體生產(chǎn)工藝流程為：EAF電弧爐冶煉+LF精煉+VD精煉+模鑄+鍛造→環(huán)形爐加熱+穿孔+Φ460 mm PQF連軋+定（減）徑+探傷→坯管加熱+旋軋擴(kuò)徑+均整+定（減）徑+超聲波探傷→熱處理+性能檢驗(yàn)+內(nèi)外修磨+探傷+水壓+人工檢驗(yàn)+入庫(kù)。

1.1 煉鋼

冶煉P91原料采用優(yōu)質(zhì)廢鋼或返回料+鐵水，煉鋼過(guò)程除精確控制合金元素外，尤其對(duì)S、P以及“五害”元素進(jìn)行嚴(yán)格控制，以防止其影響P91鋼的高溫性能［7］；同時(shí)，嚴(yán)格要求VD精煉時(shí)的高真空脫氣時(shí)間以及破空喂絲后的弱攪時(shí)間，保證鋼中的夾雜物充分上浮。

1.2 軋管

Φ508mm×20.62mm規(guī)格P91無(wú)縫鋼管是大直徑中薄壁鋼管，很難一次成型；因此，經(jīng)Ф460 mm PQF連軋管機(jī)組熱軋后，坯管加熱，再由Ф720mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)組旋軋，經(jīng)旋軋擴(kuò)徑、均整、定（減）徑3道次熱變形后，軋制成成品規(guī)格。

由于上述3道次變形的外表面均有軋輥約束；因此，P91無(wú)縫鋼管的徑向變形為壓應(yīng)力，鋼管組織更加致密，有益于鋼管的高溫使用性能。

1.3 熱處理

采用步進(jìn)梁式連續(xù)熱處理爐進(jìn)行熱處理。相對(duì)于箱式爐，步進(jìn)梁式連續(xù)熱處理爐的爐溫更均勻，鋼管由于旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，管體受熱也更均勻，從而使得鋼管管體性能均勻。參考文獻(xiàn)［8-9］并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，制定P91無(wú)縫鋼管的熱處理工藝：正火1 040～1 080℃，回火770～790℃。

2 產(chǎn)品性能分析

2.1 化學(xué)成分

分析Φ508 mm×20.62 mm規(guī)格P91無(wú)縫鋼管的化學(xué)成分，取兩個(gè)試樣，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出：P91無(wú)縫鋼管的化學(xué)成分符合ASTM A 335/A 335M—2013《高溫用無(wú)縫鐵素體合金鋼管技術(shù)條件》要求。“五害”元素含量較低，鋼的純凈度好。殘余元素控制要略好于國(guó)外產(chǎn)品［10］。

表1 Φ508 mm×20.62mm規(guī)格P91無(wú)縫鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.2 幾何尺寸

隨機(jī)抽取1支Φ508 mm×20.62 mm規(guī)格P91無(wú)縫鋼管，測(cè)量4個(gè)截面的幾何尺寸，其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出：P91無(wú)縫鋼管經(jīng)Ф720 mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)組旋軋后，其幾何尺寸偏差完全滿足ASTM A 335/A 335M—2013標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 室溫力學(xué)性能及工藝性能

室溫拉伸試樣采用縱向圓棒試樣，試驗(yàn)方法執(zhí)行ASME SA 370—2013《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法和定義》。Φ508 mm×20.62 mm規(guī)格P91無(wú)縫鋼管的室溫力學(xué)性能結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 Φ508mm×20.62mm規(guī)格P91無(wú)縫鋼管的幾何尺寸實(shí)測(cè)值

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)P91無(wú)縫鋼管的硬度為160 HBW時(shí)，其組織中含有大量鐵素體塊，由于位錯(cuò)發(fā)生了回復(fù)，很難再觀察到位錯(cuò)，導(dǎo)致鋼管的持久強(qiáng)度大大降低［11-12］。因此，P91無(wú)縫鋼管的硬度不能太低。從表3可以看出：Φ508 mm×20.62 mm規(guī)格P91無(wú)縫鋼管的硬度在210 HBW左右，硬度值適中。

雖然ASTM A 335/A 335M—2013標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有對(duì)P91無(wú)縫鋼管的沖擊韌性進(jìn)行要求，但鋼的純凈度、組織均勻性以及有害氣體含量等均會(huì)對(duì)沖擊韌性有影響。生產(chǎn)的Φ508 mm×20.62 mm規(guī)格P91無(wú)縫鋼管的沖擊功在200 J以上，沖擊韌性良好。

表3 Φ508mm×20.62mm規(guī)格P91無(wú)縫鋼管的室溫力學(xué)性能

2.4 高倍分析

P91無(wú)縫鋼管的熱處理態(tài)金相組織如圖1所示。P91無(wú)縫鋼管熱處理后的顯微組織為回火馬氏體，晶粒度8.5級(jí)，組織正常［13］；非金屬夾雜物等級(jí)：A系（細(xì)）、D系（細(xì)）均為0.5級(jí)，B系（細(xì)）≤1.0級(jí)，其余為0級(jí)。同時(shí)，由于化學(xué)成分配比及軋制工藝設(shè)計(jì)合理，P91無(wú)縫鋼管在熱處理后并未發(fā)現(xiàn)δ鐵素體。

文獻(xiàn)［5］結(jié)果表明：晶粒細(xì)小的P91無(wú)縫鋼管，晶界多，有利于高溫下Cr元素向鋼管表面擴(kuò)散，從而提高抗蒸汽氧化性能。但同時(shí)P91在高溫運(yùn)行時(shí)晶界強(qiáng)度要小于晶內(nèi)強(qiáng)度，因此晶粒細(xì)小對(duì)于鋼的持久強(qiáng)度不利。8.5級(jí)的晶粒度能夠使P91無(wú)縫鋼管具有最佳的抗氧化性和持久性能配比。

2.5 系列沖擊試驗(yàn)

按照ASME SA 370—2013標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)P91無(wú)縫鋼管進(jìn)行橫向全尺寸系列沖擊試驗(yàn)。P91無(wú)縫鋼管的沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，Boltzmann函數(shù)擬合曲線如圖2所示。從圖2可以看出，P91無(wú)縫鋼管的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度約為-57℃。

圖1 P91無(wú)縫鋼管的熱處理態(tài)金相組織

表4 P91無(wú)縫鋼管的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.6 短時(shí)高溫拉伸

對(duì)熱處理后的P91無(wú)縫鋼管進(jìn)行了系列短時(shí)高溫拉伸試驗(yàn)。P91無(wú)縫鋼管的短時(shí)高溫拉伸曲線如圖3所示。從圖3可以看出：P91無(wú)縫鋼管在各溫度下的實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度均滿足GB 5310—2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》（參考10Cr9Mo1VNbN的性能）要求，且有較大富余量。

2.7 持久強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)P91無(wú)縫鋼管進(jìn)行了620℃下的持久強(qiáng)度試驗(yàn)。P91無(wú)縫鋼管在不同應(yīng)力下的斷裂時(shí)間見(jiàn)表5，持久強(qiáng)度外推曲線如圖4所示。用Origin軟件進(jìn)行持久強(qiáng)度外推，得出的外推方程為：

圖2 P91無(wú)縫鋼管的沖擊Boltzmann函數(shù)擬合曲線

圖3 P91無(wú)縫鋼管的短時(shí)高溫拉伸曲線

表5 P91無(wú)縫鋼管在不同應(yīng)力下的斷裂時(shí)間

圖4 P91無(wú)縫鋼管的持久強(qiáng)度外推曲線

式中σ——外推105h后的斷裂強(qiáng)度；

由公式（1）可計(jì)算出P91無(wú)縫鋼管外推105h的持久強(qiáng)度為76.8 MPa，大于GB 5310—2008推薦的74.0 MPa。與常規(guī)熱軋管機(jī)組生產(chǎn)的P91無(wú)縫鋼管比，兩者在620℃下的持久強(qiáng)度水平相當(dāng)［14］。

3 結(jié)論

Ф720 mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)組生產(chǎn)的大直徑中薄壁P91無(wú)縫鋼管的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，620℃下的持久強(qiáng)度外推值也滿足GB 5310—2008的推薦值，且與常規(guī)熱軋管機(jī)組軋制的P91無(wú)縫鋼管持久強(qiáng)度相當(dāng)。因此，Ф720 mm斜軋擴(kuò)徑機(jī)組生產(chǎn)的大直徑中薄壁P91無(wú)縫鋼管可以應(yīng)用于高溫高壓環(huán)境。

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Prac tice of Producing Large-sized，Med ium and Light-wa ll P91 Seam less Steel Pipe w ith Rotary Expand ing M ill

YAO Jiahua，HEBiao，XIAOGongye，ZHAO Qingquan，WANGGuoliang，ZHANG Junping（Tianjin Pipe（Group）Corporation，Tianjin 300301，China）

Elaborated here in the paper is themanufacturing process ofФ460 mm PQF hot-rollingmill+Ф720 mm rotary expandingmill to produce large-sized，medium and light-wall P91 seam less steel pipes.Also analyzed are the properties of the said P91 pipe.As a result it is identified that the chem ical composition，the geometric dimensions and the mechanical properties of the pipe as made by the above mentioned process are in compliance with applicable specification，and that its rupture strength is equivalent to thatof the pipe asmade with the conventional hot-rolling process.The pipe is app licable to service in the hi-temperature/hi-pressure environment.

seam less steel pipe；large-sized；medium and light-wall；P91；rotary rolling；properties

TG335.71

B

1001-2311（2016）06-0005-04

姚家華（1966-），男，高級(jí)工程師，主要從事純凈鋼的冶煉工藝研究以及科研管理等工作。