超超臨界機(jī)組用T92無(wú)縫鋼管的研制開(kāi)發(fā)

許磊磊，肖功業(yè)，劉　源，何　彪

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

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超超臨界機(jī)組用T92無(wú)縫鋼管的研制開(kāi)發(fā)

許磊磊，肖功業(yè)，劉源，何彪

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

摘要：根據(jù)ASME SA 213/SA 213M—2013標(biāo)準(zhǔn)和GB 5310—2008標(biāo)準(zhǔn)要求，分析T92無(wú)縫鋼管的化學(xué)成分、室溫力學(xué)性能、高溫力學(xué)性能、持久強(qiáng)度和金相組織等。試驗(yàn)結(jié)果表明：T92無(wú)縫鋼管的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；T92無(wú)縫鋼管在625℃的1×105h持久強(qiáng)度外推值為89.8 MPa（標(biāo)準(zhǔn)值為87.5 MPa），在650℃的1×105h持久強(qiáng)度外推值為67.2 MPa（標(biāo)準(zhǔn)值為61.0 MPa），均高于GB 5310—2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)10Cr9MoW2VNbBN的要求。

關(guān)鍵詞：超超臨界機(jī)組；無(wú)縫鋼管；T92；持久強(qiáng)度；鉻當(dāng)量；析出相

許磊磊（1984-），男，工程師，主要從事耐熱鋼管及氣瓶鋼管鋼種研發(fā)、工藝技術(shù)及質(zhì)量控制等工作。

我國(guó)以燃煤發(fā)電機(jī)組為主的電力供應(yīng)格局在短時(shí)間內(nèi)難以改變，為了提高發(fā)電機(jī)組效率，節(jié)約一次能源，降低CO2排放，發(fā)展大容量、高參數(shù)的超超臨界火力發(fā)電機(jī)組是一個(gè)必然趨勢(shì)。目前我國(guó)已成為世界上擁有超超臨界機(jī)組最多的國(guó)家。世界上先進(jìn)、成熟達(dá)到商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的潔凈燃煤發(fā)電技術(shù)，在不少國(guó)家已推廣應(yīng)用并取得顯著節(jié)能和改善環(huán)境的效果；其最高運(yùn)行蒸汽溫度和壓力不斷地升高，對(duì)關(guān)鍵部件的材料性能提出了更高要求［1-3］。

T92鋼是在T91鋼基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善改進(jìn)化學(xué)成分配比，具有比T91更高許用應(yīng)力的新型鐵素體耐熱鋼，其合金化設(shè)計(jì)特點(diǎn)是在T91基礎(chǔ)上降低鉬元素含量，提高鎢元素含量，以提高固溶強(qiáng)化效果，經(jīng)過(guò)熱處理后大量M23C6碳化物析出于馬氏體晶界以達(dá)到強(qiáng)化晶界的目的，與此同時(shí)細(xì)小彌散分布的納米級(jí)MX相從晶內(nèi)析出以強(qiáng)化基體。因此，T92鋼具有優(yōu)異的高溫組織穩(wěn)定性與持久強(qiáng)度，適用于制作蒸汽溫度在580～600℃，金屬溫度在600～620℃鍋爐本體過(guò)熱器、再熱器［4-5］。本文主要對(duì)天津鋼管集團(tuán)股份有限公司（簡(jiǎn)稱天津鋼管）生產(chǎn)的T92無(wú)縫鋼管進(jìn)行相關(guān)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，并獲得該鋼管在正火（1 040～1 080℃×30～60 min）+回火（760～790℃×90～150 min）熱處理制度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1　工藝流程

T92無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)工藝流程為：EAF冶煉→LF精煉→VD精煉→模鑄→鍛造→退火→扒皮→管坯加熱→穿孔→連軋→張力減徑→冷床冷卻→鋸切→矯直→探傷→冷軋→熱處理→矯直→噴丸→探傷→打捆→入庫(kù)。

2　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用T92無(wú)縫鋼管，規(guī)格為Φ63.5 mm×10.5 mm，ASME SA 213/SA 213M—2013《鍋爐、過(guò)熱器和換熱器用無(wú)縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》［6］和GB 5310—2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》［7］標(biāo)準(zhǔn)對(duì)相應(yīng)材質(zhì)牌號(hào)的化學(xué)成分要求比較寬，該類鋼中Cr含量較高，添加的強(qiáng)化元素W、Mo、V和Nb等也是鐵素體穩(wěn)定化元素。增加鋼的鉻當(dāng)量，按照標(biāo)準(zhǔn)控制化學(xué)成分則極有可能產(chǎn)生大量δ鐵素體，δ鐵素體的形成將降低鋼的持久強(qiáng)度和沖擊韌性等［8］。因此，合理地確定各種元素之間的配比是生產(chǎn)T92無(wú)縫鋼管的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

T92無(wú)縫鋼管中鐵素體形成元素含量較高，則該鋼相圖中奧氏體區(qū)域越小，鐵素體相區(qū)越大，越易形成δ鐵素體。由于合金元素的擴(kuò)散系數(shù)很小，即使經(jīng)過(guò)擴(kuò)散退火也很難消除由枝晶偏析引起的δ鐵素體。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，以舍費(fèi)勒（Schaeffler）圖為依據(jù)合理地控制T92鋼鎳當(dāng)量和鉻當(dāng)量，將鐵素體形成元素和奧氏體形成元素合理地配比，可以保證組織位于馬氏體單相區(qū)，避免管坯中形成δ鐵素體，進(jìn)而保證了T92無(wú)縫鋼管高溫持久強(qiáng)度和抗蒸汽氧化性能［9-11］。

Mo元素具有顯著的固溶強(qiáng)化作用，能夠優(yōu)先溶于固溶體中，是鋼中主要的固溶強(qiáng)化元素。W元素也是固溶強(qiáng)化元素，但W、Mo元素會(huì)促進(jìn)Laves相形成，消耗T92無(wú)縫鋼管基體中的W、Mo元素，從而減弱固溶強(qiáng)化作用。雖然在Laves相形成的初期，細(xì)小Laves相有利于提高T92鋼的蠕變斷裂強(qiáng)度，但是隨著高溫蠕變時(shí)間的延長(zhǎng)，Laves相會(huì)出現(xiàn)明顯的聚集和粗化，當(dāng)其長(zhǎng)大到一定尺寸后容易誘發(fā)蠕變孔洞形核，不利于T92鋼的抗蠕變性能；因此應(yīng)合理控制Mo、W元素含量。C元素主要是與Cr元素結(jié)合形成M23C6析出物，從而起到強(qiáng)化晶界的作用；C元素還會(huì)影響馬氏體轉(zhuǎn)變溫度和鉻當(dāng)量；C元素含量較高時(shí)，容易在焊接過(guò)程中引起裂紋。Nb、V元素加入是為了和N元素結(jié)合形成細(xì)小彌散MX相，起到強(qiáng)化基體的作用［12］。T92無(wú)縫鋼管的化學(xué)成分見(jiàn)表1，各種化學(xué)元素含量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，偏差較小。

表1　T92無(wú)縫鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　%

3　試驗(yàn)內(nèi)容

3.1幾何尺寸

本次試制T92無(wú)縫鋼管的公稱尺寸為Φ63.5 mm×10.5 mm，其幾何尺寸公差按照ASME SA 213/SA 213M—2013標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，具體見(jiàn)表2。測(cè)量結(jié)果表明：T92無(wú)縫鋼管的外徑、壁厚滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，T92無(wú)縫鋼管尺寸精度高、均勻性好。

3.2室溫力學(xué)性能

常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)方法按照ASTM A 370—2014《鋼制品機(jī)械性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，具體結(jié)果見(jiàn)表3，完全滿足ASME SA 213/SA 213M—2013標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3韌-脆轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)

韌-脆轉(zhuǎn)變溫度是評(píng)價(jià)鋼種綜合性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，采用系列沖擊試驗(yàn)方法對(duì)T92無(wú)縫鋼管進(jìn)行韌-脆轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)。沖擊性能試驗(yàn)方法執(zhí)行ASTM A 370—2014標(biāo)準(zhǔn)。選取縱向沖擊試樣，試樣尺寸10 mm×7.5 mm×55 mm，試驗(yàn)溫度為-60～20℃，每隔10℃測(cè)定一組3個(gè)沖擊試樣取其平均值，進(jìn)行Boltzmann函數(shù)擬合測(cè)得該規(guī)格鋼種的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度是-46.8℃。T92無(wú)縫鋼管的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度曲線如圖1所示。

表2　T92無(wú)縫鋼管的幾何尺寸

表3　T92無(wú)縫鋼管的室溫力學(xué)性能

圖1　T92無(wú)縫鋼管的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度曲線

3.4短時(shí)高溫拉伸性能

依據(jù)GB/T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，選取縱向圓形截面試樣，試驗(yàn)溫度為200～600℃。T92無(wú)縫鋼管的高溫拉伸性能曲線如圖2所示。由圖2可知：T92無(wú)縫鋼管在不同溫度下短時(shí)高溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均滿足ASME Code Case 2179規(guī)范要求和GB 5310 —2008對(duì)10Cr9MoW2VNbBN高溫抗拉強(qiáng)度要求。T92無(wú)縫鋼管的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率隨溫度變化關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3可以看出：隨著試驗(yàn)溫度的提高，T92無(wú)縫鋼管的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，而伸長(zhǎng)率和斷面收縮率逐步升高。

圖2　T92無(wú)縫鋼管的高溫拉伸性能曲線

圖3　T92無(wú)縫鋼管的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率隨溫度變化曲線

3.5金相檢驗(yàn)

對(duì)T92無(wú)縫鋼管進(jìn)行非金屬夾雜物、脫碳層和顯微組織檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出：T92無(wú)縫鋼管中的非金屬夾雜物等級(jí)滿足ASME SA 213/ SA 213M—2013標(biāo)準(zhǔn)及GB 5310—2008標(biāo)準(zhǔn)要求。T92無(wú)縫鋼管經(jīng)過(guò)正火+回火熱處理后，組織全部為回火馬氏體。T92無(wú)縫鋼管的金相顯微組織如圖4所示。

表4　T92無(wú)縫鋼管的非金屬夾雜物、金相組織及脫碳層

圖4　T92無(wú)縫鋼管的金相顯微組織

T92無(wú)縫鋼管在較寬冷卻速度范圍內(nèi)從淬火溫度（1 040～1 080℃）冷卻到室溫可獲得完全的板條馬氏體組織，再經(jīng)高溫回火（760～790℃）可獲得回火馬氏體組織和彌散分布的M23C6型碳化物、MX型碳氮化物［13-14］。M23C6型碳化物和MX型碳氮化物對(duì)T92無(wú)縫鋼管的基體組織起到彌散強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用。

T92無(wú)縫鋼管中的大部分析出相是M23C6型碳化物，一般為（Fe、Cr或Mo）23C6復(fù)雜的面心立方結(jié)構(gòu)，多分布于馬氏體板條界，M23C6型碳化物在板條界面以短條狀析出。T92無(wú)縫鋼管的析出相組織形態(tài)如圖5所示。在高溫回火過(guò)程中M23C6相在界面處快速析出，在晶界處通過(guò)釘扎位錯(cuò)而阻礙其運(yùn)動(dòng)，從而能夠有效地抑制板條馬氏體的回復(fù)，提高T92鋼蠕變強(qiáng)度和壽命。

T92鋼組織中MX相主要是V、Nb富集碳化物，MX相尺寸非常細(xì)小且熱穩(wěn)定性高，尤其是富Nb的MX化合物即使在奧氏體化溫度時(shí)仍不能完全溶解，在奧氏體化過(guò)程中未溶解富Nb的MX化合物可以限制奧氏體晶粒過(guò)度長(zhǎng)大，起到細(xì)晶強(qiáng)化作用。MX相是通過(guò)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)沉淀強(qiáng)化，其主要強(qiáng)化機(jī)制分為位錯(cuò)繞過(guò)機(jī)制和位錯(cuò)切過(guò)機(jī)制。在MX相析出初期，由于其尺寸很小且位置很近，位錯(cuò)不能繞過(guò)，只能發(fā)生切過(guò)，使基體同位錯(cuò)一起產(chǎn)生變形，增加位錯(cuò)滑移阻力，從而提高基體屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度［15-16］。

圖5　T92無(wú)縫鋼管的析出相組織形態(tài)

3.6高溫持久性能試驗(yàn)

在RD2-3型高溫蠕變持久試驗(yàn)機(jī)上，按照GB/T 2039—2012《金屬材料單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》進(jìn)行625℃和650℃高溫持久性能試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值選取GB 5310—2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)10Cr9MoW2-% VNbBN和BS EN 10216-2∶2002《壓力用途用無(wú)縫鋼管交貨技術(shù)條件第2部分：具有高溫的非合金和合金鋼》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)X10CrWMoVNb9-2要求的最大值。625℃的1×105h持久強(qiáng)度外推標(biāo)準(zhǔn)值為87.5 MPa（插值法），實(shí)際外推值為89.8 MPa；650℃的1×105h持久強(qiáng)度外推標(biāo)準(zhǔn)值為61.0 MPa，實(shí)際外推值為67.2 MPa。625℃和650℃溫度下的持久強(qiáng)度外推值均高于標(biāo)準(zhǔn)值。T92無(wú)縫鋼管的持久強(qiáng)度外推曲線如圖6所示。

圖6　T92無(wú)縫鋼管的持久強(qiáng)度外推曲線

根據(jù)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸計(jì)算，T92無(wú)縫鋼管在625℃的持久強(qiáng)度外推方程為lgσ=2.531 62-0.115 63lgt；在650℃的持久強(qiáng)度外推方程為lgσ= 2.500 97-0.134 74lgt。

4　結(jié)　論

（1）研制的T92無(wú)縫鋼管幾何尺寸、化學(xué)成分、常規(guī)力學(xué)性能、金相組織、非金屬夾雜物級(jí)別、脫碳層深度和短時(shí)高溫拉伸性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）T92無(wú)縫鋼管在625℃的1×105h持久強(qiáng)度外推值為89.8 MPa（標(biāo)準(zhǔn)值為87.5 MPa），在650℃的1×105h持久強(qiáng)度外推值為67.2 MPa（標(biāo)準(zhǔn)值為61.0 MPa）；625℃和650℃溫度持久強(qiáng)度外推值均滿足GB 5310—2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)10Cr9MoW2VNbBN的要求。

（3）研制的T92無(wú)縫鋼管性能指標(biāo)和質(zhì)量水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，可用于超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器、再熱器等高溫承壓部件。

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R & D of T92 Seamless Steel Pipe for Servicing Ultra-supercritical Power Plant

XU Leilei，XIAO Gongye，LIU Yuan，HE Biao
（Tianjin Pipe Group Corporation，Tianjin 300301，China）

Abstract：Based on relevant requirements as specified under ASME SA 213/SA 213M—2013 and GB 5310—2008，major properties of the T92 seamless pipe are analyzed and tested，including chemical composition，ambient mechanical properties，hi-temperature mechanical properties，rupture strength and metallographic structures，etc. The results show that the T92 pipe is in possession of all the property values up to the requirements of applicable specifications，and has 625℃1×105h rupture strenght extrapolation value as 89.8 MPa（standard value：87.5 MPa），and 650℃1×105h rupture strenght extrapolation value as 67.2 MPa（standard value：61.0 MPa），both being higher than what is required by GB 5310—2008 for the 10Cr9MoW2VNbBN steel.

Key words：ultra-supercritical power plant；seamless steel pipe；T92；rupture strength；chromium equivale-% nt；precipitate phase

收稿日期：（2015-05-18；修定日期：2015-08-07）

中圖分類號(hào)：TG335.71搖

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B搖

文章編號(hào)：1001-2311（2016）01-0018-05