控制P91鋼管表面硬度的研究

秦利波

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

0 引言

隨著我國(guó)電站鍋爐的不斷升級(jí)，大容量、高參數(shù)的超超臨界機(jī)組對(duì)鋼材的耐熱性能和抗蒸汽腐蝕性能提出了更高要求。具有優(yōu)良綜合機(jī)械能與耐熱性能的鋼管P91成為超超臨界電站鍋爐建造的必選鋼種。同時(shí)，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DL/T438-2009規(guī)定P91鋼管硬度應(yīng)控制在180 HBW～250 HBW范圍內(nèi)[1-4]。

1 研究背景

P91鋼是由美國(guó)橡膠嶺國(guó)家試驗(yàn)室研制開發(fā)的，屬于改良的9Cr-1Mo鋼，主要用于超超臨界鍋爐高溫受壓部件。P91鋼在9Cr-1Mo鋼基礎(chǔ)上，通過(guò)限制碳元素含量范圍、加嚴(yán)控制P和S等有害元素含量，并添加 300×10-6～700×10-6的 N 元素和微量的強(qiáng)碳氮化物形成元素V和Nb，以達(dá)到析出MX化合物，從而細(xì)化晶粒、提高持久強(qiáng)度的目標(biāo)，形成了新型鐵素體型耐熱合金鋼。

表1 ASME SA-335 P91鋼硬度檢測(cè)結(jié)果 /HBW

為了提高鋼管表面硬度，使P91滿足標(biāo)準(zhǔn)DL/T438-2009，本文詳細(xì)分析了P91硬度偏低的工藝原理與鋼管表面脫碳原理，通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)熱處理工藝，研究了控制P91鋼管表面硬度的最佳熱處理制度。

2 產(chǎn)生機(jī)理

文獻(xiàn)[5] 研究了工藝失控狀態(tài)下P91硬度變化機(jī)理，其中，硬度最低值可降低至146 HBW，低于標(biāo)準(zhǔn)值180～250 HBW范圍。同時(shí)，文獻(xiàn)[6-7] 亦指出P91硬度偏低的影響因素包括：回火溫度過(guò)高（AC1～AC3度范圍內(nèi)回火）以及熱處理過(guò)程中P91鋼管表面脫碳[5-7]。

2.1 回火溫度過(guò)高

當(dāng)設(shè)定回火溫度在AC1～AC3范圍內(nèi)，P91基體組織產(chǎn)生部分相變，部分M組織轉(zhuǎn)變?yōu)锳組織，并且在冷卻過(guò)程中A組織轉(zhuǎn)變成為F+C組織，由于F組織硬度比M組織硬度低，導(dǎo)致組織硬度降低。

當(dāng)回火溫度在AC1～AC3范圍內(nèi)時(shí)，屬于回火溫度過(guò)高，F(xiàn)組織在橫截面均勻產(chǎn)生，表面硬度和基體硬度同時(shí)下降，若表面硬度低于標(biāo)準(zhǔn)下限190 HBW，則基體部位硬度值亦不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 表面脫碳

鋼管在熱處理過(guò)程中，由于周圍氧化氣氛的作用，鋼管表面會(huì)發(fā)生脫碳現(xiàn)象，造成表面碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

發(fā)生脫碳反應(yīng)時(shí)，F(xiàn)組織將在內(nèi)外表面脫碳部位產(chǎn)生。同時(shí)，觀察鋼管橫截面組織，靠近內(nèi)外表面的組織由F組織生成，而基體組織為板條狀M組織，即內(nèi)外表面組織與基體組織明顯不同。由于F組織屬于軟化相，內(nèi)外表面硬度值亦隨之降低。

當(dāng)表面脫碳問題產(chǎn)生后，P91硬度檢測(cè)結(jié)果將呈現(xiàn)出內(nèi)外表面硬度低而基體硬度高的現(xiàn)象，且當(dāng)表面脫碳較為嚴(yán)重時(shí)，表面硬度檢測(cè)結(jié)果將低于標(biāo)準(zhǔn)190～250 HBW下限。

有眼光，有魄力，身為企業(yè)的掌舵人，楊宗祥看到國(guó)內(nèi)化肥銷售已近飽和，而彼時(shí)國(guó)家政策鼓勵(lì)企業(yè)節(jié)能減排和走出去，再一次抓住政策的東風(fēng)，他在生產(chǎn)中引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，推行節(jié)能減排清潔生產(chǎn)，轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式，加強(qiáng)技術(shù)改造，降低能耗，減少污染。在生產(chǎn)上大量引進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)工藝、技術(shù)和設(shè)備，使產(chǎn)品的質(zhì)量、數(shù)量及各項(xiàng)指標(biāo)在同行業(yè)中處于領(lǐng)先地位。

3 原因分析

3.1 試樣制備

本文試驗(yàn)采用硬度檢測(cè)合格的P91成品管，規(guī)格Φ194 mm×36 mm，長(zhǎng)度600 mm試樣，化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 ASME SA-335 P91鋼化學(xué)成分/%

將P91試樣進(jìn)行熱處理模擬試驗(yàn)，工藝制度如下：

3.2 硬度檢測(cè)與組織分析

在模擬熱處理后進(jìn)行硬度值檢測(cè)，出現(xiàn)了表面硬度值偏低，超出標(biāo)準(zhǔn)范圍180～250 HBW范圍的情況，硬度值檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 熱處理后硬度檢測(cè)結(jié)果 /HBW

硬度檢測(cè)結(jié)果表明，鋼管表面硬度值最低為170 HBW，而鋼管基體中部硬度值則滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其表面硬度明顯低于壁厚中部的硬度值，分析認(rèn)為鋼管表面硬度值偏低的原因?yàn)楸砻婷撎紝拥挠绊憽Ｒ虼?，取鋼管橫截面試樣進(jìn)行金相組織觀察，結(jié)果如圖1所示。

圖1 模擬熱處理金相檢驗(yàn)結(jié)果

如圖1可知，P91鋼管經(jīng)正火+回火熱處理工藝后，其表面存在脫碳問題。檢驗(yàn)結(jié)果表明，其內(nèi)表面脫碳層 0．2 mm，外表面脫碳層 0．3 mm，且模擬熱處理后在脫碳的鋼管表面存在F組織，而基體組織則不存在F組織，基體組織觀察如圖2所示。

基體中部組織觀察表明，基體組織為M回組織，不存在F組織，因此，分析認(rèn)為脫碳引起的F組織生產(chǎn)是表面硬度偏低的主要原因。

3.3 脫碳層影響因素分析

在熱處理過(guò)程中，由于在高溫狀態(tài)下空氣的氧化作用，碳元素不斷向鋼管表面擴(kuò)散，脫碳介質(zhì)的擴(kuò)散過(guò)程符合菲克第一定律：

式中，D為碳原子擴(kuò)散系數(shù)；C為溶質(zhì)原子濃度；x為擴(kuò)散方向。

由菲克第一定律可知，擴(kuò)散速度主要影響因素為擴(kuò)散常數(shù)和碳原子濃度，擴(kuò)散速度與擴(kuò)散系數(shù)和濃度梯度成正比例關(guān)系。因此，應(yīng)通過(guò)降低擴(kuò)散系數(shù)D，進(jìn)而降低擴(kuò)散速度，減少表面脫碳層。擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算公式如下：

圖2 模擬熱處理金相檢驗(yàn)結(jié)果(基體)

式中，D0為擴(kuò)散常數(shù)；Q為激活能；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

由此可見，擴(kuò)散系數(shù)與溫度T成指數(shù)相關(guān)關(guān)系，隨著溫度的增加，原子擴(kuò)散系數(shù)增加。因此，可通過(guò)降低溫度，實(shí)現(xiàn)降低擴(kuò)散系數(shù)，減少脫碳層的深度。同時(shí)，在相同的溫度條件下，長(zhǎng)時(shí)間的熱處理工藝可導(dǎo)致脫碳層的加重，因此，適當(dāng)減少熱處理時(shí)間可減輕脫碳層的程度。

4 試驗(yàn)研究

4.1 溫度的影響

鋼管P91模擬熱處理工藝為正火+回火，本文首先研究了在不同的工序溫度下對(duì)脫碳的影響規(guī)律。設(shè)定工藝制度如表4所示。

表4 熱處理工藝制度

采用3．1節(jié)所制備的試樣，執(zhí)行表4工藝制度，進(jìn)行表面硬度試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 熱處理檢驗(yàn)結(jié)果

由表5檢驗(yàn)結(jié)果可知，隨著正火工藝保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，內(nèi)外表面脫碳層深度明顯增加，而回火工藝保溫時(shí)間的延長(zhǎng)并未引起脫碳層的明顯增加，由此分析可知，引起鋼管表面脫碳的主要熱處理工序?yàn)檎?。由于正火工序溫度較高，原子擴(kuò)散速度相對(duì)較快，因此，在增加30min正火時(shí)間的條件下，內(nèi)外表面脫碳層深度均明顯增加。對(duì)于回火工序，由于設(shè)定溫度較低，在增加保溫時(shí)間的條件下，熱處理并未引起內(nèi)外表面脫碳層的明顯增加。

4.2 工藝制度

由4．1節(jié)試驗(yàn)結(jié)果可見，延長(zhǎng)正火工序保溫時(shí)間，鋼管表面脫碳層明顯增加，因此，應(yīng)適當(dāng)降低正火工序的保溫時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)減少表面脫碳層深度的目標(biāo)。設(shè)定工藝制度如表6所示。

表6 熱處理工藝制度

采用3．1節(jié)所制備的試樣，執(zhí)行表6工藝制度進(jìn)行表面硬度試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 脫碳層檢驗(yàn)結(jié)果

由表7可見，隨著正火工藝保溫時(shí)間的減少內(nèi)外表面脫碳層深度明顯減少，且工藝2-2，2-3可滿足190～250 HBW表面硬度的規(guī)定范圍。同時(shí)，對(duì)基體硬度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表8所示。

表8 基體硬度檢驗(yàn)結(jié)果 /HBW

據(jù)表8檢測(cè)結(jié)果可知，2-3工藝基體硬度超出了硬度上限250HBW，不能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，而2-2工藝基體硬度檢測(cè)結(jié)果可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)工藝2-2性能檢測(cè)結(jié)果如表9所示，工藝2-2試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，可應(yīng)用于P91生產(chǎn)實(shí)踐。

5 結(jié)論

組織觀察結(jié)果表明，模擬熱處理后P91表面產(chǎn)生0．2～0．3 mm的脫碳層，鋼管表面產(chǎn)生了F組織由于F組織屬于軟化相，因此鋼管表面硬度值偏低，需控制鋼管表面脫碳層深度。

影響表面脫碳的主要工序?yàn)檎?，控制正火保溫時(shí)間由90 min降低至60 min，表面脫碳層深度可降低0．05～0．15 mm，且內(nèi)外表面硬度值檢測(cè)結(jié)果分別為201 HBW和197 HBW，表面硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比，P91鋼管最佳熱處理工藝為1 050℃×60 min+780℃×120 min，基體硬度與表面硬度值可滿足180～250 HBW，且性能檢測(cè)結(jié)果能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表9 工藝2-2性能檢驗(yàn)結(jié)果