采用連鑄坯制造的P92 鋼管性能試驗研究

敬仕煜，普曉明，何小明，曾 輝，楊 建

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司·機械工業(yè)高溫、高壓材料與焊接工程實驗室，四川 自貢 643001）

P92 鋼管是建造超超臨界燃煤電站的關鍵材料，2008年實現(xiàn)國產(chǎn)化，目前已擺脫對國外進口的依賴[1-3]。與超（超）臨界燃煤電站的另一重要材料P91 鋼管相比較，P92 鋼管適當降低了Mo 含量至0.30%～0.60%，增加了1.50%～2.00%的W，采用復合-多元的強化手段，使鋼的高溫強度進一步提高，主要適用于600～620 ℃蒸汽參數(shù)的鍋爐集箱、管道等高溫承壓部件[4-8]。P92 鋼管于1996年納入美國ASME SA 335/ SA 335M《高溫用無縫鐵素體合金管》，我國GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》中的牌號為10Cr9MoW2VNbBN。

管坯是鋼管制造原材料，分為軋坯、鍛坯和連鑄坯。對于P92、P91 鋼管這類大直徑高端材料，一般采用鍛坯制造，但其效率低、成本高，不能滿足工程急需，促使人們對高效率、低成本的大型連鑄圓坯的研究感興趣。2011年，我國開發(fā)出連鑄坯P91 鋼管，歷經(jīng)長時間性能評價后[9]，2019年開始在國內(nèi)實際工程中應用。這一成功極大地鼓舞了研發(fā)信心，依托各方努力，我國又開發(fā)出連鑄坯P92 鋼管。本文選取3 支采用國產(chǎn)連鑄坯制造的P92 大直徑厚壁鋼管，分別進行理化檢測、高溫持久試驗等，以掌握連鑄坯P92 鋼管性能，評估其工程應用可行性。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

樣管A、B、C 為國產(chǎn)連鑄坯制造的P92 大直徑厚壁鋼管。其中，樣管A 規(guī)格尺寸為Φ508 mm×40 mm，由某甲鋼管廠采用某A 冶煉廠生產(chǎn)的連鑄圓坯制造，坯料直徑為500 mm；樣管B 規(guī)格尺寸為Φ610 mm×45 mm，由某甲鋼管廠采用某B 冶煉廠生產(chǎn)的連鑄圓坯制造，坯料直徑為600 mm；樣管C 規(guī)格尺寸為Φ550 mm×105 mm ，由某乙鋼管廠采用某C 冶煉廠生產(chǎn)的連鑄圓坯制造，坯料直徑為785 mm。3 支樣管的主要制管工序為：連鑄圓坯→中心打通孔→軋制→熱處理→試驗→無損探傷→尺寸與表面檢驗→發(fā)貨。

1.2 取 樣

在樣管A、B、C 的壁厚1/2 處，分別取化學成分分析試樣。在樣管A、B、C 的壁厚1/4 附近，分別取橫向拉伸試樣（Φ12.5 mm 圓棒標準試樣）、沖擊試樣（10 mm×10 mm×55 mm 夏比V 型標準試樣）和高溫持久試樣（Φ10 mm 圓棒標準試樣）。在樣管A、B、C 的壁厚1/4、1/2、3/4 處，分別取縱向金相分析試樣。在樣管A、B、C 靠外壁、靠內(nèi)壁處，分別取正向、反向彎曲試樣（截面尺寸12.5 mm×25 mm）等。

1.3 試驗方法

化學成分分析按GB/T 11170—2008《不銹鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》和ASTM E 1019—2018《采用不同燃燒和惰性氣體中熔融技術測定鋼、鐵、鎳和鈷合金中碳、硫、氮、氧試驗方法標準》進行；室溫拉伸試驗按ASTM E 8M—2022《金屬材料拉伸試驗方法》進行；高溫拉伸試驗按ASTM E 21—2020《金屬材料高溫拉伸試驗的標準試驗方法》進行；顯微組織檢測按GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》進行；晶粒度檢測按ASTM E 112—2013《測定平均晶粒度的標準試驗方法》進行；非金屬夾雜物評級按ASTM E 45—2018a《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準試驗方法》進行；室溫沖擊試驗按ASTM E 23—2018《金屬材料缺口試樣標準沖擊試驗方法》進行；高溫持久試驗按GB/T 2039—2012《金屬材料單軸拉伸蠕變試驗方法》進行，采用等溫法，試驗溫度625 ℃；彎曲試驗按ASTM E 290—2022《金屬材料的塑性彎曲測試標準試驗方法》進行，彎芯直徑25 mm，角度180°。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 化學成分

連鑄坯P92 鋼管的化學成分分析結(jié)果見表1?？梢姡? 支樣管的化學成分均滿足ASME SA 335/SA 335M—2021 和GB/T 5310—2017 標準要求，備受關注的S、P，以及五害元素含量均極低，表明連鑄工藝生產(chǎn)的P92 鋼的鋼質(zhì)純凈。

表1 連鑄坯P92 鋼管的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）分析結(jié)果%

2.2 室溫和高溫拉伸試驗

連鑄坯P92 鋼管的室溫、高溫拉伸試驗結(jié)果如圖1 所示。鋼管的室溫拉伸性能滿足ASME SA 335/SA 335M—2021 和GB/T 5310—2017 要求；高溫拉伸性能滿足GB/T 5310—2017 要求（ASME 標準未規(guī)定該類材料的高溫拉伸性能），且裕量足夠。在500～650 ℃高溫段，樣管的屈服強度和抗拉強度均呈現(xiàn)明顯下降趨勢，其中屈服強度的下降速度緩于抗拉強度，這一現(xiàn)象與P91 鋼管相似[10]。對應預期服役溫度，樣管在600 ℃的屈服強度超過300 MPa，高于GB/T 5310—2017 標準中251 MPa 要求。同時，連鑄坯P92 鋼管的塑性良好。

圖1 連鑄坯P92 鋼管的室溫、高溫拉伸試驗結(jié)果

2.3 金相特征

連鑄坯P92 鋼管的金相特征檢測結(jié)果見表2。光學顯微鏡下，各樣管壁厚方向的不同位置的金相特征基本相似，非金屬夾雜物控制良好，組織為回火馬氏體，晶粒細于4 級，滿足GB/T 5310—2017標準要求。

表2 連鑄坯P92 鋼管的金相特征

樣管的金相組織如圖2 所示。所有試樣上都沒有觀察到高溫鐵素體（δ 鐵素體）。δ 鐵素體是一種不希望出現(xiàn)的組織，具有不可逆性，侵蝕后的微觀組織中具有平滑和細小特征。舍弗勒（Schaeffler）相圖是一種簡化的經(jīng)驗性相圖，可預測鋼材焊接及鑄態(tài)的微觀組織。參照文獻［11］，按表1 實測化學成分計算3 支樣管的Cr 當量和Ni 當量，結(jié)果如圖3所示，可見3 支樣管均不含δ 鐵素體。

圖2 樣管A 的金相組織

圖3 3 支樣管實測成分在Schaeffler 相圖中的位置

δ 鐵素體的產(chǎn)生取決于兩個因素：一是奧氏體形成元素與鐵素體形成元素之間的平衡；二是高熔點、低擴散性的溶質(zhì)元素（如W、Mo、V、Cr）在凝固時被排到液相中造成的微觀和宏觀偏析。一般來說，P92 鋼比P91 鋼更容易產(chǎn)生δ 鐵素體，特別對于厚壁鋼管（對應的原材料鋼錠的截面尺寸更大），產(chǎn)生的幾率會更高。樣管C 使用的連鑄圓坯直徑達到785 mm，也未發(fā)現(xiàn)δ 鐵素體，表明P92 鋼連鑄坯的化學成分設計合理，冶煉工藝成熟，凝固過程中成分均勻，偏析控制良好，抑制了δ 鐵素體形成傾向。

2.4 室溫沖擊試驗

連鑄坯P92 鋼管的室溫沖擊韌性見表3?？傮w上，連鑄坯P92 鋼管室溫沖擊韌性的裕度較大，但樣管C 略偏低，可能與樣管C 截面尺寸更大，軋制變形均勻性、熱處理均勻性控制難度增加等因素有關，有必要進一步改進。與文獻［1］中的國內(nèi)外P92 鋼管統(tǒng)計值相比較，連鑄坯P92 鋼管的室溫沖擊韌性略優(yōu)。

表3 連鑄坯P92 鋼管的室溫沖擊功J

2.5 彎曲試驗

樣管A、B、C 彎曲試驗后的試樣的受拉面未發(fā)現(xiàn)裂縫或裂口，滿足ASME SA 335/SA 335M—2021 和GB/T 5310—2017 標準要求。

南稍門站站位范圍主要控制管線有：友誼西路北側(cè)埋深為6.8 m的DN 2000 mm混凝土PS管，埋深為2.2 m的DN 800 mm混凝土PS管，以及兩根埋深為2.6 m、規(guī)格均為1 400 mm×1 800 mm的電力溝道和電信溝道。因此,車站主體結(jié)構(gòu)需考慮避讓對其影響較大的控制管線。

2.6 高溫持久試驗

連鑄坯P92 鋼管625 ℃持久試驗數(shù)據(jù)及外推曲線如圖4 所示，3 支樣管共28 個有效試樣，累計超20 萬臺時，超過1 萬h 的數(shù)據(jù)6 個（包括已斷裂或仍在試驗中的試樣），最長試驗時間近3 萬h。圖5 所示為連鑄坯P92 鋼管已斷裂試樣的持久塑性。

圖4 連鑄坯P92 鋼管625 ℃持久試驗數(shù)據(jù)及外推曲線

圖5 連鑄坯P92 鋼管的持久塑性

連鑄坯P92 鋼管625 ℃持久強度σ的外推方程為：lgσ=2.410 23-0.088 26lg 。連鑄坯P92 鋼管625 ℃10 萬h外推持久強度為93.1 MPa，高于ASME Code Case 2179-8 要求值（84.8 MPa）和GB/T 5310—2017 推薦值（85 MPa）。

持久強度是高壓鍋爐管的關鍵核心性能，是確定許用應力的控制性因素，高的持久強度是電站長期可靠運行的設計基礎。采用持久試驗來評價材料，或者評判其是否符合技術規(guī)范，已是一個悠久傳統(tǒng)[12-14]。從圖4 還可以看到，連鑄坯P92 鋼管625 ℃持久試驗的斷裂應力/時間的線性趨勢良好，數(shù)據(jù)分散性小，試驗周期內(nèi)未觀察到明顯轉(zhuǎn)折跡象[15-18]，表明P92 鋼優(yōu)異的淬透性所導致的馬氏體板條及其亞結(jié)構(gòu)組織的強化穩(wěn)定性良好。從圖5可以看出，隨著試驗時間延長，材料塑性有所降低，但總體基本良好。

3 討 論

連鑄坯P92 鋼管與現(xiàn)有P92 鋼管之間的區(qū)別，僅在于前者使用連鑄圓坯直接制造鋼管，而后者使用鍛坯。因此在某種意義上，探討連鑄坯P92 鋼管的工程應用可行性即是分析連鑄坯替代鍛坯的合理性和優(yōu)勢。

連鑄工藝是現(xiàn)代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的主要生產(chǎn)方式，也是衡量一個國家鋼鐵業(yè)水平的標志[19-20]。2006年之前，我國連鑄坯最大尺寸只有Φ390 mm[21]，不能生產(chǎn)P91、P92 大直徑厚壁管所需要的超大型連鑄圓坯。依托冶金技術的進步，目前我國生產(chǎn)的9%Cr 鋼連鑄圓坯的最大直徑達到了800 mm，具備批量供貨能力，這為采用連鑄坯替代鍛坯制造P92鋼管創(chuàng)造了條件。

傳統(tǒng)鍛坯可以簡單概括為模鑄+鍛造兩個過程。模鑄時，鋼水從鋼包澆注進凝固模（二者之間敞開），依靠冒口長時間保溫，讓夾雜物自然上浮，一般每爐單獨澆注。這種沒有外因協(xié)助的澆鑄工藝雖對鑄坯中心致密度有一定幫助，對純凈鋼水的效果卻很有限。而連鑄時，鋼水經(jīng)由鋼包，到中間包、結(jié)晶器，各環(huán)節(jié)之間用鋁鋯質(zhì)長水口銜接，接縫之間用氬封，是一個近似密閉的多爐依次連續(xù)澆注過程；其技術復雜、難度大，采用了保護澆注、澆注液面控制技術、大包下渣檢測技術、電磁攪拌技術、自動化專家判定技術等一系列先進技術[9]。文獻［21］對比分析了大型連鑄圓坯和模鑄鋼錠的實物質(zhì)量水平，認為連鑄鋼在氣體元素、非金屬夾雜物含量控制等方面具有模鑄無法比擬的優(yōu)勢。

美國ASME SA 335/SA 335M—2021 的配套標準ASME SA 999/SA 999M—2021《合金鋼和不銹鋼公稱管通用要求》和我國GB/T 5310—2017 標準均允許使用連鑄坯，要求鋼管的加工變形總延伸系數(shù)應不小于3。一般情況下，鍛坯P92 鋼管的累計總延伸系數(shù)（包括鋼錠鍛造和制管變形兩個部分）會明顯高于連鑄坯P92 鋼管，但后者更佳的鋼質(zhì)純凈度，以及依靠電磁攪拌等技術所獲得的良好柱狀晶形態(tài)和擴大的中心等軸晶區(qū)可以彌補這一點。筆者還認為，憑借我國當前連鑄質(zhì)量水平，滿足3 倍加工變形總延伸系數(shù)足以保證成品管質(zhì)量，沒有必要追求更高的變形比[9]。樣管A、B 的加工變形總延伸系數(shù)略高于3，各項數(shù)據(jù)滿足相關標準要求也印證了這一判斷。

數(shù)據(jù)指導決策。連鑄坯P92 鋼管的各項性能滿足標準要求，高溫持久性能優(yōu)良，證明了連鑄坯質(zhì)量的可靠性和替代鍛坯的可行性。且由于連鑄工藝的連續(xù)澆注特點，其坯料的一致性好，極少發(fā)生諸如模鑄鋼錠的澆注冒口端切除不干凈等問題，有利于鋼管質(zhì)量的穩(wěn)定，新工藝的連鑄坯P92 鋼管具有良好的工程應用前景。

4 結(jié) 論

（1） 連鑄坯P92 鋼管的各項理化性能滿足ASME SA 335/SA 335M—2021 和GB/T 5310—2017標準要求。

（2） 連鑄坯P92 鋼管625 ℃10 萬h 外推持久強度為93.1 MPa，滿足美國ASME 規(guī)范（推薦值84.8 MPa）和我國標準（推薦值85 MPa）要求。

（3） 采用連鑄坯生產(chǎn)的P92 鋼管具備了工程應用條件。