郭元蓉，詹 勇，胡茂會(huì)，吳 紅，陳 雨

（攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司，四川 成都 610303）

P92無縫鋼管的研制*

郭元蓉，詹 勇，胡茂會(huì)，吳 紅，陳 雨

（攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司，四川 成都 610303）

介紹了研制P92無縫鋼管取得的成果和生產(chǎn)工藝特點(diǎn)。對(duì)研制的P92無縫鋼管進(jìn)行的高溫拉伸性能和高溫持久性能等性能評(píng)定結(jié)果表明：該無縫鋼管具有均勻的金相組織，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)和工藝性能完全滿足ASME SA 335/SA 335M標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和高溫鍋爐管道使用要求。

P92無縫鋼管；超超臨界發(fā)電機(jī)組；高溫鍋爐管道；新型熱強(qiáng)鋼；生產(chǎn)工藝

*國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2007BAE51B02）

郭元蓉（1963-），女，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，首席工程師，主要從事鋼管新產(chǎn)品開發(fā)工作。

目前，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展帶來了電力需求的急劇增加，發(fā)電裝機(jī)容量和發(fā)電量均居世界第二位，其中火電機(jī)組裝機(jī)容量占全國供能裝機(jī)容量的75%左右。但是國內(nèi)鍋爐用鋼的研制長期落后于日本、歐美等技術(shù)先進(jìn)國家和地區(qū)，導(dǎo)致我國火電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)長期處于低水平狀態(tài)［1-3］。按照國家“優(yōu)先開發(fā)水電，積極發(fā)展核電，優(yōu)化發(fā)展火電”的能源戰(zhàn)略，提高機(jī)組效率，降低煤耗，建設(shè)高效率、大容量的超超臨界（USC）機(jī)組已成為火電機(jī)組發(fā)展主流。這對(duì)火力發(fā)電設(shè)備制造的關(guān)鍵材料——熱強(qiáng)鋼材提出了更高的質(zhì)量要求和新的挑戰(zhàn)?；痣姍C(jī)組蒸汽參數(shù)與熱效率、煤耗的關(guān)系見表1［4］。

自20世紀(jì)80年代USC機(jī)組問世以來，超超臨界技術(shù)已在日本、德國、丹麥等國家和地區(qū)大量投產(chǎn)使用。我國是USC機(jī)組技術(shù)后起國家，進(jìn)入21世紀(jì)才開始引進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，建造自己的USC機(jī)組。至2010年，我國運(yùn)行和在建的1 000 MW USC機(jī)組（蒸汽壓力25.0～26.5 MPa、蒸汽溫度600℃）已超過97臺(tái)［5］，成為世界上擁有USC機(jī)組最多的國家。USC機(jī)組的苛刻蒸汽參數(shù)需要鐵素體耐熱鋼具有良好的力學(xué)性能和抗氧化特性，這就使得新型高Cr鋼的研發(fā)成為發(fā)展超超臨界機(jī)組的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

我國USC機(jī)組技術(shù)研究剛剛起步，尚未形成成套技術(shù)，根本原因就是高端鍋爐鋼材料和產(chǎn)品技術(shù)落后；因此，目前國內(nèi)USC機(jī)組用新型熱強(qiáng)鋼P(yáng)92鋼管基本依靠進(jìn)口，不僅耗費(fèi)巨資，在某種程度上制約了我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度，也威脅到國家的能源安全。

表1 火電機(jī)組蒸汽參數(shù)與熱效率、煤耗的關(guān)系

本文將重點(diǎn)介紹攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司（簡稱攀成鋼）研制P92無縫鋼管的工藝和成果。

1 工藝研究

P92鋼屬“多元素復(fù)合強(qiáng)化”的新型熱強(qiáng)鋼，其合金含量高，冶金質(zhì)量要求高，冶煉控制技術(shù)難度大，且熱塑性變形的溫度范圍窄，制管工藝復(fù)雜。首先在成分設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)平衡考慮固溶、沉淀析出、位錯(cuò)和亞結(jié)構(gòu)等多種強(qiáng)化方式的復(fù)合作用效果，充分考慮各元素對(duì)持久強(qiáng)度的影響，確定最佳化學(xué)成分控制范圍；其次熱處理工藝是保障鍋爐管性能的關(guān)鍵工序，工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)研究和優(yōu)化最佳熱處理工藝。攀成鋼開發(fā)的P92無縫鋼管生產(chǎn)工藝具有以下特點(diǎn)：

（1） 采用“電爐+爐外精煉（LF）+真空脫氣（VD）”或電渣重熔的冶煉工藝，能夠保證P92鋼的高純凈度和低氣體含量，滿足USC機(jī)組用P92鋼的冶煉質(zhì)量要求和化學(xué)成分控制要求。

（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)的成分為獲得最優(yōu)的P92無縫鋼管性能和組織奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)通過控制Cr、Ni當(dāng)量，解決了δ鐵素體含量控制問題，也有助于防止過多δ鐵素體導(dǎo)致的鋼管內(nèi)折缺陷，有利于提高鋼管的持久性能。

（3）針對(duì)P92鋼作為鐵素體型馬氏體耐熱鋼種在熱穿孔性能方面的特殊性，采取合適的穿孔溫度和穿孔工藝，包括采用空心錠鍛造坯軋管工藝，解決了該鋼種熱軋管的關(guān)鍵工藝技術(shù)［6］。

（4）根據(jù)P92無縫鋼管的不同外徑和壁厚，熱處理工藝通過對(duì)加熱溫度及保溫時(shí)間、冷卻介質(zhì)及冷卻速度等參數(shù)采取不同的工藝控制措施，解決了P92無縫鋼管獲得均勻的回火板條馬氏體組織而保證性能穩(wěn)定的技術(shù)難題。

2 產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果

按ASME SA 335/SA 335M《高溫用無縫鐵素體合金鋼公稱管》標(biāo)準(zhǔn)［7］和相關(guān)技術(shù)協(xié)議規(guī)定，對(duì)試制的P92無縫鋼管進(jìn)行了化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊性能、金相組織、晶粒度及高倍夾雜物評(píng)級(jí)等各項(xiàng)試驗(yàn)。

2.1 化學(xué)成分

ASME SA 335/SA 335M標(biāo)準(zhǔn)中P92鋼的化學(xué)成分見表2。從表2可以看出：標(biāo)準(zhǔn)中各個(gè)元素的限定范圍較寬，但關(guān)鍵是如何確定各合金元素的最佳配比。

表2 ASME SA 335/SA 335M標(biāo)準(zhǔn)中P92鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

對(duì)研制的P92無縫鋼管的化學(xué)成分試驗(yàn)結(jié)果表明：其化學(xué)成分完全滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，有害元素含量控制優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)，為w（S）=0.003%～0.006%、w（P）=0.012%～0.013%；Cr、Ni當(dāng)量控制合適，能夠充分保證P92產(chǎn)品性能，滿足δ鐵素體含量的控制要求。

2.2 常溫力學(xué)性能

研制的P92無縫鋼管常溫力學(xué)性能見表3。從表3可以看出：研制的P92無縫鋼管的常溫力學(xué)性能穩(wěn)定，指標(biāo)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2.3 金相組織、晶粒度及非金屬夾雜物評(píng)級(jí)

對(duì)P92無縫鋼管進(jìn)行了金相組織、晶粒度及非金屬夾雜物評(píng)級(jí)等項(xiàng)目的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果均滿足且優(yōu)于ASME SA 335/SA 335M標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。金相組織為均勻的回火馬氏體組織，其中的δ鐵素體含量控制較好，Φ508 mm×80 mm P92無縫鋼管金相組織中δ鐵素體含量小于1%，在電力規(guī)范要求的范圍內(nèi)。不同規(guī)格P92無縫鋼管的金相組織如圖1～3所示。

表3 研制的P92無縫鋼管常溫力學(xué)性能

圖1 Φ299 mm×30 mm P92無縫鋼管金相組織

圖2 Φ325 mm×75 mm P92無縫鋼管金相組織

圖3 Φ508 mm×80 mm P92無縫鋼管金相組織

3 P92無縫鋼管性能評(píng)定

電力和鋼鐵行業(yè)相關(guān)機(jī)構(gòu)先后對(duì)攀成鋼研制的P92無縫鋼管進(jìn)行了一系列性能評(píng)定，試驗(yàn)檢測項(xiàng)目包括常規(guī)理化性能、金相組織、高溫力學(xué)性能、系列溫度沖擊韌性、碳化物分析、持久強(qiáng)度、蠕變?cè)囼?yàn)、焊接工藝性能及長期時(shí)效性能等。

圖4 P92樣管的拉伸性能與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

3.1 部分評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 高溫拉伸性能

對(duì)Φ299 mm×30 mm P92無縫鋼管取縱橫向、內(nèi)外層試樣，進(jìn)行400℃、500℃、550℃、600℃、610℃、620℃和630℃高溫拉伸試驗(yàn)，P92樣管的拉伸性能與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼管的縱橫向、內(nèi)外層的強(qiáng)度均勻性較好，其高溫強(qiáng)度處于GB 5310—2008標(biāo)準(zhǔn)［8］要求的外延曲線上方，高溫強(qiáng)度數(shù)據(jù)處于曼內(nèi)斯曼試驗(yàn)平均數(shù)據(jù)附近，高溫Rp0.2也優(yōu)于EN 10216—2007標(biāo)準(zhǔn)［9］中的數(shù)據(jù)值，以及與文獻(xiàn)［10］數(shù)據(jù)對(duì)比，均顯示攀成鋼研制的P92無縫鋼管性能較好。

3.1.2 高溫持久性能

持久試驗(yàn)溫度為610℃和630℃。采用等溫法外推10萬h的持久強(qiáng)度分別為120.1 MPa、98.5 MPa，高于GB 5310—2008規(guī)定的外推10萬h持久強(qiáng)度要求（610℃不小于106 MPa、630℃不小于82 MPa），也高于EN 10216規(guī)定的持久強(qiáng)度要求（610℃不小于100 MPa、630℃不小于75 MPa）。

按照DL/T 5366—2006《火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)［11］規(guī)定，計(jì)算出P92無縫鋼管在610℃和630℃下的許用應(yīng)力分別為80.1 MPa和 65.7 MPa，優(yōu)于 GB 5310—2008和 EN 10216—2007推薦的許用應(yīng)力以及歐洲蠕變合作委員會(huì)（European Creep Cooperation Committee，ECCC）2005年評(píng)估計(jì)算的許用應(yīng)力。研制的P92無縫鋼管高溫持久強(qiáng)度和許用應(yīng)力見表4，實(shí)際許用應(yīng)力與標(biāo)準(zhǔn)推薦數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5所示。

表4 P92無縫鋼管高溫持久強(qiáng)度和許用應(yīng)力

Φ508 mm×80 mm P92無縫鋼管600℃高溫持久強(qiáng)度測試結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，研制的P92無縫鋼管高溫持久強(qiáng)度性能達(dá)到ECCC和日本國際化學(xué)材料協(xié)會(huì)（National Institute for Materials Science，NIMS）推薦值，滿足ASME SA 335/SA 335M等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.2 產(chǎn)品評(píng)定結(jié)果

（1）化學(xué)成分符合ASME SA 335/SA 335M和GB 5310—2008等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)P92類鋼成分的技術(shù)要求；鋼管的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、硬度等指標(biāo)均滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求；鋼管縱橫向、內(nèi)外層強(qiáng)度，以及硬度等均勻性較好。

（2）P92鋼管金相組織為回火板條馬氏體，縱橫向無明顯差異，鐵素體的含量為1%～2%，滿足DL/T 438—2009標(biāo)準(zhǔn)［12］對(duì)于鐵素體含量不大于5%的要求。

（3）P92樣管在610℃、630℃的10萬h持久強(qiáng)度分別為120.1 MPa、98.5 MPa，許用應(yīng)力分別為80.1 MPa、65.7 MPa，優(yōu)于GB 5310—2008和EN 10216—2007推薦的許用應(yīng)力。

圖5 P92鋼管實(shí)際許用應(yīng)力與標(biāo)準(zhǔn)推薦數(shù)據(jù)對(duì)比

圖6 Φ508 mm×80 mm P92無縫鋼管600℃高溫持久強(qiáng)度測試結(jié)果

以上結(jié)果表明：攀成鋼生產(chǎn)的P92無縫鋼管成分及性能符合GB 5310—2008、ASME SA 335/SA 335M和EN 10216—2007標(biāo)準(zhǔn)中P92的技術(shù)條件要求，組織結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定的馬氏體組織。其在力學(xué)性能、組織狀態(tài)、工藝性能以及高溫長時(shí)性能等方面均已滿足高溫鍋爐管道要求。

4 結(jié) 論

（1）研制的P92無縫鋼管設(shè)計(jì)成分優(yōu)化，滿足P92鋼性能和鐵素體含量控制要求，軋管及熱處理工藝解決了該類鐵素體型馬氏體耐熱鋼在軋制質(zhì)量控制、獲得均勻馬氏體組織等關(guān)鍵技術(shù)問題，生產(chǎn)工藝具有獨(dú)創(chuàng)性和先進(jìn)性。

（2）各項(xiàng)試驗(yàn)及評(píng)定的結(jié)論表明，研制的P92無縫鋼管的冶金質(zhì)量、各項(xiàng)力學(xué)性能（常溫、高溫、短時(shí)、持久）指標(biāo)、工藝性能以及金相組織均符合ASME SA 335/SA 335M標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，滿足鍋爐制造及電站高溫管道使用要求，可替代進(jìn)口P92無縫鋼管。

（3）國產(chǎn)P92無縫鋼管的成功研制，打破了制約我國形成超超臨界火電機(jī)組成套技術(shù)的“瓶頸”問題，能夠提高火力發(fā)電設(shè)備的制造水平和競爭力，滿足國家電力工業(yè)發(fā)展的需要。

［1］郭元蓉，吳紅.P91無縫鋼管國產(chǎn)化研究進(jìn)展［J］.鋼管，2008，37（1）：22-27.

［2］成海濤，郭元蓉.核電用管現(xiàn)狀及國產(chǎn)化進(jìn)展［J］.鋼管，2008，37（4）：1-5.

［3］成海濤，趙彥芬，郭元蓉，等.我國核電用無縫鋼管國產(chǎn)化的新進(jìn)展［J］.鋼管，2011，40（1）：8-11.

［4］楊富，李為民，任永寧.超臨界、超超臨界鍋爐用鋼［J］.電力設(shè)備，2004，5（10）：41-46.

［5］毛健雄.700℃超超臨界機(jī)組高溫材料研發(fā)最新進(jìn)展［C］//超超臨界機(jī)組技術(shù)交流2011年會(huì)論文集，2011.

［6］攀鋼集團(tuán)成都鋼鐵有限責(zé)任公司.模鑄空心鋼錠軋制無縫鋼管的方法：中國，200810305681.7［P］.2009-05-27.

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［9］歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì).EN 10216-2—2007壓力無縫鋼管交貨技術(shù)條件 第2部分：帶特定高溫性能的非合金和合金鋼管［S］.2007.

［10］瓦盧瑞克·曼內(nèi)斯曼鋼管公司.T92/P92鋼手冊(cè)［C］//超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)論文集，2005.

［11］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì).DL/T 5366—2006火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國電力出版社，2006.

［12］中華人民共和國國家能源局.DL/T 438—2009火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程［S］.北京：中國電力出版社，2009.

R&D of P92 Seamless Steel Pipe

GUO Yuanrong，ZHAN Yong，HU Maohui，WU Hong，CHEN Yu
（Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.，Ltd.，Chengdu 610303，China）

Described here are the research and development achievements of the P92 seamless steel pipe and the characteristics of its production process.The results of the tests of hi-temperature tensile property and hi-temperature endurance property of the P92 seamless steel pipe indicate that the seamless steel pipe of this grade has homogeneous metallographic structure，and its mechanical properties and technological properties can fully satisfy the requirements of ASME SA 335/SA 335M and the application requirements of the high temperature boiler pipeline.

P92 seamless steel pipe；ultra supercritical power unit；high temperature boiler pipe；new type refractory steel；production technology

TG335.71

B

1001-2311（2014）03-0029-05

2013-08-07；修定日期：2014-02-26）