何 彪,趙慶權(quán),肖功業(yè),王國亮,張俊萍,秦利波

(天津鋼管集團股份有限公司技術(shù)中心,天津 300301)

P91無縫鋼管產(chǎn)品質(zhì)量的探討

何 彪,趙慶權(quán),肖功業(yè),王國亮,張俊萍,秦利波

(天津鋼管集團股份有限公司技術(shù)中心,天津 300301)

P91由于具有良好的高溫性能而受到廣泛應(yīng)用。但由于產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊導(dǎo)致P91鋼管在使用過程中可能會出現(xiàn)質(zhì)量問題。因此對P91鋼管的熱處理制度進行了簡單探討,同時對硬度、顯微組織、化學(xué)成分、沖擊功、夾雜物及工藝性能等進行研究,指出了材質(zhì)優(yōu)劣的鑒別方法。

P91鋼管;質(zhì)量鑒別;性能

1 引言

P91由于具有良好的抗腐蝕性能、高溫持久強度,其綜合性能和性價比也較高,因此廣泛應(yīng)用于超臨界和超超臨界火電機組的管道、聯(lián)箱等承受高溫、高壓的部件中[1]。

由于P91主要依賴進口,且是高附加值產(chǎn)品,因此我國各大鋼管公司均大力開發(fā)P91無縫鋼管,并且取得了突出成績。2013年,我公司聯(lián)合天津大學(xué)開發(fā)的《高壓鍋爐用P91鋼管關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化》項目獲得了天津市科技進步一等獎。各大鋼管公司生產(chǎn)的P91產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,并未出現(xiàn)嚴重的質(zhì)量問題。

但是由于市場良莠不齊,產(chǎn)品以次充好的事情時有發(fā)生,存在著巨大的安全隱患。為此,筆者歸納了近十年開發(fā)及生產(chǎn)P91的經(jīng)驗,結(jié)合下游企業(yè)的反饋,給出了幾種鑒別P91無縫鋼管質(zhì)量優(yōu)劣的方法,供讀者參考。同時對于P91的部分性能指標(biāo)的合理性也進行了探討,為供下游企業(yè)訂貨時提供借鑒。

2 化學(xué)成分檢驗

對于P91鋼,S元素可以檢驗煉鋼水平。S和S化物在晶界偏析,削弱晶界,形成孔洞,從而引起晶界脆化和蠕變脆化,降低鋼的持久強度,因此要嚴格控制S含量[2]。

脫S的過程是伴隨著煉鋼過程,因此S元素含量在一定程度上反應(yīng)了煉鋼水平的高低。標(biāo)準(zhǔn)要求P91的S≤0.010%,能夠冶煉優(yōu)質(zhì)P91鋼坯的廠家,S含量基本能控制在0.005%以下。如果S含量達到或接近上限,則應(yīng)引起買方的注意。

另外合金含量過高(尤其是Cr、Mo、Si、V、Nb元素),則有可能會導(dǎo)致成分配比不合理,從而出現(xiàn)δ鐵素體,導(dǎo)致鋼的高溫持久塑性和持久強度下降。因此買方不能夠簡單要求廠家提高合金含量,合金含量的高低也不是評判鋼種優(yōu)劣的指標(biāo)。

3 熱處理制度及抗拉強度上限

在ASME標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,P91的回火溫度為730～800℃,溫度范圍寬。對于P91,回火的目的是使碳化物充分彌散析出,起到提高持久強度的作用。如果回火溫度過低,碳化物析出不充分,則影響鋼的持久強度,同時鋼的室溫拉伸強度也過高。表1是相同成分的P91,在不同回火溫度后室溫強度和硬度的比較。

表1 不同回火溫度的性能

因此,建議回火溫度在770～790℃比較合理,同時需要警惕抗拉強度超過800 MPa時,鋼材熱處理工藝是否恰當(dāng),其他性能是否合理。

4 硬度檢驗

在ASTM A335M-2013標(biāo)準(zhǔn)中要求P91硬度為190～250 HBW。高立新等人通過TEM研究發(fā)現(xiàn),P91鋼管硬度為160 HBW時,其組織中含有大量鐵素體塊,由于位錯發(fā)生了回復(fù),很難再觀察到位錯,導(dǎo)致鋼管的持久強度大大降低[3],因此硬度不能過低。

個別廠家為提高P91硬度,使之在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi),采用熱處理后加大矯直力度,從而提高硬度值。由于內(nèi)應(yīng)力大,位錯密度高,鋼管在高溫下運行后,將會很快發(fā)生組織回復(fù),從而使硬度和強度大大降低,嚴重影響電站運行安全。

另外由于擔(dān)心硬度偏低,個別廠家采用低回火溫度、回火保溫時間短的熱處理方法達到提高硬度的目的。

對于采用以上兩種方法處理的鋼管,進行金相觀察很難發(fā)現(xiàn)問題,可采用表2的模擬焊后熱處理的方法進行鑒別。

圖1是我公司在供某項目用P91鋼管時,按上述熱處理制度進行的模擬焊后熱處理試驗前后的性能,規(guī)格為φ335 mm× 32.3 mm。

供貨狀態(tài)屈服強度平均542 MPa,抗拉強度平均694 MPa,硬度平均213 HBW;模擬焊后熱處理后屈服強度平均536 MPa,抗拉強度平均688 MPa,硬度平均208 HBW。模擬焊后熱處理前后強度下降在10 MPa以內(nèi),硬度下降在5 HBW左右。說明我公司供貨態(tài)的P91鋼管回火充分。

另外,由于熱處理爐的設(shè)計問題,有導(dǎo)致鋼管硬度不均勻的可能性。尤其是當(dāng)熱處理爐采用臺車爐時,由于鋼管在爐內(nèi)為靜止?fàn)顟B(tài),當(dāng)爐內(nèi)熱流不循環(huán)時,容易造成鋼管第1、4象限溫度偏高,而第2、3象限溫度偏低,在進行4個象限的硬度檢驗時比較容易發(fā)現(xiàn)。而對于連續(xù)式熱處理爐,鋼管在爐內(nèi)滾動,受熱均勻,4個象限硬度也相對均勻。張強等人采用感應(yīng)加熱熱處理后的P91也獲得了均勻的性能[4]。

表2 不同鋼管在模擬焊后熱處理前后的硬度變化

圖1 供貨態(tài)和模擬焊后熱處理態(tài)的性能統(tǒng)計

鍋爐廠和電廠為保證入廠的P91產(chǎn)品質(zhì)量,在鋼管表面進行便攜式硬度檢驗,當(dāng)表面硬度低于190 HBW時,認為管材存在質(zhì)量問題。但彭先寬等人進行的試驗研究表明便攜式硬度計在試驗時,其結(jié)果與試驗室布氏硬度存在較大誤差,尤其是便攜式硬度計檢測低于190 HB時,其檢測值比試驗室布氏硬度平均要低35 HB左右[5]。因此不建議采用便攜式硬度計對P91鋼管進行性能檢驗,以免將優(yōu)質(zhì)材料當(dāng)成次品。如確實對結(jié)果有異議,可結(jié)合金相檢驗,觀察鋼管中是否存在塊狀鐵素體,或取樣進行試驗室硬度。

5 沖擊功

在ASME SA-335M標(biāo)準(zhǔn)中并沒有對P91的沖擊功進行規(guī)定,但如果熱處理不當(dāng)或氣體含量高或夾雜物多,則均可能會造成沖擊功異常。因此,雖然沖擊功僅是P91鋼在室溫時韌性的表現(xiàn),但依然有必要進行檢驗。

圖2是我公司自2009年以來統(tǒng)計的室溫下全尺寸P91沖擊功(包括橫向和縱向,共1600余組數(shù)據(jù))。從統(tǒng)計圖中可以看出,我公司的P91沖擊功均大于100 J,最大值能夠達到400多焦。

圖2 沖擊功統(tǒng)計圖

6 金相檢驗

ASTM A335M-2013標(biāo)準(zhǔn)中并未對P91金相組織作要求,在GB 5310-2008和各鍋爐廠的技術(shù)條件中對P91組織要求為回火索氏體(S回)或回火馬氏體(M回)。P91鋼中由于含有9%Cr、1%Mo等合金成分,回火抗力大,因此正火后的板條馬氏體在回火后其金相顯微組織形貌無論是否存有明顯的板條,在電鏡下觀察,其板條依然明顯。圖3為我公司金相顯微鏡及掃描電鏡下觀察到的交貨狀態(tài)P91組織形貌。

供貨狀態(tài)下的P91,通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn),其板條束依然比較明顯,同時在板條間以及晶界上均勻析出了細小碳化物,從而保證了P91鋼的高溫持久強度。

圖3 P91微觀組織

7 晶粒度

由于P91應(yīng)用溫度一般在575～600℃左右,此溫度下晶內(nèi)強度要高于晶界強度,減少晶界可以提高強度,因此粗晶P91可獲得良好的持久強度。但岳增武等人的研究表明[6],細晶粒的P91可以提高鋼中Cr元素的擴散,使Cr元素更容易擴散至表面,形成鈍化膜,從而提高抗蒸汽氧化性能,因此晶粒也不能太粗。根據(jù)經(jīng)驗,建議最佳晶粒度范圍應(yīng)為6～9級,此時鋼具有最佳的抗氧化性和持久性能配比。但由于P91屬本質(zhì)細晶鋼,含有V、Nb等細化晶粒的元素,因此通過延長正火保溫時間來使晶粒長大反而會損傷晶界,大大降低鋼的高溫持久性能。

8 非金屬夾雜物

外生夾雜物是鋼在冶煉或澆鑄過程中,爐渣、保護渣以及耐火材料等進入鋼水而形成的。外生夾雜一般較粗大,且不易變形,嚴重破壞鋼的性能,因此需要完全避免。

內(nèi)生夾雜物是鋼在冶煉過程中產(chǎn)生的,也是無法完全去除的。內(nèi)生夾雜物有硫化物(A類)、氧化鋁(B類),硅酸鹽(C類)以及球狀氧化物(D類),其中B類、D類夾雜在鋼軋制過程中不產(chǎn)生變形。

雖然ASME標(biāo)準(zhǔn)中沒有對非金屬夾雜物的檢驗進行規(guī)定,但考慮其應(yīng)用環(huán)境,建議參考GB 5310-2008的相關(guān)規(guī)定進行檢驗和判定。同時非金屬夾雜物也會導(dǎo)致P91鋼管在軋制過程中產(chǎn)生分層缺陷,從而影響鋼的使用[7]。

非金屬夾雜物的取樣偶然性很大,且初驗不合允許復(fù)驗。不過如果初驗和復(fù)驗均能夠發(fā)現(xiàn)超級別夾雜,或雖然級別不超,但同一視場內(nèi)有多條較大級別的夾雜,則應(yīng)該考慮該爐鋼的純凈度是否能夠滿足使用。

9 工藝性能試驗

在ASME標(biāo)準(zhǔn)中對于不同尺寸的鋼管,需要進行壓扁或彎曲試驗。對于壓扁試驗和彎曲試驗嚴格程度,敬仕煜等人進行了試驗研究,認為鋼管彎曲試驗的塑性變形明顯大于壓扁試驗,對材料的塑性要求也更為苛刻[8]。同時該文章認為P91的壓扁試驗相對于彎曲試驗更容易通過,而彎曲試驗要想通過,則對其冶煉、制管和熱處理等工藝有嚴格要求。

不過壓扁試驗雖然和彎曲試驗相互代替,但二次壓扁試驗同時能夠顯示鋼管是否有分層、白點、夾雜等缺陷,且壓扁試驗相對檢測面積更大。因此壓扁和彎曲試驗?zāi)膫€更嚴格有待進一步研究。

10 結(jié)論

ASME標(biāo)準(zhǔn)中對P91的要求太過寬泛,對于部分有質(zhì)量問題的鋼管通過ASME標(biāo)準(zhǔn)也很難檢驗出,因此建議對以上部分性能指標(biāo)進行加嚴,防止以次充好的事情發(fā)生,從而消除安全隱患,同時對采用便攜式硬度計對材料進行檢測的方式的有效性需進一步探討。

[1] 朱麗慧,趙欽新,顧海澄,等.10Cr9Mo1VNb N耐熱鋼強化機理研究[J].機械工程材料, 1999,23(1):6-8.

[2] 劉立民,朱洪,劉志國.法國T91、P91鋼管性能評定[J].電站系統(tǒng)工程,2002,18(1):63 -64.

[3] 高立新,李煒麗,侯小龍,等.P91鋼高溫蒸汽管道低硬度對其理化性能的影響[J].華北電力技術(shù),2015(7):37-66.

[4] 張強,于連水.P91的熱處理工藝探討[J].價值工程,2010(13):160.

[5] 彭先寬,郭磊,叢相州,等.WB36鋼管件硬度驗收標(biāo)準(zhǔn)探討[J].電力建設(shè),2010(12):127 -129.

[6] 岳增武,傅敏,李辛庚,等.晶粒度對P91鋼水蒸氣氧化性能的影響[J].腐蝕科學(xué)與防護技術(shù),2008,20(3):162-165.

[7] 莫根源,嚴斌,猶公.非金屬夾雜物對P91鋼管分層缺陷的影響[J].理化檢驗-物理分冊, 2015,51(4):267-269.

[8] 敬仕煜,郭英俊,姜筱紅,等.大口徑厚壁管壓扁試驗和彎曲試驗嚴格程度的比較.理化檢驗-物理分冊,2013,49(4):236-240.

Quality Discuss for P91 Seamless Pipe

HE Biao,ZHAO Qing-quan,XIAO Gong-ye,
WAN Guo-liang,ZHANG Jun-ping,QIN Li-bo
(Tianjing Pipe[Group]Corporation Ltd.,Technology Center,Tianjing 300301,China)

As having excellent high temperature mechanical property,P91 is extensively used.But because of having different quality properties,quality problem may be appeared.The research of heat treatment for P91 pipe has been discussed.Also,hardness,microstructure,chemical, impact,non-metallic inclusion and processing property have been discussed.The method of distinguish different properties are also gived in this paper.

P91 pipe,quality distinguish,property

TG142.1

A

何 彪,高級工程師,主要從事鍋爐管、石油裂化管以及核電管的鋼種開發(fā)工作。