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(guān)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(fù)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(yīng)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(yīng)用可行性。
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。
在樣管A、B、C 的壁厚1/2 處,分別取化學(xué)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。
化學(xué)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(shù)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°。
連鑄坯P92 鋼管的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1??梢姡? 支樣管的化學(xué)成分均滿足ASME SA 335/SA 335M—2021 和GB/T 5310—2017 標準要求,備受關(guān)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(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))分析結(jié)果%
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(yīng)預(yù)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
連鑄坯P92 鋼管的金相特征檢測結(jié)果見表2。光學(xué)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(yù)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(xué)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(yīng)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(xué)成分設(shè)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。
連鑄坯P92 鋼管的室溫沖擊韌性見表3。總體上,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(guān),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
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。
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(guān)鍵核心性能,是確定許用應(yīng)力的控制性因素,高的持久強度是電站長期可靠運行的設(shè)計基礎(chǔ)。采用持久試驗來評價材料,或者評判其是否符合技術(shù)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(yīng)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(dǎo)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。
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(yīng)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(shù)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(shù)復(fù)雜、難度大,采用了保護澆注、澆注液面控制技術(shù)、大包下渣檢測技術(shù)、電磁攪拌技術(shù)、自動化專家判定技術(shù)等一系列先進技術(shù)[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(yīng)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(shù)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(guān)標準要求也印證了這一判斷。
數(shù)據(jù)指導(dǎo)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(yīng)用前景。
(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(yīng)用條件。