P92无缝钢管的研制*

郭元蓉，詹 勇，胡茂会，吴 红，陈 雨

（攀钢集团成都钢钒有限公司，四川 成都 610303）

P92无缝钢管的研制*

郭元蓉，詹 勇，胡茂会，吴 红，陈 雨

（攀钢集团成都钢钒有限公司，四川 成都 610303）

介绍了研制P92无缝钢管取得的成果和生产工艺特点。对研制的P92无缝钢管进行的高温拉伸性能和高温持久性能等性能评定结果表明：该无缝钢管具有均匀的金相组织，各项力学性能指标和工艺性能完全满足ASME SA 335/SA 335M标准规定和高温锅炉管道使用要求。

P92无缝钢管；超超临界发电机组；高温锅炉管道；新型热强钢；生产工艺

*国家科技支撑计划资助项目（2007BAE51B02）

郭元蓉（1963-），女，硕士，教授级高级工程师，首席工程师，主要从事钢管新产品开发工作。

目前，我国社会经济的高速发展带来了电力需求的急剧增加，发电装机容量和发电量均居世界第二位，其中火电机组装机容量占全国供能装机容量的75%左右。但是国内锅炉用钢的研制长期落后于日本、欧美等技术先进国家和地区，导致我国火电机组的运行参数长期处于低水平状态［1-3］。按照国家“优先开发水电，积极发展核电，优化发展火电”的能源战略，提高机组效率，降低煤耗，建设高效率、大容量的超超临界（USC）机组已成为火电机组发展主流。这对火力发电设备制造的关键材料——热强钢材提出了更高的质量要求和新的挑战。火电机组蒸汽参数与热效率、煤耗的关系见表1［4］。

自20世纪80年代USC机组问世以来，超超临界技术已在日本、德国、丹麦等国家和地区大量投产使用。我国是USC机组技术后起国家，进入21世纪才开始引进设计技术，建造自己的USC机组。至2010年，我国运行和在建的1 000 MW USC机组（蒸汽压力25.0～26.5 MPa、蒸汽温度600℃）已超过97台［5］，成为世界上拥有USC机组最多的国家。USC机组的苛刻蒸汽参数需要铁素体耐热钢具有良好的力学性能和抗氧化特性，这就使得新型高Cr钢的研发成为发展超超临界机组的关键环节。

我国USC机组技术研究刚刚起步，尚未形成成套技术，根本原因就是高端锅炉钢材料和产品技术落后；因此，目前国内USC机组用新型热强钢P92钢管基本依靠进口，不仅耗费巨资，在某种程度上制约了我国经济发展的速度，也威胁到国家的能源安全。

表1 火电机组蒸汽参数与热效率、煤耗的关系

本文将重点介绍攀钢集团成都钢钒有限公司（简称攀成钢）研制P92无缝钢管的工艺和成果。

1 工艺研究

P92钢属“多元素复合强化”的新型热强钢，其合金含量高，冶金质量要求高，冶炼控制技术难度大，且热塑性变形的温度范围窄，制管工艺复杂。首先在成分设计时，应平衡考虑固溶、沉淀析出、位错和亚结构等多种强化方式的复合作用效果，充分考虑各元素对持久强度的影响，确定最佳化学成分控制范围；其次热处理工艺是保障锅炉管性能的关键工序，工艺设计时应研究和优化最佳热处理工艺。攀成钢开发的P92无缝钢管生产工艺具有以下特点：

（1） 采用“电炉+炉外精炼（LF）+真空脱气（VD）”或电渣重熔的冶炼工艺，能够保证P92钢的高纯净度和低气体含量，满足USC机组用P92钢的冶炼质量要求和化学成分控制要求。

（2）优化设计的成分为获得最优的P92无缝钢管性能和组织奠定了基础，同时通过控制Cr、Ni当量，解决了δ铁素体含量控制问题，也有助于防止过多δ铁素体导致的钢管内折缺陷，有利于提高钢管的持久性能。

（3）针对P92钢作为铁素体型马氏体耐热钢种在热穿孔性能方面的特殊性，采取合适的穿孔温度和穿孔工艺，包括采用空心锭锻造坯轧管工艺，解决了该钢种热轧管的关键工艺技术［6］。

（4）根据P92无缝钢管的不同外径和壁厚，热处理工艺通过对加热温度及保温时间、冷却介质及冷却速度等参数采取不同的工艺控制措施，解决了P92无缝钢管获得均匀的回火板条马氏体组织而保证性能稳定的技术难题。

2 产品质量检验结果

按ASME SA 335/SA 335M《高温用无缝铁素体合金钢公称管》标准［7］和相关技术协议规定，对试制的P92无缝钢管进行了化学成分、拉伸性能、冲击性能、金相组织、晶粒度及高倍夹杂物评级等各项试验。

2.1 化学成分

ASME SA 335/SA 335M标准中P92钢的化学成分见表2。从表2可以看出：标准中各个元素的限定范围较宽，但关键是如何确定各合金元素的最佳配比。

表2 ASME SA 335/SA 335M标准中P92钢的化学成分（质量分数） %

对研制的P92无缝钢管的化学成分试验结果表明：其化学成分完全满足技术标准要求，有害元素含量控制优于标准，为w（S）=0.003%～0.006%、w（P）=0.012%～0.013%；Cr、Ni当量控制合适，能够充分保证P92产品性能，满足δ铁素体含量的控制要求。

2.2 常温力学性能

研制的P92无缝钢管常温力学性能见表3。从表3可以看出：研制的P92无缝钢管的常温力学性能稳定，指标优于标准规定。

2.3 金相组织、晶粒度及非金属夹杂物评级

对P92无缝钢管进行了金相组织、晶粒度及非金属夹杂物评级等项目的检验，检验结果均满足且优于ASME SA 335/SA 335M标准规定。金相组织为均匀的回火马氏体组织，其中的δ铁素体含量控制较好，Φ508 mm×80 mm P92无缝钢管金相组织中δ铁素体含量小于1%，在电力规范要求的范围内。不同规格P92无缝钢管的金相组织如图1～3所示。

表3 研制的P92无缝钢管常温力学性能

图1 Φ299 mm×30 mm P92无缝钢管金相组织

图2 Φ325 mm×75 mm P92无缝钢管金相组织

图3 Φ508 mm×80 mm P92无缝钢管金相组织

3 P92无缝钢管性能评定

电力和钢铁行业相关机构先后对攀成钢研制的P92无缝钢管进行了一系列性能评定，试验检测项目包括常规理化性能、金相组织、高温力学性能、系列温度冲击韧性、碳化物分析、持久强度、蠕变试验、焊接工艺性能及长期时效性能等。

图4 P92样管的拉伸性能与相关标准对比

3.1 部分评定试验结果

3.1.1 高温拉伸性能

对Φ299 mm×30 mm P92无缝钢管取纵横向、内外层试样，进行400℃、500℃、550℃、600℃、610℃、620℃和630℃高温拉伸试验，P92样管的拉伸性能与相关标准对比如图4所示。试验结果表明：钢管的纵横向、内外层的强度均匀性较好，其高温强度处于GB 5310—2008标准［8］要求的外延曲线上方，高温强度数据处于曼内斯曼试验平均数据附近，高温Rp0.2也优于EN 10216—2007标准［9］中的数据值，以及与文献［10］数据对比，均显示攀成钢研制的P92无缝钢管性能较好。

3.1.2 高温持久性能

持久试验温度为610℃和630℃。采用等温法外推10万h的持久强度分别为120.1 MPa、98.5 MPa，高于GB 5310—2008规定的外推10万h持久强度要求（610℃不小于106 MPa、630℃不小于82 MPa），也高于EN 10216规定的持久强度要求（610℃不小于100 MPa、630℃不小于75 MPa）。

按照DL/T 5366—2006《火力发电厂汽水管道应力计算技术规程》标准［11］规定，计算出P92无缝钢管在610℃和630℃下的许用应力分别为80.1 MPa和 65.7 MPa，优于 GB 5310—2008和 EN 10216—2007推荐的许用应力以及欧洲蠕变合作委员会（European Creep Cooperation Committee，ECCC）2005年评估计算的许用应力。研制的P92无缝钢管高温持久强度和许用应力见表4，实际许用应力与标准推荐数据对比如图5所示。

表4 P92无缝钢管高温持久强度和许用应力

Φ508 mm×80 mm P92无缝钢管600℃高温持久强度测试结果如图6所示。从图6可以看出，研制的P92无缝钢管高温持久强度性能达到ECCC和日本国际化学材料协会（National Institute for Materials Science，NIMS）推荐值，满足ASME SA 335/SA 335M等相关标准的要求。

3.2 产品评定结果

（1）化学成分符合ASME SA 335/SA 335M和GB 5310—2008等相关标准对P92类钢成分的技术要求；钢管的室温抗拉强度、屈服强度、伸长率、硬度等指标均满足相应标准要求；钢管纵横向、内外层强度，以及硬度等均匀性较好。

（2）P92钢管金相组织为回火板条马氏体，纵横向无明显差异，铁素体的含量为1%～2%，满足DL/T 438—2009标准［12］对于铁素体含量不大于5%的要求。

（3）P92样管在610℃、630℃的10万h持久强度分别为120.1 MPa、98.5 MPa，许用应力分别为80.1 MPa、65.7 MPa，优于GB 5310—2008和EN 10216—2007推荐的许用应力。

图5 P92钢管实际许用应力与标准推荐数据对比

图6 Φ508 mm×80 mm P92无缝钢管600℃高温持久强度测试结果

以上结果表明：攀成钢生产的P92无缝钢管成分及性能符合GB 5310—2008、ASME SA 335/SA 335M和EN 10216—2007标准中P92的技术条件要求，组织结构为稳定的马氏体组织。其在力学性能、组织状态、工艺性能以及高温长时性能等方面均已满足高温锅炉管道要求。

4 结 论

（1）研制的P92无缝钢管设计成分优化，满足P92钢性能和铁素体含量控制要求，轧管及热处理工艺解决了该类铁素体型马氏体耐热钢在轧制质量控制、获得均匀马氏体组织等关键技术问题，生产工艺具有独创性和先进性。

（2）各项试验及评定的结论表明，研制的P92无缝钢管的冶金质量、各项力学性能（常温、高温、短时、持久）指标、工艺性能以及金相组织均符合ASME SA 335/SA 335M标准规定，满足锅炉制造及电站高温管道使用要求，可替代进口P92无缝钢管。

（3）国产P92无缝钢管的成功研制，打破了制约我国形成超超临界火电机组成套技术的“瓶颈”问题，能够提高火力发电设备的制造水平和竞争力，满足国家电力工业发展的需要。

［1］郭元蓉，吴红.P91无缝钢管国产化研究进展［J］.钢管，2008，37（1）：22-27.

［2］成海涛，郭元蓉.核电用管现状及国产化进展［J］.钢管，2008，37（4）：1-5.

［3］成海涛，赵彦芬，郭元蓉，等.我国核电用无缝钢管国产化的新进展［J］.钢管，2011，40（1）：8-11.

［4］杨富，李为民，任永宁.超临界、超超临界锅炉用钢［J］.电力设备，2004，5（10）：41-46.

［5］毛健雄.700℃超超临界机组高温材料研发最新进展［C］//超超临界机组技术交流2011年会论文集，2011.

［6］攀钢集团成都钢铁有限责任公司.模铸空心钢锭轧制无缝钢管的方法：中国，200810305681.7［P］.2009-05-27.

［7］美国机械工程师学会.ASME SA 335/SA 335M—2010高温用无缝铁素体合金钢公称管［S］.2010.

［8］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB 5310—2008高压锅炉用无缝钢管［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［9］欧洲标准委员会.EN 10216-2—2007压力无缝钢管交货技术条件 第2部分：带特定高温性能的非合金和合金钢管［S］.2007.

［10］瓦卢瑞克·曼内斯曼钢管公司.T92/P92钢手册［C］//超（超）临界锅炉用钢及焊接技术论文集，2005.

［11］中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 5366—2006火力发电厂汽水管道应力计算技术规程［S］.北京：中国电力出版社，2006.

［12］中华人民共和国国家能源局.DL/T 438—2009火力发电厂金属技术监督规程［S］.北京：中国电力出版社，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）