石化装置用P9无缝钢管的研发

何 彪，肖功业，王国亮，赵庆权，王庆国，许磊磊，张俊萍

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）

P9钢是马氏体耐热钢，通过添加9%的Cr和1%左右的Mo，使钢具有较强的抗氧化性能和高温强度；可应用于温度≤650℃的过热器管、再热器管以及蒸汽管道等，同时还可以应用于温度≤550℃的侵蚀性强的石油化工装备［1］。目前国内石化行业所用的P9无缝钢管基本从国外采购，但是交货期长，且价格昂贵，从而严重制约了我国石化行业的快速发展［2］。为此，天津钢管集团股份有限公司（简称天津钢管）对P9无缝钢管进行了国产化研制。

1 P9无缝钢管的生产流程

根据天津钢管的设备现状，结合P9钢的特点，设计出P9无缝钢管的试制工艺流程：电弧炉炼钢→钢包精炼→真空脱气→模铸→管坯锻造→管坯退火→管坯加热→斜轧穿孔→PQF连轧管机轧管→三辊定径→冷床冷却→管端锯切→钢管矫直→漏磁探伤→热处理→矫直→超声波探伤→水压试验→尺寸及外观检查→钢管入库。

1.1 炼钢及合金成分控制

由于P9钢中添加了9%的Cr，为保证冶炼后期钢水温度不至于下降太多，同时缩短炼钢周期，采用感应炉提前熔化合金母液的工艺，从而避免了传统工艺因加入大量合金对钢水温度、处理周期以及钢水增碳方面的不利影响。

C含量太低会导致P9无缝钢管的高温强度降低，同时可能生成δ铁素体；但过高的C含量既会降低可焊性，也使其室温硬度过高。通过采用优质低碳废钢，同时增加铁水比例，严格控制C含量，最终设计出C含量为0.08%～0.12%。

S和硫化物容易在晶界偏聚，从而削弱晶界强度，形成孔洞，导致晶界脆化和蠕变脆化，因此要严格控制［3］，一般将S含量控制在0.005%以下。

Al虽是良好的脱氧剂，但也会显著降低P9钢的高温持久性能，因此将其控制在0.015%以下。

另外P9钢由于含有高Cr、Mo、Si等铁素体形成元素，有缩小奥氏体区的作用。由于铁素体相区的扩大和奥氏体相区的缩小，使得原本存在于1 400℃以上高温区的δ铁素体在常温下有可能被保留下来，而δ铁素体对钢的室温塑性影响相当明显，同时对钢的持久强度影响也相当显著［4］；因此需要抑制δ铁素体在炼钢冷却过程中的形成，即严格控制Cr、Mo、Si等铁素体形成元素含量。

表1为天津钢管首次试制生产的P9无缝钢管（规格为Φ219.1 mm×10.31 mm）化学成分实测值。

表1 P9无缝钢管的化学成分（质量分数） %

1.2 轧管

P9无缝钢管具有Cr、Mo合金元素含量高的特点，高温下变形抗力大，轧制困难。天津钢管通过设置合理的环形炉加热温度和轧制工艺参数，保证了该钢种在最佳的塑性变形区域进行轧制。

1.3 热处理

P9无缝钢管可采用退火或正火+回火工艺进行热处理。退火工艺冷却速度慢，影响生产节奏，生产过程中较难控制，并且成本高；因此，实际生产中很少采用退火的热处理工艺，常采用正火+回火的热处理方式代替退火工艺，实现工业化生产。

P9钢由于不含V、Nb等微合金元素，因此正火温度比P91钢的低一些，为950～1 050℃，保温1 h，该工艺正火时大部分碳化物溶解但不发生明显的晶粒长大，但正火温度过高则容易出现奥氏体晶粒粗大［6］；回火温度为740～790℃，为获得较低的硬度，回火保温时间要适当延长。

2 成品钢管的组织及性能

2.1 常温力学性能及工艺性能

对P9无缝钢管进行拉伸、硬度以及冲击功的试验结果统计（图1），各项力学性能均满足标准要求，且数据集中性较好（由于产品处于生产初期，样本数少，无法做到理想的正态分布）。

图1 P9无缝钢管力学性能统计

2.2 金相组织、晶粒度、非金属夹杂物

非金属夹杂物对钢的断裂韧性、热脆性、塑性、抗疲劳强度、耐腐蚀性，尤其是高温性能有很大影响［7］。对生产的P9无缝钢管进行了夹杂物、组织及晶粒度分析。结果是：A类细系和D类细系非金属夹杂物级别均为0.5级，其他夹杂物级别为0级；组织均为回火马氏体，晶粒度为8.5级，并且无δ铁素体。P9无缝钢管金相组织如图2所示。

图2 P9无缝钢管金相组织

2.3 脆性转变温度

脆性转变温度（FATT50）是评价P9钢性能的重要指标之一。P9无缝钢管脆性转变温度曲线如图3所示，脆性转变温度约为-48℃（冲击试样尺寸10 mm×7.5 mm，纵向）。

图3 P9无缝钢管脆性转变温度曲线

2.4 短时高温性能

短时高温性能反映钢在一定温度下的抗变形能力，同时也反映钢的高温塑性。P9无缝钢管的高温拉伸曲线如图4所示，试验方法按GB/T 4338—2006［8］执行，高温性能参考 ASME 相关规范［9］。从图4可看出：天津钢管生产的P9无缝钢管在各个温度下的屈服强度完全符合标准要求，即使在600℃时，钢的屈服强度仍能够达到270 MPa左右。

图4 P9无缝钢管高温拉伸曲线

3 结 论

（1）采用合理的炼钢、轧制以及热处理工艺，天津钢管生产的P9热轧无缝钢管各项性能完全符合ASME SA 335/SA 335M—2010标准要求。

（2）天津钢管生产的P9无缝钢管的显微组织为回火马氏体，组织均匀，且无δ铁素体；脆性转变温度在-48℃左右；短时高温性能满足ASME锅炉及压力容器规范要求，在600℃时，屈服强度仍能够达到270 MPa。

（3）研发的P9无缝钢管可以替代进口，实现P9无缝钢管的国产化。

［1］《火力发电厂金属材料手册》编委会.火力发电厂金属材料手册［M］.北京：中国电力出版社，2001：247.

［2］张友鹏.攀钢集团成都钢钒有限公司实现石化炼油装置用 P9 无缝钢管的批量供货［J］.钢管，2012，41（1）：28.

［3］刘立民，朱洪，刘志国.法国T91、P91钢管性能评定［J］.电站系统工程，2002，18（1）：63-64.

［4］陈亚宁.叶片钢2Cr11Mo1VNbN轧制大型材δ铁素体含量的控制［J］.特钢技术，2010，16（1）：18-20.

［5］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.

［6］孙智，董小文，张绪平，等.奥氏体化温度对9Cr1MoVNb钢组织与性能的影响［J］.金属热处理，2001，26（8）：12-14.

［7］胡文豪，金进文，叶俊辉.浅谈夹杂物对钢质量的影响及其控制［J］.浙江冶金，2003（4）：9-13.

［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/T 4338—2006金属材料高温拉伸试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2006.

［9］ASME锅炉及压力容器委员会材料分委员会.ASME锅炉及压力容器规范国际性规范 Ⅱ材料D篇性能（公制）［M］.北京：中国石化出版社，2007.