15Cr1Mo1V高压锅炉管的开发及其高温组织稳定性研究

何 彪，赵庆权，肖功业，张俊萍

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）

15Cr1Mo1V是执行俄罗斯ТУ14-3P-55—2001标准的高压锅炉管用钢，属低合金热强钢，可应用于壁温≤580℃的主蒸汽管道及联箱等承压部位［1］。在俄罗斯以及中国部分电厂均有采用。

由于Mo含量的提高（达到1%），15Cr1Mo1V钢的热强性能要高于12Cr1MoV钢；在570℃时，其持久强度可比12Cr1MoV钢高9.8 MPa，且长期使用组织稳定［2］。

由于该钢种目前在我国并不常见，因此笔者暂未见国内有对该材料的深入研究报道。本文对15Cr1Mo1V高压锅炉管的生产工艺、化学成分、力学性能以及组织稳定性等进行了研究，以期为该产品的后续生产使用等提供依据。

1 生产工艺

根据天津钢管集团股份有限公司（简称天津钢管）的设备情况，结合15Cr1Mo1V高压锅炉管的特点，其工艺流程定为：90 t电炉冶炼→精炼→真空脱气→连铸→管坯加热→穿孔→连轧→定（减）径→冷床冷却→锯切→矫直→探伤→正火→回火→矫直→超声波探伤→水压试验→称重、喷标→入库。

1.1 炼钢及成分设计

1.1.1 炼 钢

冶炼时，通过控制电炉出钢时的P含量（0.008%以下），从而严格控制成品钢中的P等有害元素含量，保证钢的纯净度以及良好的性能；同时降低钢中的H、O含量，尤其是O含量过高会引起钢在常温下冲击功异常［3］；由于该产品的合金成分较高，尤其是含有1%左右的Mo以及0.30%左右的V，钢的淬透性较好，因此管坯连铸后应采用堆冷的方式进行缓慢冷却（要求堆冷温度≥500℃，堆冷后的温度 ∧200℃），否则容易出现管坯开裂情况。

1.1.2 成分设计

15Cr1Mo1V钢种要求在高温下具有较强的持久强度以及持久塑性，从而保证钢管长期高温运行的稳定性和安全性。C含量过高会降低钢管的可焊性，过低则降低钢管的持久强度，因此要求C含量控制在中值范围内。

Cr在高温下能够提高钢的抗腐蚀性能，同时Cr与C结合形成Cr23C6，在高温运行前期，对钢的持久强度有好处。因此要求Cr含量控制在中线偏上的范围。

Mo是缩小γ相区的元素，可提高钢的淬透性和热强性，但Mo合金价格偏高，Mo含量控制在中线为宜。

V与C、N能够强烈结合，形成VC（N）的细小碳化物，且在高温下不容易长大，钉扎位错，阻碍位错滑移，提高钢的高温持久强度。但V同时会引起持久塑性的降低［4］，因此V应控制在中线附近。

15Cr1Mo1V钢的成分要求及实际检验成分见表1。

此次冶炼管坯直径为400 mm。

表1 15Cr1Mo1V钢的成分要求及实际检验成分（质量分数） %

1.2 轧 管

15Cr1Mo1V钢相对于12Cr1MoVG钢，增加了0.80%左右的Mo，高温下这些Mo能够完全固溶于奥氏体中，引起晶格畸变，阻碍位错运动，因此其高温变形抗力要比12Cr1MoVG钢大。环形炉加热温度高，原子跃迁激活能小，钢的变形抗力小，高温变形相对容易，但温度过高，钢的塑性变差，而且晶粒迅速长大，发生过热或过烧现象；加热温度过低，钢的变形抗力大，变形困难，导致热轧后的钢管表面质量以及几何尺寸差。另外，由于Mo含量高，高温下起到了阻碍碳化物溶解的作用，在1 150℃时，需要20 min以上才能够使碳化物完全溶解［5］。因此管坯在环形炉的加热温度需进行严格控制，一般要求控制在1 180～1 250℃，为使管坯温度均匀一致，保温段时间要求不小于1 h［6-15］。该次轧制钢管规格为Φ377 mm×50 mm。

图1 15Cr1Mo1V钢C曲线

1.3 热处理

首先对15Cr1Mo1V钢进行C曲线（过冷奥氏体等温转变曲线）测定，以研究其热处理工艺。15Cr1Mo1V钢C曲线如图1所示。

通过测定，15Cr1Mo1V钢种的奥氏体化转变终了温度Ac3为902℃，大部分碳化物能溶解且不发生明显的晶粒长大，且参考12Cr1MoVG钢热处理制度，将15Cr1Mo1V钢正火温度定为920～1 040℃，保温时间不少于0.5 h。温度过高，容易引起奥氏体晶粒粗化。

回火温度不能过高，否则容易超温进入两相区，15Cr1Mo1V钢一旦回火进入两相区，则其产品容易出现黄块状组织，导致钢管的性能降低。将回火温度定为680～770℃，保温时间不少于2 h。

2 成品钢管性能及组织分析

2.1 室温力学性能统计

统计18组15Cr1Mo1V钢管的力学性能，力学性能统计见表2。

表2 18组15Cr1Mo1V钢管的力学性能统计

从表2可以看出，18组15Cr1Mo1V钢管的力学性能均能够满足ТУ14-3P-55—2001标准要求。另外，15Cr1Mo1V钢管的生产工艺、成分以及性能均与12Cr1MoVG钢管相似，但并未发现像12Cr1MoVG钢管出现冲击异常低的现象［3］。

2.2 钢管四象限硬度

四象限硬度是评价钢管热处理均匀性非常重要的指标，也是衡量钢管冷却均匀性的重要指标。由于此次生产的15Cr1Mo1V钢管规格为Φ377 mm×50 mm，壁厚非常大，因此有必要对钢管的四象限硬度进行检验分析。检验规则为钢管同一截面相隔45°取四象限硬度，每一象限做内壁、中部、外壁3个区域，每个区域测量3个点，具体分析结果见表3。

表3 15Cr1Mo1V钢管四象限硬度分析 HBW

从表3可以看出，15Cr1Mo1V钢管四象限平均值非常接近。这是由于天津钢管热处理采用步进式热处理炉，钢管在炉内翻滚前进，钢管四象限受热均匀，且严格控制热处理炉炉温的均匀性，从而保证钢管不会出现“阴阳面”的现象。

同时分析发现，15Cr1Mo1V钢管内壁、中部、外壁的硬度值有一定偏差，外壁硬度值最高，中心部位硬度值最低。这是因为钢管壁厚大，冷却速度在表面和心部有一定差别，从而导致硬度不同。但外壁最高值（199 HBW）和中部最低值（187 HBW）仅相差12 HBW，说明钢管性能非常均匀，也说明15Cr1Mo1V钢的淬透性较好，这得益于较高的Mo和V含量。

2.3 非金属夹杂物、组织、晶粒度

非金属夹杂物是评价钢质的重要标准，同时非金属夹杂物也影响钢的塑性以及高温持久性能；钢管的组织则是钢室温性能和高温持久性能的保障；晶粒度对于钢在高温下的持久强度和抗氧化性能有非常大的影响，晶粒细小，则钢的抗氧化性能良好，但对高温持久强度有影响，晶粒粗大，影响则相反。

对15Cr1Mo1V钢管进行非金属夹杂物检验，A细和D细均为0.5级，B细个别有0.5级的现象，其余夹杂物为0级。

对15Cr1Mo1V钢管横截面进行金相组织观察，钢管内壁、中部、外壁的组织均为F+B，组织均匀，且无两相区热处理的黄块状组织。成品管显微组织如图2所示。

2.4 组织稳定性分析

对15Cr1Mo1V钢管进行560℃，5 436 h的持久试验，并采用扫描电子显微镜对比交货状态和持久状态的组织形貌，研究其高温下的组织稳定性。15Cr1Mo1V钢管交货状态和持久状态的扫描电子显微镜SEM照片如图3所示。

图2 成品管显微组织

图3 15Cr1Mo1V钢管交货状态和持久状态的SEM照片

通过对比15Cr1Mo1V钢管的交货状态与持久状态的SEM照片，发现两种状态贝氏体中的碳化物大小、形貌以及碳化物含量并未有明显区别。因此，15Cr1Mo1V钢管在高温下的组织稳定性较好。

3 结 语

（1）15Cr1Mo1V钢管的成分设计和热处理工艺合理，产品性能优良，全部检验性能符合ТУ 14-3P-55—2001标准要求。

（2）成品15Cr1Mo1V钢管组织为F+B，组织均匀，无黄块状组织。

（3）15Cr1Mo1V钢管在高温下的组织稳定性好。