超超临界火电机组用大直径P92 无缝钢管开发

张国忠，黄大兵，窦志超，刘 竑，徐路军

（浙江泰富无缝钢管有限公司，浙江 绍兴 312367）

2020 年9 月，我国提出二氧化碳排放力争2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。火力发电是将化石能源转化为电能，是二氧化碳的主要排放源之一，发展大容量超临界火电机组和超超临界火电机组将是我国火力发电提高发电效率、节约能源、减少气体排放和改善环境的必然趋势。普遍认为当蒸汽压力≥27 MPa 或温度≥580℃可称为超超临界机组，目前超超临界火电机组效率最高已达到47%，而一般高压机组的热效率只有33%左右，超超临界发电技术的推广和发展，将进一步降低能耗和减少CO2气体排放[1-3]。

P92 铁素体耐热钢是最早由日本东京大学和日本新日铁公司共同研发的NF616 钢[4-5]，由于其优异的高温力学性能，随后被纳入ASTM 和ASME标准，命名为P92/T92。P92 钢是在P91 钢的基础上，添加钨元素合金代替部分钼，提高固溶强化效果，同时加入微量硼元素以强化晶界。P92 钢在600 ℃外推10 万h 的持久强度可达到130 MPa 以上，其许用应力超出P91 钢30%以上[6]。P92 钢因其优异的抗氧化性能、耐腐蚀、高温强度和蠕变性能，能够大幅提高机组的热效率，成为超超临界火电机组四大管道的首选管材[7]，主要应用于四大管道的主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道以及旁路管道和联络管等关键管道和管件。

浙江泰富无缝钢管有限公司（简称浙江泰富）近两年来大力开发Φ406 mm 以上规格的大直径P92无缝钢管产品，通过不断的工艺优化和改进，目前产品的实物质量已达到了国内外先进水平，产品广泛应用于超超临界火电机组的四大管道以及其他关键部位的管件，其典型机组的运行参数见表1。这里将以Φ665 mm×58 mm 规格为例，介绍超超临界火电机组用大直径P92 无缝钢管的研究与开发。

表1 浙江泰富P92 大直径无缝钢管应用于超超临界火电电站机组的典型参数

1 大直径P92 无缝钢管的轧制

1.1 P92 的成分控制

P92 钢是在P91 钢的基础上，添加1.50%～2.00%的W，并将Mo 含量降至0.30%～0.60%，同时添加微量的B。W 和Mo 都是固溶强化元素，但W 的原子系数较大，其在铁基合金中的固溶效果强于Mo 元素，而且W 和Mo 的复合加入对提高钢的热强性效果比单独加入等量的W 或Mo 优越[3，8]，添加微量B 可显著改善含Cr 铁素体耐热钢的抗蠕变性能并抑制P92 焊缝的Ⅳ型蠕变开裂[9]。

由于含有9%的Cr，再加上Mo、W、V 和Nb等铁素体稳定元素，其铬当量较高，如果成分控制不当，会导致基体组织中产生高温啄铁素体，高温啄铁素体不仅会降低P92 的蠕变塑性和持久强度，还会恶化钢的热加工性能[10]。为避免或减少在坯料加热和热加工过程中高温啄铁素体的产生，将P92的Cr 当量控制在10%以内。

1.2 P92 的高温相变及力学性能

Φ665 mm×58 mm 规格P92 钢管采用锻造管坯，为避免高温啄铁素体的产生，管坯的加热必须控制在合理的范围内。

用JMatPro 相图计算管坯成分下的P92 随温度的相转变图，如图1 所示，P92 的固相线在1 450℃左右，γ 奥氏体→啄铁素体转变温度为1 250 ℃左右。对管坯取小样分别在1 270 ℃和1 230 ℃保温3 h 空冷后再在760 ℃回火，将小样实验后的试样制成金相试样，用硝酸酒精腐蚀8～10 min 后观察试样近内壁的金相组织如图2 所示。分析结果表明：1 270 ℃加热过程中有少量链状啄铁素体产生，而1 230 ℃加热过程未产生啄铁素体。因此P92 的管坯料加热温度应不超过1 250 ℃。

图1 JMatPro 软件计算的P92 随温度的相转变

图2 小样实验1 270 ℃和1 230 ℃的金相观察

金属的热加工应在强度低、塑性高的温度区间内进行，P92 也不例外。有研究[8，11]对P92 在600～1 300 ℃温度进行了高温拉伸试验研究，在900 ℃以上，抗拉强度在100 MPa 以下，屈服强度在20 MPa 以下；在1 050～1 250 ℃温度范围，P92 具有较好的热塑性，断面收缩率均大于60%。

综上所述，P92 管坯加热温度应不超过1 250℃，轧制变形应不低于900 ℃。

1.3 P92 大直径无缝钢管的轧制

Φ665 mm×58 mm 规格P92 大直径无缝钢管的轧制生产工艺为：管坯通孔→管坯加热→穿孔→精轧→定径→冷床冷却。

由于9Cr 钢的导热性低于碳钢和低合金钢，为保证管坯加热均匀和在加热过程中不产生过高的热应力，对管坯打通心孔，并在700 ℃以下对管坯进行预加热，当管坯在700 ℃保温一定时间后再进环形炉加热和保温，为避免高温啄铁素体的产生，环形炉的保温温度控制在1 200～1 250 ℃。

P92 经环形炉加热后进入穿孔机进行二辊斜轧穿孔，由于P92 的轧制抗力比低合金高，为避免穿孔机电流过载，将穿孔辊降到正常转速的85%，调整合适的顶头顶伸量，避免咬入电流过大。轧制过程中每个工序点的钢管表面温度及变形比（变形前的横截面积/轧制后的横截面积）见表2，通过调整穿孔后的毛管和精轧后的荒管尺寸，增大穿孔的变形比，降低精轧和定径的变形比，使更多的变形发生在较高的低强度高塑性的温度区间，从而避免轧制缺陷的产生。

表2 P92 大直径无缝钢管轧制变形参数

2 热处理工艺及组织调控

P92 的热处理工艺为正火+回火，热处理后的组织是回火板条马氏体组织。由于含有较高含量的Cr、Mo 合金元素和微量的Nb、V 合金元素，该马氏体组织具有较高的固溶强化特性和位错密度，马氏体板条之间和内壁伴随着M23C6（M 为Fe、Cr 或Mo）和MX（M 为V 或Nb，X 为C 或N）等碳化物或碳氮化物，这种组织在长期的高温服役下就有较好的组织稳定性和力学性能稳定性[12]，改善了材料的蠕变断裂强度。

2.1 热处理对组织及性能的影响因素

（1） 晶粒度的影响。由于坯料保温时间过长或在部分再结晶去轧制，会造成厚壁9Cr 钢的晶粒混晶，晶粒不均匀会使钢管抗热应力疲劳失效性能和抗高温蠕变性能大大减弱[13]；另外，有研究[14]表明，粗晶粒的P92 比细晶粒的P92 钢具有更高的高温持久强度。因此，必须制定合理的热处理工艺将P92 晶粒尺寸控制均匀，晶粒度控制在合理的级别内。

（2） 冷却速度影响。由于Cr、Mo 元素含量较高，P92 具有很好的淬透性，在相当宽泛的冷却速率条件（空冷）下都能完全转变成马氏体。根据P92 的连续冷却转变（CCT）曲线[3]，当冷却速度大于500 ℃/h（相当于8.3 ℃/min），钢的组织为单一马氏体组织。有研究[15]报道，奥氏体化虽然以不同冷却速度都可得到单一马氏体组织，但更高的冷却速度将提高650 ℃时效组织及硬度的稳定性。

（3） 热处理温度的影响。P92 在较低的温度正火时，合金元素及碳化物不能完全溶于奥氏体中，碳化物沿晶界分布、堆积，马氏体板条组织结构不够明显，马氏体固溶强化效果不佳；随正火温度的升高，合金元素和碳化物加快溶解，晶界碳化物堆积逐渐减少，马氏体固溶强化增强，但当正火温度超过1 100 ℃，马氏体板条变得明显粗大，局部开始出现混晶[7，16]；当P92 在较低温度回火，碳化物在马氏体板条边界析出较少；当回火温度达到760℃，马氏体边界和内部开始析出碳化物颗粒，碳化物的析出起到钉扎位错作用[7，17]，增强了P92 的析出强化效果。

2.2 P92 的热处理

Φ665 mm×58 mm 规格P92 无缝钢管的正火温度选择1 040～1 080 ℃，适当采用较长的保温时间，不让晶粒过于细小而影响P92 的高温持久强度；正火奥氏体化后出炉采用强风冷却，对钢管内壁用红外测温仪进行不同冷却时间下的温度测量，冷却曲线如图3 所示，P92 钢管内表面的平均冷却速度达到20 ℃/min，即使在500 ℃以下的低温区，冷却速度也达到14 ℃/min 以上，较快的正火冷却速度保证了P92 钢管具有单一的马氏体组织结构和较好的时效组织的稳定性；回火温度选择在760℃以上，使碳化物能够充分弥散析出，以起到较好的析出强化作用。

图3 Φ665 mm×58 mm P92 无缝钢管正火冷却曲线

按以上热处理工艺生产的Φ665 mm×58 mm 规格P92 无缝钢管实物金相组织和晶粒度如图4 所示，金相组织为单一的回火马氏体组织，板条形态清晰，晶粒度为6.5 级，不混晶。该组织合金元素固溶充分、位错密度高、晶粒度级别较为合理，具有良好的高温稳定性和抗蠕变性能。

图4 Φ665 mm×58 mm P92 无缝钢管金相组织和晶粒度

3 实物性能试验评价

3.1 室温/高温力学性能

Φ665 mm×58 mm P92 无缝钢管的室温力学性能试验结果见表3，拉伸试验采用横向圆棒拉伸试样，测试结果表明，室温力学指标完全满足ASME SA 335—2010《高温用无缝铁素体合金钢管》要求。

表3 Φ665 mm×58 mm P92 无缝钢管室温力学性能

对P92 两个试样分别沿横向、纵向在接近外壁、内壁处取样进行室温冲击试验，试验结果如图5 所示。由结果可知，P92 试样的冲击功为150～200 J，处于较高水平，具有良好的冲击韧性。

图5 Φ665 mm×58 mm 规格P92 的室温冲击结果

对试样1 做横向高温拉伸试验，试验温度为200～600 ℃，试验结果以及GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》对10Cr9MoW2VNbBN（等同于P92）标准要求值的对比见表4，如图6 所示。试验结果表明，P92 试样的在不同温度下的屈服强度均明显高于GB/T 5310 要求值，P92 试样具有较高的短时高温拉伸强度。

表4 Φ665 mm×58 mm 规格P92 钢管高温屈服强度 MPa

图6 Φ665 mm×58 mm P92 无缝钢管的高温屈服强度

3.2 高温持久试验

对试样1 沿横向取Φ10 mm 圆形试样，做持久试验，试验温度为625 ℃，试验结果见表5，与德国V&M 公司P92 钢管的高温持久强度对比如图7所示。由试验结果可知，浙江泰富P92 的高温持久强度与国外进口产品处于同一水平，具有良好的高温持久性能。

表5 高温持久强度试验结果

图7 浙江泰富P92 和德国V&M 公司P92 钢管的持久强度对比

4 结 语

（1） 通过科学设计P92 无缝钢管的化学成分和坯料加热制度，避免生产过程中产生对轧制和高温蠕变性能不利的啄铁素体的产生；合理控制P92无缝钢管轧制过程中的钢管温度和变形比，使更多的变形发生在塑性较好的较高的温度区间，避免轧制缺陷的产生。

（2） 通过分析热处理参数对P92 无缝钢管组织的影响，合理设计热处理工艺。通过该热处理工艺，可得到合金元素固溶充分、位错密度高、晶粒尺寸适中的金相组织，该组织具有较高的高温稳定性和高温持久性能。

（3） 对Φ665 mm×58 mm 规格P92 无缝钢管进行了室温/高温力学性能和高温持久强度试验分析，评价结果表明：生产的大直径P92 钢管各项指标满足国内外相关标准要求，高温持久性能及综合质量达到了国内外先进水平。