P91无缝钢管产品质量的探讨

何 彪,赵庆权,肖功业,王国亮,张俊萍,秦利波

(天津钢管集团股份有限公司技术中心,天津 300301)

P91无缝钢管产品质量的探讨

何 彪,赵庆权,肖功业,王国亮,张俊萍,秦利波

(天津钢管集团股份有限公司技术中心,天津 300301)

P91由于具有良好的高温性能而受到广泛应用。但由于产品质量参差不齐导致P91钢管在使用过程中可能会出现质量问题。因此对P91钢管的热处理制度进行了简单探讨,同时对硬度、显微组织、化学成分、冲击功、夹杂物及工艺性能等进行研究,指出了材质优劣的鉴别方法。

P91钢管;质量鉴别;性能

1 引言

P91由于具有良好的抗腐蚀性能、高温持久强度,其综合性能和性价比也较高,因此广泛应用于超临界和超超临界火电机组的管道、联箱等承受高温、高压的部件中[1]。

由于P91主要依赖进口,且是高附加值产品,因此我国各大钢管公司均大力开发P91无缝钢管,并且取得了突出成绩。2013年,我公司联合天津大学开发的《高压锅炉用P91钢管关键技术开发及产业化》项目获得了天津市科技进步一等奖。各大钢管公司生产的P91产品质量稳定,并未出现严重的质量问题。

但是由于市场良莠不齐,产品以次充好的事情时有发生,存在着巨大的安全隐患。为此,笔者归纳了近十年开发及生产P91的经验,结合下游企业的反馈,给出了几种鉴别P91无缝钢管质量优劣的方法,供读者参考。同时对于P91的部分性能指标的合理性也进行了探讨,为供下游企业订货时提供借鉴。

2 化学成分检验

对于P91钢,S元素可以检验炼钢水平。S和S化物在晶界偏析,削弱晶界,形成孔洞,从而引起晶界脆化和蠕变脆化,降低钢的持久强度,因此要严格控制S含量[2]。

脱S的过程是伴随着炼钢过程,因此S元素含量在一定程度上反应了炼钢水平的高低。标准要求P91的S≤0.010%,能够冶炼优质P91钢坯的厂家,S含量基本能控制在0.005%以下。如果S含量达到或接近上限,则应引起买方的注意。

另外合金含量过高(尤其是Cr、Mo、Si、V、Nb元素),则有可能会导致成分配比不合理,从而出现δ铁素体,导致钢的高温持久塑性和持久强度下降。因此买方不能够简单要求厂家提高合金含量,合金含量的高低也不是评判钢种优劣的指标。

3 热处理制度及抗拉强度上限

在ASME标准中规定,P91的回火温度为730～800℃,温度范围宽。对于P91,回火的目的是使碳化物充分弥散析出,起到提高持久强度的作用。如果回火温度过低,碳化物析出不充分,则影响钢的持久强度,同时钢的室温拉伸强度也过高。表1是相同成分的P91,在不同回火温度后室温强度和硬度的比较。

表1 不同回火温度的性能

因此,建议回火温度在770～790℃比较合理,同时需要警惕抗拉强度超过800 MPa时,钢材热处理工艺是否恰当,其他性能是否合理。

4 硬度检验

在ASTM A335M-2013标准中要求P91硬度为190～250 HBW。高立新等人通过TEM研究发现,P91钢管硬度为160 HBW时,其组织中含有大量铁素体块,由于位错发生了回复,很难再观察到位错,导致钢管的持久强度大大降低[3],因此硬度不能过低。

个别厂家为提高P91硬度,使之在标准值范围内,采用热处理后加大矫直力度,从而提高硬度值。由于内应力大,位错密度高,钢管在高温下运行后,将会很快发生组织回复,从而使硬度和强度大大降低,严重影响电站运行安全。

另外由于担心硬度偏低,个别厂家采用低回火温度、回火保温时间短的热处理方法达到提高硬度的目的。

对于采用以上两种方法处理的钢管,进行金相观察很难发现问题,可采用表2的模拟焊后热处理的方法进行鉴别。

图1是我公司在供某项目用P91钢管时,按上述热处理制度进行的模拟焊后热处理试验前后的性能,规格为φ335 mm× 32.3 mm。

供货状态屈服强度平均542 MPa,抗拉强度平均694 MPa,硬度平均213 HBW;模拟焊后热处理后屈服强度平均536 MPa,抗拉强度平均688 MPa,硬度平均208 HBW。模拟焊后热处理前后强度下降在10 MPa以内,硬度下降在5 HBW左右。说明我公司供货态的P91钢管回火充分。

另外,由于热处理炉的设计问题,有导致钢管硬度不均匀的可能性。尤其是当热处理炉采用台车炉时,由于钢管在炉内为静止状态,当炉内热流不循环时,容易造成钢管第1、4象限温度偏高,而第2、3象限温度偏低,在进行4个象限的硬度检验时比较容易发现。而对于连续式热处理炉,钢管在炉内滚动,受热均匀,4个象限硬度也相对均匀。张强等人采用感应加热热处理后的P91也获得了均匀的性能[4]。

表2 不同钢管在模拟焊后热处理前后的硬度变化

图1 供货态和模拟焊后热处理态的性能统计

锅炉厂和电厂为保证入厂的P91产品质量,在钢管表面进行便携式硬度检验,当表面硬度低于190 HBW时,认为管材存在质量问题。但彭先宽等人进行的试验研究表明便携式硬度计在试验时,其结果与试验室布氏硬度存在较大误差,尤其是便携式硬度计检测低于190 HB时,其检测值比试验室布氏硬度平均要低35 HB左右[5]。因此不建议采用便携式硬度计对P91钢管进行性能检验,以免将优质材料当成次品。如确实对结果有异议,可结合金相检验,观察钢管中是否存在块状铁素体,或取样进行试验室硬度。

5 冲击功

在ASME SA-335M标准中并没有对P91的冲击功进行规定,但如果热处理不当或气体含量高或夹杂物多,则均可能会造成冲击功异常。因此,虽然冲击功仅是P91钢在室温时韧性的表现,但依然有必要进行检验。

图2是我公司自2009年以来统计的室温下全尺寸P91冲击功(包括横向和纵向,共1600余组数据)。从统计图中可以看出,我公司的P91冲击功均大于100 J,最大值能够达到400多焦。

图2 冲击功统计图

6 金相检验

ASTM A335M-2013标准中并未对P91金相组织作要求,在GB 5310-2008和各锅炉厂的技术条件中对P91组织要求为回火索氏体(S回)或回火马氏体(M回)。P91钢中由于含有9%Cr、1%Mo等合金成分,回火抗力大,因此正火后的板条马氏体在回火后其金相显微组织形貌无论是否存有明显的板条,在电镜下观察,其板条依然明显。图3为我公司金相显微镜及扫描电镜下观察到的交货状态P91组织形貌。

供货状态下的P91,通过扫描电镜发现,其板条束依然比较明显,同时在板条间以及晶界上均匀析出了细小碳化物,从而保证了P91钢的高温持久强度。

图3 P91微观组织

7 晶粒度

由于P91应用温度一般在575～600℃左右,此温度下晶内强度要高于晶界强度,减少晶界可以提高强度,因此粗晶P91可获得良好的持久强度。但岳增武等人的研究表明[6],细晶粒的P91可以提高钢中Cr元素的扩散,使Cr元素更容易扩散至表面,形成钝化膜,从而提高抗蒸汽氧化性能,因此晶粒也不能太粗。根据经验,建议最佳晶粒度范围应为6～9级,此时钢具有最佳的抗氧化性和持久性能配比。但由于P91属本质细晶钢,含有V、Nb等细化晶粒的元素,因此通过延长正火保温时间来使晶粒长大反而会损伤晶界,大大降低钢的高温持久性能。

8 非金属夹杂物

外生夹杂物是钢在冶炼或浇铸过程中,炉渣、保护渣以及耐火材料等进入钢水而形成的。外生夹杂一般较粗大,且不易变形,严重破坏钢的性能,因此需要完全避免。

内生夹杂物是钢在冶炼过程中产生的,也是无法完全去除的。内生夹杂物有硫化物(A类)、氧化铝(B类),硅酸盐(C类)以及球状氧化物(D类),其中B类、D类夹杂在钢轧制过程中不产生变形。

虽然ASME标准中没有对非金属夹杂物的检验进行规定,但考虑其应用环境,建议参考GB 5310-2008的相关规定进行检验和判定。同时非金属夹杂物也会导致P91钢管在轧制过程中产生分层缺陷,从而影响钢的使用[7]。

非金属夹杂物的取样偶然性很大,且初验不合允许复验。不过如果初验和复验均能够发现超级别夹杂,或虽然级别不超,但同一视场内有多条较大级别的夹杂,则应该考虑该炉钢的纯净度是否能够满足使用。

9 工艺性能试验

在ASME标准中对于不同尺寸的钢管,需要进行压扁或弯曲试验。对于压扁试验和弯曲试验严格程度,敬仕煜等人进行了试验研究,认为钢管弯曲试验的塑性变形明显大于压扁试验,对材料的塑性要求也更为苛刻[8]。同时该文章认为P91的压扁试验相对于弯曲试验更容易通过,而弯曲试验要想通过,则对其冶炼、制管和热处理等工艺有严格要求。

不过压扁试验虽然和弯曲试验相互代替,但二次压扁试验同时能够显示钢管是否有分层、白点、夹杂等缺陷,且压扁试验相对检测面积更大。因此压扁和弯曲试验哪个更严格有待进一步研究。

10 结论

ASME标准中对P91的要求太过宽泛,对于部分有质量问题的钢管通过ASME标准也很难检验出,因此建议对以上部分性能指标进行加严,防止以次充好的事情发生,从而消除安全隐患,同时对采用便携式硬度计对材料进行检测的方式的有效性需进一步探讨。

[1] 朱丽慧,赵钦新,顾海澄,等.10Cr9Mo1VNb N耐热钢强化机理研究[J].机械工程材料, 1999,23(1):6-8.

[2] 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.

[3] 高立新,李炜丽,侯小龙,等.P91钢高温蒸汽管道低硬度对其理化性能的影响[J].华北电力技术,2015(7):37-66.

[4] 张强,于连水.P91的热处理工艺探讨[J].价值工程,2010(13):160.

[5] 彭先宽,郭磊,丛相州,等.WB36钢管件硬度验收标准探讨[J].电力建设,2010(12):127 -129.

[6] 岳增武,傅敏,李辛庚,等.晶粒度对P91钢水蒸气氧化性能的影响[J].腐蚀科学与防护技术,2008,20(3):162-165.

[7] 莫根源,严斌,犹公.非金属夹杂物对P91钢管分层缺陷的影响[J].理化检验-物理分册, 2015,51(4):267-269.

[8] 敬仕煜,郭英俊,姜筱红,等.大口径厚壁管压扁试验和弯曲试验严格程度的比较.理化检验-物理分册,2013,49(4):236-240.

Quality Discuss for P91 Seamless Pipe

HE Biao,ZHAO Qing-quan,XIAO Gong-ye,
WAN Guo-liang,ZHANG Jun-ping,QIN Li-bo
(Tianjing Pipe[Group]Corporation Ltd.,Technology Center,Tianjing 300301,China)

As having excellent high temperature mechanical property,P91 is extensively used.But because of having different quality properties,quality problem may be appeared.The research of heat treatment for P91 pipe has been discussed.Also,hardness,microstructure,chemical, impact,non-metallic inclusion and processing property have been discussed.The method of distinguish different properties are also gived in this paper.

P91 pipe,quality distinguish,property

TG142.1

A

何 彪,高级工程师,主要从事锅炉管、石油裂化管以及核电管的钢种开发工作。