超超临界机组用T92无缝钢管的研制开发

许磊磊，肖功业，刘　源，何　彪

（天津钢管集团股份有限公司，天津300301）



超超临界机组用T92无缝钢管的研制开发

许磊磊，肖功业，刘源，何彪

（天津钢管集团股份有限公司，天津300301）

摘要：根据ASME SA 213/SA 213M—2013标准和GB 5310—2008标准要求，分析T92无缝钢管的化学成分、室温力学性能、高温力学性能、持久强度和金相组织等。试验结果表明：T92无缝钢管的各项性能指标均满足相关标准要求；T92无缝钢管在625℃的1×105h持久强度外推值为89.8 MPa（标准值为87.5 MPa），在650℃的1×105h持久强度外推值为67.2 MPa（标准值为61.0 MPa），均高于GB 5310—2008标准对10Cr9MoW2VNbBN的要求。

关键词：超超临界机组；无缝钢管；T92；持久强度；铬当量；析出相

许磊磊（1984-），男，工程师，主要从事耐热钢管及气瓶钢管钢种研发、工艺技术及质量控制等工作。

我国以燃煤发电机组为主的电力供应格局在短时间内难以改变，为了提高发电机组效率，节约一次能源，降低CO2排放，发展大容量、高参数的超超临界火力发电机组是一个必然趋势。目前我国已成为世界上拥有超超临界机组最多的国家。世界上先进、成熟达到商业化规模应用的洁净燃煤发电技术，在不少国家已推广应用并取得显著节能和改善环境的效果；其最高运行蒸汽温度和压力不断地升高，对关键部件的材料性能提出了更高要求［1-3］。

T92钢是在T91钢基础上进一步完善改进化学成分配比，具有比T91更高许用应力的新型铁素体耐热钢，其合金化设计特点是在T91基础上降低钼元素含量，提高钨元素含量，以提高固溶强化效果，经过热处理后大量M23C6碳化物析出于马氏体晶界以达到强化晶界的目的，与此同时细小弥散分布的纳米级MX相从晶内析出以强化基体。因此，T92钢具有优异的高温组织稳定性与持久强度，适用于制作蒸汽温度在580～600℃，金属温度在600～620℃锅炉本体过热器、再热器［4-5］。本文主要对天津钢管集团股份有限公司（简称天津钢管）生产的T92无缝钢管进行相关性能指标评价试验，并获得该钢管在正火（1 040～1 080℃×30～60 min）+回火（760～790℃×90～150 min）热处理制度下的试验数据。

1　工艺流程

T92无缝钢管的生产工艺流程为：EAF冶炼→LF精炼→VD精炼→模铸→锻造→退火→扒皮→管坯加热→穿孔→连轧→张力减径→冷床冷却→锯切→矫直→探伤→冷轧→热处理→矫直→喷丸→探伤→打捆→入库。

2　试验材料

试验材料选用T92无缝钢管，规格为Φ63.5 mm×10.5 mm，ASME SA 213/SA 213M—2013《锅炉、过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢管子》［6］和GB 5310—2008《高压锅炉用无缝钢管》［7］标准对相应材质牌号的化学成分要求比较宽，该类钢中Cr含量较高，添加的强化元素W、Mo、V和Nb等也是铁素体稳定化元素。增加钢的铬当量，按照标准控制化学成分则极有可能产生大量δ铁素体，δ铁素体的形成将降低钢的持久强度和冲击韧性等［8］。因此，合理地确定各种元素之间的配比是生产T92无缝钢管的关键环节。

T92无缝钢管中铁素体形成元素含量较高，则该钢相图中奥氏体区域越小，铁素体相区越大，越易形成δ铁素体。由于合金元素的扩散系数很小，即使经过扩散退火也很难消除由枝晶偏析引起的δ铁素体。在实际生产过程中，以舍费勒（Schaeffler）图为依据合理地控制T92钢镍当量和铬当量，将铁素体形成元素和奥氏体形成元素合理地配比，可以保证组织位于马氏体单相区，避免管坯中形成δ铁素体，进而保证了T92无缝钢管高温持久强度和抗蒸汽氧化性能［9-11］。

Mo元素具有显著的固溶强化作用，能够优先溶于固溶体中，是钢中主要的固溶强化元素。W元素也是固溶强化元素，但W、Mo元素会促进Laves相形成，消耗T92无缝钢管基体中的W、Mo元素，从而减弱固溶强化作用。虽然在Laves相形成的初期，细小Laves相有利于提高T92钢的蠕变断裂强度，但是随着高温蠕变时间的延长，Laves相会出现明显的聚集和粗化，当其长大到一定尺寸后容易诱发蠕变孔洞形核，不利于T92钢的抗蠕变性能；因此应合理控制Mo、W元素含量。C元素主要是与Cr元素结合形成M23C6析出物，从而起到强化晶界的作用；C元素还会影响马氏体转变温度和铬当量；C元素含量较高时，容易在焊接过程中引起裂纹。Nb、V元素加入是为了和N元素结合形成细小弥散MX相，起到强化基体的作用［12］。T92无缝钢管的化学成分见表1，各种化学元素含量均满足标准要求，偏差较小。

表1　T92无缝钢管的化学成分（质量分数）　%

3　试验内容

3.1几何尺寸

本次试制T92无缝钢管的公称尺寸为Φ63.5 mm×10.5 mm，其几何尺寸公差按照ASME SA 213/SA 213M—2013标准执行，具体见表2。测量结果表明：T92无缝钢管的外径、壁厚满足标准要求，T92无缝钢管尺寸精度高、均匀性好。

3.2室温力学性能

常规力学性能试验方法按照ASTM A 370—2014《钢制品机械性能测试的标准试验方法和定义》标准执行，具体结果见表3，完全满足ASME SA 213/SA 213M—2013标准要求。

3.3韧-脆转变温度试验

韧-脆转变温度是评价钢种综合性能优劣的一个重要指标，采用系列冲击试验方法对T92无缝钢管进行韧-脆转变温度试验。冲击性能试验方法执行ASTM A 370—2014标准。选取纵向冲击试样，试样尺寸10 mm×7.5 mm×55 mm，试验温度为-60～20℃，每隔10℃测定一组3个冲击试样取其平均值，进行Boltzmann函数拟合测得该规格钢种的韧-脆转变温度是-46.8℃。T92无缝钢管的韧-脆转变温度曲线如图1所示。

表2　T92无缝钢管的几何尺寸

表3　T92无缝钢管的室温力学性能

图1　T92无缝钢管的韧-脆转变温度曲线

3.4短时高温拉伸性能

依据GB/T 4338—2006《金属材料高温拉伸试验方法》进行高温拉伸试验，选取纵向圆形截面试样，试验温度为200～600℃。T92无缝钢管的高温拉伸性能曲线如图2所示。由图2可知：T92无缝钢管在不同温度下短时高温屈服强度和抗拉强度均满足ASME Code Case 2179规范要求和GB 5310 —2008对10Cr9MoW2VNbBN高温抗拉强度要求。T92无缝钢管的伸长率和断面收缩率随温度变化关系曲线如图3所示。从图3可以看出：随着试验温度的提高，T92无缝钢管的屈服强度和抗拉强度呈下降趋势，而伸长率和断面收缩率逐步升高。

图2　T92无缝钢管的高温拉伸性能曲线

图3　T92无缝钢管的伸长率和断面收缩率随温度变化曲线

3.5金相检验

对T92无缝钢管进行非金属夹杂物、脱碳层和显微组织检验，检验结果见表4。从表4可以看出：T92无缝钢管中的非金属夹杂物等级满足ASME SA 213/ SA 213M—2013标准及GB 5310—2008标准要求。T92无缝钢管经过正火+回火热处理后，组织全部为回火马氏体。T92无缝钢管的金相显微组织如图4所示。

表4　T92无缝钢管的非金属夹杂物、金相组织及脱碳层

图4　T92无缝钢管的金相显微组织

T92无缝钢管在较宽冷却速度范围内从淬火温度（1 040～1 080℃）冷却到室温可获得完全的板条马氏体组织，再经高温回火（760～790℃）可获得回火马氏体组织和弥散分布的M23C6型碳化物、MX型碳氮化物［13-14］。M23C6型碳化物和MX型碳氮化物对T92无缝钢管的基体组织起到弥散强化和沉淀强化作用。

T92无缝钢管中的大部分析出相是M23C6型碳化物，一般为（Fe、Cr或Mo）23C6复杂的面心立方结构，多分布于马氏体板条界，M23C6型碳化物在板条界面以短条状析出。T92无缝钢管的析出相组织形态如图5所示。在高温回火过程中M23C6相在界面处快速析出，在晶界处通过钉扎位错而阻碍其运动，从而能够有效地抑制板条马氏体的回复，提高T92钢蠕变强度和寿命。

T92钢组织中MX相主要是V、Nb富集碳化物，MX相尺寸非常细小且热稳定性高，尤其是富Nb的MX化合物即使在奥氏体化温度时仍不能完全溶解，在奥氏体化过程中未溶解富Nb的MX化合物可以限制奥氏体晶粒过度长大，起到细晶强化作用。MX相是通过阻碍位错的运动来实现沉淀强化，其主要强化机制分为位错绕过机制和位错切过机制。在MX相析出初期，由于其尺寸很小且位置很近，位错不能绕过，只能发生切过，使基体同位错一起产生变形，增加位错滑移阻力，从而提高基体屈服强度和抗拉强度［15-16］。

图5　T92无缝钢管的析出相组织形态

3.6高温持久性能试验

在RD2-3型高温蠕变持久试验机上，按照GB/T 2039—2012《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》进行625℃和650℃高温持久性能试验，试验标准值选取GB 5310—2008标准对10Cr9MoW2-% VNbBN和BS EN 10216-2∶2002《压力用途用无缝钢管交货技术条件第2部分：具有高温的非合金和合金钢》标准对X10CrWMoVNb9-2要求的最大值。625℃的1×105h持久强度外推标准值为87.5 MPa（插值法），实际外推值为89.8 MPa；650℃的1×105h持久强度外推标准值为61.0 MPa，实际外推值为67.2 MPa。625℃和650℃温度下的持久强度外推值均高于标准值。T92无缝钢管的持久强度外推曲线如图6所示。

图6　T92无缝钢管的持久强度外推曲线

根据已有数据进行线性回归计算，T92无缝钢管在625℃的持久强度外推方程为lgσ=2.531 62-0.115 63lgt；在650℃的持久强度外推方程为lgσ= 2.500 97-0.134 74lgt。

4　结　论

（1）研制的T92无缝钢管几何尺寸、化学成分、常规力学性能、金相组织、非金属夹杂物级别、脱碳层深度和短时高温拉伸性能均满足相关标准要求。

（2）T92无缝钢管在625℃的1×105h持久强度外推值为89.8 MPa（标准值为87.5 MPa），在650℃的1×105h持久强度外推值为67.2 MPa（标准值为61.0 MPa）；625℃和650℃温度持久强度外推值均满足GB 5310—2008标准对10Cr9MoW2VNbBN的要求。

（3）研制的T92无缝钢管性能指标和质量水平达到国际先进水平，可用于超超临界机组锅炉过热器、再热器等高温承压部件。

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R & D of T92 Seamless Steel Pipe for Servicing Ultra-supercritical Power Plant

XU Leilei，XIAO Gongye，LIU Yuan，HE Biao
（Tianjin Pipe Group Corporation，Tianjin 300301，China）

Abstract：Based on relevant requirements as specified under ASME SA 213/SA 213M—2013 and GB 5310—2008，major properties of the T92 seamless pipe are analyzed and tested，including chemical composition，ambient mechanical properties，hi-temperature mechanical properties，rupture strength and metallographic structures，etc. The results show that the T92 pipe is in possession of all the property values up to the requirements of applicable specifications，and has 625℃1×105h rupture strenght extrapolation value as 89.8 MPa（standard value：87.5 MPa），and 650℃1×105h rupture strenght extrapolation value as 67.2 MPa（standard value：61.0 MPa），both being higher than what is required by GB 5310—2008 for the 10Cr9MoW2VNbBN steel.

Key words：ultra-supercritical power plant；seamless steel pipe；T92；rupture strength；chromium equivale-% nt；precipitate phase

收稿日期：（2015-05-18；修定日期：2015-08-07）

中图分类号：TG335.71摇

文献标志码：B摇

文章编号：1001-2311（2016）01-0018-05