GB 5310国产P91钢管与ASME A335 P91钢管标准比对

刘锡贝 傅志强 王 斌 金宝炎

（天津出入境检验检疫局 天津 300456）

GB 5310国产P91钢管与ASME A335 P91钢管标准比对

刘锡贝 傅志强 王 斌 金宝炎

（天津出入境检验检疫局 天津 300456）

在介绍P91钢管的成分优化措施和强化机理的基础上，对ASME A335 P91和国内生产的GB 5310中10Cr9Mo1VNbN进行了化学成分和物理检测项目包括非金属夹杂物、晶粒度、显微组织、室温力学性能等比较，并对国产P91钢管现状进行分析，得出我国的P91钢管各项性能指标已经日渐满足使用要求，正逐步取代进口P91钢的使用。通过对两种标准体系的比较，有助于深入理解ASME标准与国标的差异和相关标准的实施，也有助于理解我国锅炉管以及压力容器标准的发展变化，这对强化锅炉管的安全具有重大意义。

P91；钢管；强化机制；标准对比

1 前言

P91钢是美国橡树岭国家实验室和燃烧工程公司（CE）在9Cr-1Mo钢的基础上，通过限制含碳量，添加钒、铌、氮等强化元素而研究开发的一种改良型马氏体耐热钢[3]。随着发电设备向大容量、高参数方向发展，P91钢因具有较高的持久强度、良好的抗氧化性能和工艺性能，已在世界范围作为超（超）临界压力机组主蒸汽管道、再热蒸汽管热段及锅炉高温过热器和再热器的出口集箱等高温承压部件得到广泛应用。1985年，该钢列入美国ASME A335标准；我国也将该钢纳入GB 5310-2008标准，相对于P91，我国牌号为10Cr9Mo1VNbN[3]。

天津港每年进口的高压锅炉管以 P91、T91、 P92、T92、P22、P5、P11、P9、T9、WB36（15NiCuMoNb5，15NiCuMoNb5-6-4）、10CrMo910、T9/P9、TP321H、TP 347H、SA106B、SA106C、B70CL.32等为主，材料涵盖了铁素体耐热钢、珠光体耐热钢、奥氏体耐热钢和碳钢等各种类别，其中P91和P92占了高压锅炉管总进口量的50%以上。

2 P91钢管的强化原理

2.1 固溶强化

P91钢内置换合金元素Cr、Mo和间隙元素C、N对a-Fe基体产生固溶强化的效果，而且固溶体中的间隙原子C、N和置换原子Cr、Mo等产生原子对相互作用，增加了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使材料的强度与硬度增加。钢中加入少量强碳化物形成元素Nb、V，阻止了Cr、Mo等碳化物形成，使其尽量溶于固溶体中，也增强了固溶强化的效果[4]。

2.2 析出强化

P91钢在高温回火时，Nb、V等强碳化物形成元素与C和N形成细小而稳定的MX型碳氮化物在马氏体板条内弥散析出，Cr与C和N形成椭形的M23C6型碳化物在马氏体板条界和原奥氏体晶界析出，这些弥散分布的析出相能强烈抑制位错运动，显著提高了P91钢的高温持久强度。

2.3 板条马氏体强化

P91钢经过正火（壁厚大于75mm，可采用淬火）和回火，每一个细小的奥氏体晶粒转变成多个位相不同、相互间以大角度相交的低碳马氏体板条束集。每个马氏体板条束集由许多细密的位相相差不大的以小角度相交的马氏体板条束组成；每一束马氏体板条束又是由众多细密的位相相近的马氏体板条组成；在每一片马氏体板条上，存在着微细的M23C6和MX析出物、高密度的位错和亚晶界。一方面亚晶界和细小的析出物能阻碍位错的运动，另一方面亚晶界上的碳化物还能阻止亚晶界网通过迁移和局部的分解而粗化，从而大大提高P91钢的强韧性，实现强化效果优异的回火板条马氏体强化。

2.4 位错强化

P91成品钢管的高位错密度是由马氏体相变和热加工时的塑性变形引入。马氏体相变和热加工变形时，位错的运动比较复杂，位错之间相互反应、位错受到阻碍不断塞积、材料中的溶质原子和析出物等都会阻碍位错运动，从而提高材料的高温强度[6]。

通过固溶强化、析出强化、板条马氏体强化和位错强化等复合强化方式，并采用优化工艺，P91钢管获得了非常优异的综合性能。

3 标准比对

3.1 化学成分

GB 5310同A335标准对P91钢管要求的化学元素项目和含量相同，详见表1。

表1 GB 5310和A335标准对P91钢管的化学成分要求

虽然两个标准要求的化学元素项目和含量相同，但A335标准规定P91级钢管碳含量可以与表中规定的范围有一定偏差，偏差范围为（-0.1%）-（+ 0.02%）；GB 5310标准规定成品钢管化学成分含碳量允许偏差为±0.01%。

3.2 热处理要求

A335标准中表2和GB 5310标准中表6续分别对P91钢管和10Cr9Mo1VNbN的热处理工艺作出明确规定，详见表2。同时A335标准 5.3注4还表述了某些铁素体钢如果从临界温度快速冷却，会产生淬火硬化，即一些钢要在空气中淬火，从高温冷却时，会产生不符合要求的硬化效果。因此，对于涉及高于临界温度的加热操作，如焊接、翻边及热弯成型等，应在随后适当地进行热处理，以防止硬化效果的出现。

表2 热处理对比

3.3 物理性能要求

GB 5310同A335标准对P91钢管的物理性能要求见表3。

表3 物理检测比对[1-2]

（续表3）

3.4 标准比对说明

关于试验数量，A335标准14.2规定横向或纵向拉伸试验、硬度试验或弯曲试验——对于在分批装料炉中进行热处理的钢管，应对每处理批次中的5%钢管进行试验；对于小批量，至少测试1根钢管。

对于硬度，A335标准14.3.7规定应在每批中取样进行布氏硬度试验、维氏硬度试验或洛氏硬度试验，同时14.3.5要求布氏硬度试验时压痕中心距样品边部的距离至少为压痕直径的2.5倍。

对于冲击吸收能量，A335标准没有做出明确要求，GB 5310则对材料的横向和纵向规定了冲击最小值。

通过标准比对可看出，A335标准对于管材的热处理要求较为明确具体，比如针对铁素体钢在5.3中加以两条注解说明，同时对于P91级钢管，依据A335标准表2中的注D协议进行淬火及回火时，拉伸及硬度性能应满足要求，并且要确定材料是从中厚处取得。GB 5310标准要求的项目基本同A335保持一致，在无损检测以及金相观察要求上比A335标准规定的更加详细具体，这也在一定程度上促进了我国高压锅炉无缝用钢管的发展。

4 P91钢管国产现状

目前国内知名的大型钢管生产厂商主要以北方重工、武汉重工铸锻、河北宏润、成都无缝钢管厂、上海钢管厂、天津无缝钢管以及衡阳钢管厂等企业为首的一批企业，P91钢管生产工艺基本成熟，设备满足要求，产品可靠度经过几年用户运行，已满足装置运行要求，逐渐填补了3年前国内P91空白市场[5]。

国内钢管厂严格按照优化工艺生产制作的P91大直径无缝钢管，不论是冶金质量和常规力学性能，还是高温持久强度，均能达到ASME规范及GB 5310-2008的要求，这说明我国已经具备P91大直径无缝钢管批量生产能力，从目前天津港进口高压锅炉管减少也可说明国产钢管质量良好，正逐渐替代进口。

目前高压锅炉管和核电用管的国产化率正在逐年提高，超临界和超超临界机组用高压锅炉管已能批量供货。随着大容量亚临界、超临界火力发电机组在我国的发展，各种新型耐高温材料的用途将会越来越广泛，P91作为一种新型耐热钢，必将给我国工业带来良好的经济效益和社会效益[7]。

5 结语

锅炉管的安全情况是影响高压锅炉能否正常运行的关键因素，关系着锅炉安全与操作人员的生命安全，使用过程中中，一些未检出的缺陷或某些工艺及力学性能处于较低水平时，将对锅炉管的安全构成极大隐患。因此，通过常用标准的系统、强化学习，明确标准要求，有助于从源头加强第一道检测关口，采取科学的措施加强进境锅炉管的日常监管。

我国的高压锅炉管标准主要参照了ASME规范，因此在实际使用时对两种标准体系的相关标准进行比较分析，有助于理解ASME A335和GB 5310标准的差异，促进相关标准的实施，还有助于了解我国高压锅炉管以及压力容器标准的发展变化，这对于强化锅炉管的安全具有重大意义。

[1]A335/A335M-11 Standard Specification for Seamless Ferritic Alloy-Steel Pipe for High-Temperature Service[S].

[2] GB 5310-2008高压锅炉用无缝钢管[S].

[3] 王起江，洪杰，徐松乾，等.超超临界电站锅炉用关键材料[J].北京科技大学学报，2012，S1：26-33.

[4] ASME锅炉及压力容器规范国际性规范Ⅷ[M].北京：中国石化出版社，2007.

[5] 赵钦新，朱丽慧，顾海澄，等.国产T91/P91的深化研究[J].锅炉技术，1999，30（8）：16-25，32.

[6] 杨秀琴.我国油井管、电站锅炉管国产化的发展历程[J].钢管，2014，3：1-5.

[7] 于秀美，贾振宇.美国ASME规范与中国压力容器标准的比较[J].石油化工设备，2008，4：51-54.

The Comparison of P91 Steel Tube of ASME A335 and GB 5310

LIU Xibei，FU Zhiqiang，WANG Bin，JIN Baoyan
(Tianjin Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Tianjin,300456)

An introduction is being presented to the measures ofcomposition optimization and strengthening mechanism ofdomestic P91 seamless steel pipes,together with an overall evaluation on the non-metal impurities,grain size,microstructure,room temperature mechanical property of the steel pipes in this paper.The current situation ofdomestic P91 steel pipe is analyzed and it is found that the performance indicators of thedomestic steel P91 steel pipe have been increasingly meet the requirements, and is gradually to replace the import of P91 steel.Through the comparison of two kinds of standard systems of P91 in ASME A335 and 10Cr9Mo1VNbN in GB 5310,it is helpful to understand and implement thedifference between ASTM standard and national standard and it’s also beneficial to understand thedevelopment and change of the Seamless ferritic Alloy-Steel Pipe for High-Temperature standard,which is also an important way and prerequisite to strengthen the boiler tube safety.

P91；Steel Tube；Strengthening Mechanism；Standard Comparison

TG142.7

E-mai：liuxb@tjciq.gov.cn

2015-06-23