P91管制造工艺对性能的影响

发布时间：2021-03-19

　　摘要：研究了冶炼、冷热成型、热处理等P91钢管制造工艺对性能的影响，给出了最佳的制造工艺，为国内P91管的制造提供了支持。

　　关键词：P91管;冶炼;成型;热处理

　　随着蒸汽参数的不断提高，锅炉、汽轮机等主要发电设备用高温部件所使用的材料等级越来越高，对材料的性能要求也越来越高。P91是由美国燃烧工程公司和美国橡树岭实验室在20世纪80年代开发的马氏体耐热钢，具有优异高温蠕变持久强度，已经广泛应用于国内外锅炉、汽轮机等发电设备用高温管道等关键部件。国内外对于该钢的冶炼、热处理等制造工艺及硬度、组织、焊接性能的研究也非常多[1～4]。然而，对于制造工艺对钢的组织性能影响的研究较少，且比较分散，并不系统。

　　本文在综合国外对于P91钢研究和应用的基础上，系统地阐述制造工艺对钢的性能的影响，并给出具体工艺措施，提出一整套保证钢具有优异各项性能的制造工艺，用于指导P91钢的生产制造。

　　1冶炼

　　1.1化学成分

　　(1)Al、TiAl

　　在钢中容易与N结合生成硬质相AlN，不仅降低了Nb，V(C，N)在基体中的含量，降低蠕变持久强度(见图1)，而且AlN在晶界析出，加速了晶界和空洞裂纹的产生，显著降低材料的高温蠕变持久塑性。Ti在钢中容易和N结合生产硬质相TiN，其产生的有害作用和AlN相同，会降低在Nb，V(C，N)基体中的含量，进而降低蠕变持久强度。

　　因此，为确保P91钢中具有较高的N浓度，增强V和Nb的碳氮化物弥散强化作用，相关标准对Al和Ti都增加了严格的要求，比如美国ASTM335在2009版及以后，GB/T53102008版及以后的版本，均要求Al≤0.020，Ti≤0.01。之前的版本均要求Al≤0.040，对Ti没有要求。

　　(2)S、Sb、Sn、P和AsS

　　显著弱化晶界强度：一方面，S在晶界偏析，使晶界面的结合力降低，促使空洞在这些位置形核;另一方面，S在晶界偏析，形成非连续的硫化物，易于引起空洞形核。S是引起晶界弱化的主要杂质元素，回火脆性元素Sb、Sn、P和As对晶界弱化只起次要作用。这些元素的存在是导致P91钢持久塑性下降的主要原因。比如，我国在20世纪90年代开始研究并生产Grade91钢，最初国内钢厂对于S和残余元素控制的不好，造成当时生产的Grade91钢的持久断裂韧性较低，见图2。从图2可以看出，随着时间的增加，91钢的持久塑性下降显著。

　　因此，2018版ASTMA335“高温用无缝铁素体合金钢管”将P91管的成分分为两类，见表1。

　　从表1可以看出，Type1仍为常规成分要求，但是Type2对S、As、Sb、Sn等残余元素提出了严格的要求。

　　1.2冶炼工艺

　　目前国内外P91钢的冶炼工艺有：电炉+VD精炼;电炉+ESR精炼;电炉+LF精炼+VD精炼。

　　然而，不管采取上述哪种工艺，Sn、Sb、As等残余元素都很难去除，只能严格控制炼钢材料中残余元素的含量。因此，若要满足Type2P91化学成分的要求，必须对炼钢原材料进行严格控制。目前，国内只有约20%的钢厂可以满足Type2P91化学成分的要求。

　　2成型

　　2.1热成型

　　根据Gleeble试验得出，P91钢的最佳热加工温度范围为950～1100℃。因此，热成型(比如锻造和热挤压)时应在该温度范围内进行。然而，由于三通等管件结构比较复杂，在实际挤压过程中，局部温度有可能低至两相区温度范围，即830～930℃，导致铁素体析出，形成块状α铁素体区域带。两相区组织塑性和韧性很差，很容易出现裂纹。因此，热成型过程中，一定严格执行工艺文件，避免出现两相区组织。

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　　赵振铎[6]等研究了不同锻造比对P91管坯组织及性能的影响规律研究，指出，当锻造比为2时，P91管坯的晶粒粗大，管坯横向截面组织不均匀，无法探伤;当锻造比提高到3后，P91管坯的晶粒细小，充分满足探伤要求。因此，P91钢在热成型过程中，必须保证充分的锻造比。

　　2.2弯管

　　对P91钢管，对于外径小于60mm的管通常采用冷弯方法，大直径管子通常采用热弯工艺。欧洲研究项目表明，当弯管半径与管外径之比在1.3～1.8时，冷弯管的100000h持久强度比非冷弯管低约10%，但该值仍在初始供货条件允许的强度变化范围之内[7]。

　　3热处理

　　P91钢的热处理包括正火(或淬火)、回火、去应力等。不同标准及厂家的热处理工艺见表2。

　　3.1正火(或淬火)

　　对于厚壁管，在淬火时，会由于冷却速度过慢，导致部分铁素体先析出。由钢的连续冷却转变曲线(图3)可见，当冷却速度小于某一定值时，奥氏体冷却转变曲线会进入铁素体转变区域，造成少量的奥氏体先转变成铁素体，这样就会造成管的硬度降低。

　　因此，相关标准对于厚壁管均允许采用淬火方式，以提高管的冷却速度，如表2所示。值得注意的是，ASMTA335在2015a版及之前版本和最新GB/T5310-2017版，均明确壁厚超过一定尺寸(75mm或70mm)的钢管允许淬火，但是最新版ASTMA335-2018取消了壁厚限制。

　　各公司都明确规定P91管在每次处理后，均采用空冷方式。但是，德国曼内斯曼钢管公司认为，对于壁厚大于80mm的钢管需要加速冷却，建议使用油或水喷冷。上述热处理方式均可使P91钢具有优异的抗蠕变强度，稳定的组织，良好的韧性。

　　3.2回火温度对性能的影响

　　不同回火温度对于P91管强度和冲击性能的影响如图4所示，可以看出：

　　(1)在820℃以下，随着回火温度的升高,拉伸强度和屈服强度不断下降,冲击性能不断提高;

　　(2)超过820℃以后，拉伸强度和屈服强度迅速提高，冲击性能显著下降;

　　(3)在730～800℃范围内，屈服强度超过460MPa，拉伸强度超过690MPa，冲击性能超过100J以上，具有满意的综合性能。

　　这是因为根据P91的成分差异，P91的相变点A1在800～830℃之间。在A1点以下回火时，钢在冷却过程中不发生组织转变，随着回火温度升高，钢中碳化物析出数量增多，尺寸长大，导致强度下降，冲击性能提高。超过A1点后，钢进入奥氏体和铁素体两相区，在冷却过程中，会发生马氏体转变，形成马氏体，导致强度提高，冲击性能下降。

　　3.3去应力处理

　　焊后去应力处理的主要作用是去氢和降低残余应力。P91钢是板条马氏体组织，在经过焊后去应力处理后，组织会发生变化。焊后热处理温度过高，则焊接接头组织会发生转变，形成两相区，导致韧性显著下降;焊后热处理温度过低，则剩余残余应力较大，影响安全使用。因此，确定合理的焊后去应力工艺非常重要。大量研究表明，750～780℃，保温2～3h是比较合理的焊后去应力工艺[9]。

　　3.4多次回火对P91钢性能的影响

　　如上所述，无论是性能回火温度，还是去应力回火温度，都在730℃以上。而P91钢管不可避免需要各种结构焊接，焊后需要进行多次热处理。文献[10]研究了不同回火次数对P91钢性能的影响，见图5。可以看出，随着回火次数的增加，强度缓慢降低，冲击功显著提高，回火次数在4次以内，延伸率缓慢增加，第5次回火后，延伸率有所下降。因此，对于P91钢的回火次数应控制在4次以内。

　　4总结

　　(1)Ti、Al、S、Sb、Sn、P和As等元素显著降低钢的蠕变持久性能，在冶炼时应严格控制。

　　(2)P91钢的最佳热成型温度范围为950～1100℃，应严格按工艺执行，避免出现两相区组织。

　　(3)P91钢在正火(或淬火)时，冷却速度应足够快，避免出现有害的铁素体相，降低钢的性能;钢在730～800℃范围内回火，均可获得满意的综合性能。

　　(4)最佳焊后去应力工艺为750～780℃，保温2～3h。

　　(5)过多的回火会降低钢的强度和塑性，应将回火次数控制在4次以内。——论文作者：王建