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     P91鋼是美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）和燃燒工程公司共同研究開發(fā)的綜合性能優(yōu)良的動力工程鍋爐用鐵素體耐熱鋼，主要應用于主蒸汽管道、再熱蒸汽管道熱端及其他高溫承壓設備。它是在9Cr1Mo的基礎上通過添加V、Nb、N等元素進行微合金化，從而在晶界及晶內生成了大量形狀復雜的Nb、V（C，N），它在高溫塑性變形過程中比簡單的球形析出物更能有效地阻礙位錯的運動，另外，翼狀析出物增大了捕獲位錯的幾率，因而大大提高了持久強度和抗蠕變性能，同時保持了原9Cr1Mo鋼的優(yōu)良的抗高溫腐蝕性能；與奧氏體鋼相比，它具有比奧氏體不銹鋼更低的熱膨脹系數和較高的導熱系數。

國內鍋爐制造企業(yè)所需P91主要由國外供貨，但是供貨期長，且價格昂貴，嚴重制約了我國電力行業(yè)的發(fā)展，從而影響了我國的經濟發(fā)展速度。

因此迫切需要P91的國產化。目前國內只有內蒙古北方重工等少數廠家通過鍛造鏜孔的方法制造出了符合標準的P91，但該方法生產效率不高，成材率低，資源浪費較嚴重，而還沒有廠家通過穿孔熱軋方法生產中口徑P91。鑫輝創(chuàng)經過前期的精心準備，從煉鋼到軋管再到熱處理，一次成功，已評定的各項性能均滿足標準要求。

1、P91無縫鋼管的試制

根據鑫輝創(chuàng)的設備條件，結合該鋼種的特點，將P91無縫鋼管的試制工藝流程定為：EAF→LF→VD→模鑄→鍛造→退火→扒皮→管坯加熱→穿孔→斜軋→定徑→冷床→鋸切→矯直→探傷→正火→回火→矯直→修磨（或鏜孔）→超聲波探傷→水壓試驗→測長、稱重、噴標→打捆→入庫。

1.1煉鋼及合金成分控制

1）煉鋼

采用電爐冶煉+鋼包精煉+真空脫氣的冶煉工藝，原料采用鐵水+廢鋼，嚴格控制S、P以及其他有害元素的含量，保證鋼水的純凈度；保證足夠真空度和脫氣時間，同時氬氣攪拌，降低O、H氣體含量，同時促進成分的均勻化；通過爐底吹氮氣和喂CrN相結合的方法使鋼中的N含量達到標準要求；通過合理、適量的喂絲，使鋼中的夾雜物含量降到zui低。

模鑄成錠后，對鋼錠進行鍛造，嚴格控制始鍛和終鍛溫度，要求始鍛溫度≤1300℃，終鍛溫度≥760℃；保證鍛造比大于3，優(yōu)化鍛后退火熱處理工藝，保證鍛坯質量。

2）合金成分控制

過低的C含量使得高溫強度降低，但C含量過高，則可焊性降低，同時降低高溫塑性。采用電爐冶煉，電極增碳和鋼包增碳嚴重，VOD能夠很有效地降低C含量，但是又會引起O含量的增加，因此C含量難控制。通過控制廢鋼的C含量以及增加鐵水的配比，從電爐冶煉開始降碳，從而有效地控制了碳含量，鑫輝創(chuàng)zui終成品管的C含量在0.10%左右。

V、Nb的加入形成了細小的碳化物，起到了沉淀強化的作用，但是過多的V會引起持久強度的降低。因此鑫輝創(chuàng)將V控制在0.20%左右，Nb為0.07%。

S和S化物在晶界偏析，削弱晶界，形成孔洞，從而引起晶界脆化和蠕變脆化，因此要嚴格控制，鑫輝創(chuàng)生產的P91將S含量控制在0.004%以下，個別能達到0.001%。

而過高的Al含量，將會削弱其他元素所起的作用，同時也強烈降低鋼的持久性能，因此將Al含量控制在0.010%以下。

N與鋼中的Nb和V形成MX型金屬間化合物，對強度有明顯影響，而日本進口管材中的N含量普遍較低。我們將N含量暫時控制在400ppm左右，N的含量對T91的影響需進一步研究。

雖然ASME SA335M中沒有要求Ti在P91中的含量限制，但通過將Ti含量降到極低，長城鋼廠生產的T91獲得了*的高溫持久塑性。鑫輝創(chuàng)嚴格控制Ti含量，成品Ti<0.010%。

五害元素及O、H氣體含量也嚴重影響著鋼的高溫性能，通過煉鋼過程的嚴格控制，將P91的五害元素總量控制在250ppm以內，O、H分別在40ppm和2ppm以下。

其他元素含量分別為：Si 0.33%；Mn 0.41%；Ni 0.10%；Cr 8.20%；Mo 0.90%；P 0.013%。

1.2 軋管

由于該鋼種的合金含量高，化學成分復雜，變形過程中，變形抗力大，塑性低，屬于難軋品種，因此對環(huán)型爐的爐溫進行了嚴格控制，爐溫低于1050℃時，由于溶入奧氏體的Mo、V、Nb碳化物增多，阻礙晶界長大的作用被削弱，晶粒迅速長大從而導致變形不均勻，使塑性降低；溫度高于1200℃，會發(fā)生過熱現象，δ鐵素體量迅速增加，鋼的塑性和韌性也都下降。因此，使軋制過程中的溫度在1100-1200℃之間，此時該鋼種具有*的塑性。合理的設置喂入角、輾軋角以及軋制轉速等軋制工藝參數，保證該鋼種的順利軋制。軋制后鋼的尺寸精度高，外徑偏差和壁厚偏差均滿足ASME標準要求。

1.3熱處理

采用正火+回火的熱處理方式，正火溫度為1040-1060℃，保溫1h，此時大部分碳化物溶解但并不發(fā)生明顯的晶粒長大，正火溫度高于1060℃則容易出現奧氏體晶粒粗化，同時保證正火后鋼管內外表面溫度降到Ms點以下，從而得到*的馬氏體；回火溫度為780℃左右，保溫2h，回火后馬氏體組織中碳化物能均勻析出，從而提高了材料的蠕變性能。

2、P91成品管的組織及性能

2.1常溫力學性能及工藝性能

對成品管進行拉伸、沖擊、硬度以及壓扁試驗。屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率均滿足標準要求，屈強比在0.73-0.76之間；沖擊功和硬度值符合標準要求，且均勻性良好；一次壓扁和二次壓扁后，均沒有發(fā)現裂紋以及冶金缺陷。

2.2夾雜、組織、晶粒度

非金屬夾雜物對鋼的強度、塑性、斷裂韌性、疲勞、熱脆、耐蝕尤其是高溫性能有很大影響，因此需要對非金屬夾雜物進行嚴格控制；而組織和晶粒度則是鍋爐管長時高溫下能夠平穩(wěn)工作的保障。

對成品管進行取樣分析，非金屬夾雜物A細和D細均為1.0，在觀察的視場內沒有發(fā)現其他夾雜。對成品管進行內、中、外表面金相觀察，均為回火索氏體，晶粒度為8.5級，碳化物均勻析出，并且無鐵素體出現，組織均勻性好。

2.3脆性轉變溫度

脆性轉變溫度（FATT50）是評價一個鋼種性能好壞的重要指標。轉變溫度過高，則有可能在水壓過程中發(fā)生脆性斷裂，造成事故。采用系列沖擊的方法對成品P91進行脆性轉變溫度的測定，得出脆性轉變溫度為-27℃。

2.4短時高溫性能

短時高溫性能是鍋爐管的一個重要性能指標，反映其在工作狀態(tài)下的性能。表1是P91的高溫拉伸性能，試驗方法執(zhí)行GB/T4338，標準參考GB5310-95中的10Cr9Mo1VNb。從表1中可以看出，鑫輝創(chuàng)生產的P91的短時高拉性能*符合GB5310-95要求，也大于ORNL的zui低要求。

表1：短時高溫拉伸

溫度，℃	200	250	300	350	400	450	500	550	566	600
標準Rp0.2，MPa	380	370	360	350	340	325	300	260	—	200
實測Rp0.2，MPa	469	456	446	447	435	434	397	366	374	316
實測Rm，MPa	601	583	562	563	535	520	484	429	409	366
實測延伸率，%	22	22	19	19	18	17	21	27	21	33

2.5持久強度

持久強度是鍋爐管設計應用的依據，是鍋爐管長期安全使用的保證，是極其重要的參數。表2是590℃和620℃時，不同應力下的掛機時間。

表2：持久強度掛機時間

溫度℃	590					620
應力MPa	200	180	160	140	130	160	140	120	110	100	90
掛機時間，h	77已斷	286已斷	1536已斷	5616已斷	10032 未斷	72 已斷	240 已斷	2070 已斷	4849 已斷	7632 已斷	11016 已斷
延伸率，%	21.8	22.7	24.7	23.4	24.6	25.2	25.6	21.1	22.6	23.4	24.2

持久強度外推方程為：

    590℃： logσ＝2.45615 - 0.0814 logτ

    620℃： logσ＝2.38795 - 0.09892 logτ

590℃下105 h外推持久強度為112MPa，620℃下105 h外推持久強度為78.7MPa，均不小于GB5310對10Cr9Mo1VNb在590℃和620℃下持久強度要求。

2.6 焊接性能

對鑫輝創(chuàng)生產的P91進行了焊接性能檢測。結果如下：

1） 焊接接頭550℃和600℃下短時高溫拉伸屈服強度分別為355MPa和315MPa，*GB5310-95要求。

2） 焊接熱影響區(qū)硬度zui高，在230-250HB之間，焊縫硬度稍高于母材，但差別不大，*有關規(guī)范要求。

3） 室溫下焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)、母材均具有良好的沖擊韌性，沖擊功遠遠大于鍋規(guī)要求（≥27J）。

4） 對P91焊接接頭進行微觀金相檢測，宏觀未發(fā)現缺陷；微觀檢查焊縫和熱影響區(qū)的組織均為回火索氏體，未有裂紋、疏松、過燒和淬硬性組織。

5） 結論為：鑫輝創(chuàng)試制的P91鋼管，按照鑫輝創(chuàng)現行的P91管焊接工藝焊接，化性能檢測表明焊接性能良好。

2.7無損檢測

對P91進行水壓試驗，保壓時間不少于10s；同時按GB/T5777逐支進行超聲波探傷，樣管內、外表面縱向和橫向人工缺陷驗收等級為C5。

水壓試驗和超聲波檢測結果符合要求。

3 結論

采用電爐冶煉+鋼包精煉+真空脫氣的冶煉工藝，正火+回火的熱處理工藝，鑫輝創(chuàng)鋼業(yè)生產出了符合ASME SA335的P91鋼管。P91成品管的顯微組織為回火索氏體，鋼管全壁厚的組織均勻，且無鐵素體以及黃塊狀馬氏體出現。P91常溫力學性能以及高溫拉伸性能滿足GB5310-95以及ORNL的要求；脆性轉變溫度為-27℃；590℃和620℃下的持久強度估算值也都滿足GB5310-95的要求；可焊性良好。成品管水壓及探傷結果良好，*符合標準要求。