A335P92鋼熱壓成形工藝試驗研究

魏驍，徐廣信，叢相州

(中國電力科學研究院，北京市，100070)

0 引言

A335P92(X10CrWMoVNb9－2)鋼是一種高溫9%Cr鋼［1］，因其含有 W、Nb、V 等合金元素，使其比常用的A335P91等鋼材具有更高的高溫持久強度和許用應力［2］。對于蒸汽溫度為600～620℃，壓力為25～28 MPa的超超臨界機組，A335P91鋼材的許用應力太低已經不能滿足需求。用A335P92鋼代替目前電廠高溫、高壓管道中常用的A335P91鋼，可大大減小管道壁厚，使管系質量下降，因此A335P92鋼必將在我國1 000MW機組的建設中得到越來越廣泛的應用。本文通過試驗，研究A335P92鋼的熱壓成形性能，以確定這種材料合理、可行的熱壓成形工藝。

1 A335P92鋼熱壓成形性能試驗方案

要制成合格的A335P92鋼管件，必須制定合理的熱壓成形工藝，以保證A335P92鋼在熱壓成形過程中不產生裂紋等影響管件質量的缺陷［3］。對于A335P92鋼，裂紋的產生除與抗拉伸變形能力有關外，還與其熱壓成形溫度、壓制后冷卻條件等有關。因此，本試驗方案要考慮熱壓成形時的拉伸變形量、熱壓成形溫度和熱壓成形后的冷卻方式。

1.1 確定熱壓成形最大變形率

電廠使用的熱壓管件中熱壓彎頭、熱壓三通、熱壓封頭的拉伸變形量較大，取其中最大拉伸變形率作為本試驗的條件［4-5］。

1.1.1 熱壓彎頭變形率的計算

按公式R=1.0D計算熱壓彎頭變形率［6］，式中R為彎頭彎曲半徑，mm;D為彎頭外徑，mm。熱壓彎頭的最大拉伸變形處是彎頭的背弧側，根據壓制工藝，彎頭下料角度α為30°，壓制后外弧弧長較合適。熱壓彎頭下料長度如圖1所示。

外弧側下料長度為Lw，則有

式中:Lw為外弧側下料長度，mm;L為中弧長度，mm;D 為彎頭外徑，mm;α 為下料角度，(°)。

由于彎曲后中性層長度L基本不變，則有

圖1 熱壓彎頭下料長度示意圖Fig.1 Schematic diagram for cutting length of hot forming elbow

壓制成形后外弧弧長為L'，則有

則彎頭的最大拉伸變形率E為

由于下料時α取30°，所以E=9.7%。

1.1.2 熱壓三通變形率的計算

熱壓三通板料彎曲狀態示意見圖2。在熱壓三通成形過程中，最大拉伸變形發生在三通肩部圓角處，按照三通的設計，對于厚壁三通，其r≥t(r為三通肩部圓角的半徑，t為三通肩部圓角部位的壁厚)。

圖2 板料彎曲狀態圖Fig.2 State diagram of plate bending

其變形條件最大為r=t，根據文獻［3］，受彎曲部位外表層的延伸率為最大受拉部位，其延伸率ES為

式中:ρ為中性層曲率半徑，mm，ρ=(R/t+η/2)ηt;R為彎曲件內半徑，mm;t為材料厚度，mm;η為材料變薄系數;R1為彎曲件外半徑，mm，R1=R+ηt;α為彎曲件中心角，(°)。

查文獻［3］表1，當彎曲角度為90°和r/t=1時，η取0.96，則最大延伸率ES=38%。

1.1.3 熱壓封頭變形率的計算

熱壓封頭中以球形封頭拉伸變形率最大，在球形封頭壓制中，減薄率最大位置位于與球頂成25°角的區域。根據實際生產中A335P91球形封頭壓制成形的經驗，此處壁厚減薄率不超過20%，假設此處壁厚減薄均為單向拉伸變形所致，則此處延伸率為25%。

綜上分析，取38%為試驗中最大拉伸變形率為試驗依據，并將以彎曲的方式來達到所要求的拉伸變形率。

1.2 試樣制備

試樣材料為A335P92，其尺寸如圖3所示。

圖3 試樣尺寸Fig.3 Sample size

1.3 試驗設備

加熱用燃油加熱爐和電阻爐，壓制用20 000 kN油壓機，測溫用HTSF500－2000型紅外測溫儀。彎制裝置結構如圖4所示。

圖4 熱態彎曲試驗裝置Fig.4 Schematic diagram of equipment for hot bend test

按式(5)計算，設試樣彎曲半徑為 R，要達到38%的延伸率，則有

當t=36 mm ，R/t=1時，查表可知η=1，因此取彎曲壓頭直徑D=72 mm。

1.4 試驗方案

1.4.1 加熱溫度、保溫時間和變形溫度

參考有關資料，確定加熱溫度范圍為1 050～1 100℃，保溫時間為1～2 h。在950～1 100℃、800～950℃(在兩相區內)、650～800℃(在相變溫度點以下)3種壓制成形溫度下分組進行變形溫度試驗。

1.4.2 冷卻條件

由于A335P92鋼具有很強的淬硬傾向，壓制成形后的冷卻是一個淬火過程，如劇烈冷卻，可能產生淬火裂紋，故對不同壓制溫度下的各組試樣分別進行水冷、風冷、空冷和緩冷試驗，以確定較為合理的、便利可行的冷卻條件。A335P92鋼熱壓成形性能試驗工藝見表1［4］。

表1 A335P92鋼熱壓成形性能試驗工藝Tab.1 Performance test of hot forming technology for A335P92 steel

冷卻方式為:水冷，自來水溫度20～60℃;風冷，距電扇2～3m，風冷至100℃以下(試樣遠離加熱源放在耐火磚上);空冷，靜空氣中冷卻至100℃以下(試樣遠離加熱源放在耐火磚上);緩冷，用石棉包裹，冷卻至100℃以下(試樣遠離加熱源放在耐火磚上)。

2 試件檢驗

沿用管件常規檢驗方法，即外觀、滲透、硬度、金相檢測，壓制和熱處理完成后檢驗有無裂紋，硬度是否符合標準［7］要求。根據A335 P92熱處理工藝試驗結果，調質熱處理工藝為:正火1 060～1 070℃達85 min，空冷至室溫2 h后回火;回火760～770℃達144 min，爐冷至400℃以下出爐空冷。

3 試驗結果及分析

為保證試驗的有效性，能夠充分發現裂紋，加工完成的試樣在磁粉、超聲波探傷合格后才能進行熱壓試驗;對分組熱壓試樣的檢測均在壓制后24 h進行，調質熱處理后試樣的檢測也同樣在熱處理后24 h進行。

經外觀及滲透檢驗，試樣無裂紋，硬度檢驗結果見表2。除水冷卻方式下的硬度稍偏大，其他不同熱壓成形溫度及冷卻方式下的硬度差別不大。這可能一方面是由于A335P92鋼具有很強的淬透性，所采用的幾種冷卻方式都可以使其得到淬火組織;另一方面，不管熱壓成形溫度如何改變，其成形溫度都在Ms點(馬氏體開始形成的溫度)以上，A335P92鋼在Ms點以上組織較穩定，基本不會因變形誘發產生其他組織。在進行了調質熱處理后，因其組織均為回火馬氏體組織，不同熱壓成形溫度及冷卻方式下的硬度差別不大，符合標準要求。

表2 A335P92鋼熱壓成形性能試驗試樣硬度檢驗值Tab.2 Samples hardness of hot forming performance test for A335P92 steel

采用10種試驗工藝，在壓制和熱處理完成后對彎曲試樣受拉側進行了金相檢驗，顯微組織照片未見晶間裂紋［8-9］，這與外觀及滲透檢驗的結果一致。圖5是典型的金相組織照片［10］。

圖5 AF和CK彎曲試樣壓制和熱處理后金相照片Fig.5 Comparisons of metallographic photos for the outer bend specimen AF and CK after pressing process and heat treatment

由金相照片可以看出，壓制完成后金屬的晶粒粗大，晶粒度等級為0～1級，組織有被拉長的跡象，這可能是因為雖然在變形后發生了馬氏體轉變，但由于轉變溫度較低，金屬原子已經基本不可能擴散，馬氏體轉變只是一個晶格切變的過程，無法改變金屬晶粒的形狀和大小。熱處理完成后金屬的晶粒得到細化，晶粒度等級為4～5級，組織通過調質熱處理得到恢復和改善［11］。

4 工藝驗證

為驗證熱壓工藝的可行性，對熱壓彎頭、熱壓三通實際產品進行檢驗，未發現裂紋等缺陷，硬度符合標準要求，金相組織合格。

5 結論

(1)A335P92鋼熱壓成形的加熱溫度為950～1 100℃，保溫時間為1～2 h。

(2)A335P92鋼在溫度650～1 100℃時熱壓成形不會產生裂紋等缺陷。

(3)A335P92鋼熱壓成形后可以自由冷卻，即使水淬也不會產生裂紋。

［1］SA－335—2004高溫用無縫鐵素體合金公稱管［S］.北京:冶金工業出版社，2004.

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［3］王永禧.鍛造與沖壓工藝學［M］.北京:冶金工業出版社，1994:224-225.

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［7］JB/T 4730.5—2005承壓設備無損檢測第5部分:滲透檢測［S］.北京:機械工業出版社，2005.

［8］李秀寶.中頻彎管的顯微組織及其熱處理［R］.北京:電力建設研究所，1989.

［9］DL 438—2000火力發電廠金屬技術監督規程［S］.北京:中國電力出版社，2000.

［10］劉瑞奇.金相圖譜［M］.沈陽:遼寧科學技術出版社，1990.

［11］姜求志，火力發電廠金屬材料手冊［M］.北京:中國電力出版社，2001.