控制P91鋼管表面硬度的研究

秦利波

（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

0 引言

隨著我國電站鍋爐的不斷升級，大容量、高參數的超超臨界機組對鋼材的耐熱性能和抗蒸汽腐蝕性能提出了更高要求。具有優良綜合機械能與耐熱性能的鋼管P91成為超超臨界電站鍋爐建造的必選鋼種。同時，我國標準DL/T438-2009規定P91鋼管硬度應控制在180 HBW～250 HBW范圍內[1-4]。

1 研究背景

P91鋼是由美國橡膠嶺國家試驗室研制開發的，屬于改良的9Cr-1Mo鋼，主要用于超超臨界鍋爐高溫受壓部件。P91鋼在9Cr-1Mo鋼基礎上，通過限制碳元素含量范圍、加嚴控制P和S等有害元素含量，并添加 300×10-6～700×10-6的 N 元素和微量的強碳氮化物形成元素V和Nb，以達到析出MX化合物，從而細化晶粒、提高持久強度的目標，形成了新型鐵素體型耐熱合金鋼。

表1 ASME SA-335 P91鋼硬度檢測結果 /HBW

為了提高鋼管表面硬度，使P91滿足標準DL/T438-2009，本文詳細分析了P91硬度偏低的工藝原理與鋼管表面脫碳原理，通過模擬現場熱處理工藝，研究了控制P91鋼管表面硬度的最佳熱處理制度。

2 產生機理

文獻[5] 研究了工藝失控狀態下P91硬度變化機理，其中，硬度最低值可降低至146 HBW，低于標準值180～250 HBW范圍。同時，文獻[6-7] 亦指出P91硬度偏低的影響因素包括：回火溫度過高（AC1～AC3度范圍內回火）以及熱處理過程中P91鋼管表面脫碳[5-7]。

2.1 回火溫度過高

當設定回火溫度在AC1～AC3范圍內，P91基體組織產生部分相變，部分M組織轉變為A組織，并且在冷卻過程中A組織轉變成為F+C組織，由于F組織硬度比M組織硬度低，導致組織硬度降低。

當回火溫度在AC1～AC3范圍內時，屬于回火溫度過高，F組織在橫截面均勻產生，表面硬度和基體硬度同時下降，若表面硬度低于標準下限190 HBW，則基體部位硬度值亦不滿足標準要求。

2.2 表面脫碳

鋼管在熱處理過程中，由于周圍氧化氣氛的作用，鋼管表面會發生脫碳現象，造成表面碳元素質量分數降低，其化學反應方程式如下：

發生脫碳反應時，F組織將在內外表面脫碳部位產生。同時，觀察鋼管橫截面組織，靠近內外表面的組織由F組織生成，而基體組織為板條狀M組織，即內外表面組織與基體組織明顯不同。由于F組織屬于軟化相，內外表面硬度值亦隨之降低。

當表面脫碳問題產生后，P91硬度檢測結果將呈現出內外表面硬度低而基體硬度高的現象，且當表面脫碳較為嚴重時，表面硬度檢測結果將低于標準190～250 HBW下限。

有眼光，有魄力，身為企業的掌舵人，楊宗祥看到國內化肥銷售已近飽和，而彼時國家政策鼓勵企業節能減排和走出去，再一次抓住政策的東風，他在生產中引進先進技術，推行節能減排清潔生產，轉變生產方式，加強技術改造，降低能耗，減少污染。在生產上大量引進國內外先進工藝、技術和設備，使產品的質量、數量及各項指標在同行業中處于領先地位。

3 原因分析

3.1 試樣制備

本文試驗采用硬度檢測合格的P91成品管，規格Φ194 mm×36 mm，長度600 mm試樣，化學成分檢驗結果如表2所示。

表2 ASME SA-335 P91鋼化學成分/%

將P91試樣進行熱處理模擬試驗，工藝制度如下：

3.2 硬度檢測與組織分析

在模擬熱處理后進行硬度值檢測，出現了表面硬度值偏低，超出標準范圍180～250 HBW范圍的情況，硬度值檢測結果如表3所示。

表3 熱處理后硬度檢測結果 /HBW

硬度檢測結果表明，鋼管表面硬度值最低為170 HBW，而鋼管基體中部硬度值則滿足標準要求，其表面硬度明顯低于壁厚中部的硬度值，分析認為鋼管表面硬度值偏低的原因為表面脫碳層的影響。因此，取鋼管橫截面試樣進行金相組織觀察，結果如圖1所示。

圖1 模擬熱處理金相檢驗結果

如圖1可知，P91鋼管經正火+回火熱處理工藝后，其表面存在脫碳問題。檢驗結果表明，其內表面脫碳層 0．2 mm，外表面脫碳層 0．3 mm，且模擬熱處理后在脫碳的鋼管表面存在F組織，而基體組織則不存在F組織，基體組織觀察如圖2所示。

基體中部組織觀察表明，基體組織為M回組織，不存在F組織，因此，分析認為脫碳引起的F組織生產是表面硬度偏低的主要原因。

3.3 脫碳層影響因素分析

在熱處理過程中，由于在高溫狀態下空氣的氧化作用，碳元素不斷向鋼管表面擴散，脫碳介質的擴散過程符合菲克第一定律：

式中，D為碳原子擴散系數；C為溶質原子濃度；x為擴散方向。

由菲克第一定律可知，擴散速度主要影響因素為擴散常數和碳原子濃度，擴散速度與擴散系數和濃度梯度成正比例關系。因此，應通過降低擴散系數D，進而降低擴散速度，減少表面脫碳層。擴散系數計算公式如下：

圖2 模擬熱處理金相檢驗結果(基體)

式中，D0為擴散常數；Q為激活能；R為氣體常數；T為絕對溫度。

由此可見，擴散系數與溫度T成指數相關關系，隨著溫度的增加，原子擴散系數增加。因此，可通過降低溫度，實現降低擴散系數，減少脫碳層的深度。同時，在相同的溫度條件下，長時間的熱處理工藝可導致脫碳層的加重，因此，適當減少熱處理時間可減輕脫碳層的程度。

4 試驗研究

4.1 溫度的影響

鋼管P91模擬熱處理工藝為正火+回火，本文首先研究了在不同的工序溫度下對脫碳的影響規律。設定工藝制度如表4所示。

表4 熱處理工藝制度

采用3．1節所制備的試樣，執行表4工藝制度，進行表面硬度試驗研究，試驗結果如表5所示。

表5 熱處理檢驗結果

由表5檢驗結果可知，隨著正火工藝保溫時間的延長，內外表面脫碳層深度明顯增加，而回火工藝保溫時間的延長并未引起脫碳層的明顯增加，由此分析可知，引起鋼管表面脫碳的主要熱處理工序為正火。由于正火工序溫度較高，原子擴散速度相對較快，因此，在增加30min正火時間的條件下，內外表面脫碳層深度均明顯增加。對于回火工序，由于設定溫度較低，在增加保溫時間的條件下，熱處理并未引起內外表面脫碳層的明顯增加。

4.2 工藝制度

由4．1節試驗結果可見，延長正火工序保溫時間，鋼管表面脫碳層明顯增加，因此，應適當降低正火工序的保溫時間，從而實現減少表面脫碳層深度的目標。設定工藝制度如表6所示。

表6 熱處理工藝制度

采用3．1節所制備的試樣，執行表6工藝制度進行表面硬度試驗研究，試驗結果如表7所示。

表7 脫碳層檢驗結果

由表7可見，隨著正火工藝保溫時間的減少內外表面脫碳層深度明顯減少，且工藝2-2，2-3可滿足190～250 HBW表面硬度的規定范圍。同時，對基體硬度進行檢測，結果如表8所示。

表8 基體硬度檢驗結果 /HBW

據表8檢測結果可知，2-3工藝基體硬度超出了硬度上限250HBW，不能夠滿足標準規范要求，而2-2工藝基體硬度檢測結果可滿足標準要求。同時工藝2-2性能檢測結果如表9所示，工藝2-2試驗結果滿足標準要求，可應用于P91生產實踐。

5 結論

組織觀察結果表明，模擬熱處理后P91表面產生0．2～0．3 mm的脫碳層，鋼管表面產生了F組織由于F組織屬于軟化相，因此鋼管表面硬度值偏低，需控制鋼管表面脫碳層深度。

影響表面脫碳的主要工序為正火，控制正火保溫時間由90 min降低至60 min，表面脫碳層深度可降低0．05～0．15 mm，且內外表面硬度值檢測結果分別為201 HBW和197 HBW，表面硬度滿足標準要求。

經試驗對比，P91鋼管最佳熱處理工藝為1 050℃×60 min+780℃×120 min，基體硬度與表面硬度值可滿足180～250 HBW，且性能檢測結果能夠滿足標準要求。

表9 工藝2-2性能檢驗結果