采用連鑄坯制造的P92 鋼管性能試驗研究

敬仕煜，普曉明，何小明，曾 輝，楊 建

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司·機械工業高溫、高壓材料與焊接工程實驗室，四川 自貢 643001）

P92 鋼管是建造超超臨界燃煤電站的關鍵材料，2008年實現國產化，目前已擺脫對國外進口的依賴[1-3]。與超（超）臨界燃煤電站的另一重要材料P91 鋼管相比較，P92 鋼管適當降低了Mo 含量至0.30%～0.60%，增加了1.50%～2.00%的W，采用復合-多元的強化手段，使鋼的高溫強度進一步提高，主要適用于600～620 ℃蒸汽參數的鍋爐集箱、管道等高溫承壓部件[4-8]。P92 鋼管于1996年納入美國ASME SA 335/ SA 335M《高溫用無縫鐵素體合金管》，我國GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》中的牌號為10Cr9MoW2VNbBN。

管坯是鋼管制造原材料，分為軋坯、鍛坯和連鑄坯。對于P92、P91 鋼管這類大直徑高端材料，一般采用鍛坯制造，但其效率低、成本高，不能滿足工程急需，促使人們對高效率、低成本的大型連鑄圓坯的研究感興趣。2011年，我國開發出連鑄坯P91 鋼管，歷經長時間性能評價后[9]，2019年開始在國內實際工程中應用。這一成功極大地鼓舞了研發信心，依托各方努力，我國又開發出連鑄坯P92 鋼管。本文選取3 支采用國產連鑄坯制造的P92 大直徑厚壁鋼管，分別進行理化檢測、高溫持久試驗等，以掌握連鑄坯P92 鋼管性能，評估其工程應用可行性。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

樣管A、B、C 為國產連鑄坯制造的P92 大直徑厚壁鋼管。其中，樣管A 規格尺寸為Φ508 mm×40 mm，由某甲鋼管廠采用某A 冶煉廠生產的連鑄圓坯制造，坯料直徑為500 mm；樣管B 規格尺寸為Φ610 mm×45 mm，由某甲鋼管廠采用某B 冶煉廠生產的連鑄圓坯制造，坯料直徑為600 mm；樣管C 規格尺寸為Φ550 mm×105 mm ，由某乙鋼管廠采用某C 冶煉廠生產的連鑄圓坯制造，坯料直徑為785 mm。3 支樣管的主要制管工序為：連鑄圓坯→中心打通孔→軋制→熱處理→試驗→無損探傷→尺寸與表面檢驗→發貨。

1.2 取 樣

在樣管A、B、C 的壁厚1/2 處，分別取化學成分分析試樣。在樣管A、B、C 的壁厚1/4 附近，分別取橫向拉伸試樣（Φ12.5 mm 圓棒標準試樣）、沖擊試樣（10 mm×10 mm×55 mm 夏比V 型標準試樣）和高溫持久試樣（Φ10 mm 圓棒標準試樣）。在樣管A、B、C 的壁厚1/4、1/2、3/4 處，分別取縱向金相分析試樣。在樣管A、B、C 靠外壁、靠內壁處，分別取正向、反向彎曲試樣（截面尺寸12.5 mm×25 mm）等。

1.3 試驗方法

化學成分分析按GB/T 11170—2008《不銹鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法（常規法）》和ASTM E 1019—2018《采用不同燃燒和惰性氣體中熔融技術測定鋼、鐵、鎳和鈷合金中碳、硫、氮、氧試驗方法標準》進行；室溫拉伸試驗按ASTM E 8M—2022《金屬材料拉伸試驗方法》進行；高溫拉伸試驗按ASTM E 21—2020《金屬材料高溫拉伸試驗的標準試驗方法》進行；顯微組織檢測按GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》進行；晶粒度檢測按ASTM E 112—2013《測定平均晶粒度的標準試驗方法》進行；非金屬夾雜物評級按ASTM E 45—2018a《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準試驗方法》進行；室溫沖擊試驗按ASTM E 23—2018《金屬材料缺口試樣標準沖擊試驗方法》進行；高溫持久試驗按GB/T 2039—2012《金屬材料單軸拉伸蠕變試驗方法》進行，采用等溫法，試驗溫度625 ℃；彎曲試驗按ASTM E 290—2022《金屬材料的塑性彎曲測試標準試驗方法》進行，彎芯直徑25 mm，角度180°。

2 試驗結果與分析

2.1 化學成分

連鑄坯P92 鋼管的化學成分分析結果見表1。可見，3 支樣管的化學成分均滿足ASME SA 335/SA 335M—2021 和GB/T 5310—2017 標準要求，備受關注的S、P，以及五害元素含量均極低，表明連鑄工藝生產的P92 鋼的鋼質純凈。

表1 連鑄坯P92 鋼管的化學成分（質量分數）分析結果%

2.2 室溫和高溫拉伸試驗

連鑄坯P92 鋼管的室溫、高溫拉伸試驗結果如圖1 所示。鋼管的室溫拉伸性能滿足ASME SA 335/SA 335M—2021 和GB/T 5310—2017 要求；高溫拉伸性能滿足GB/T 5310—2017 要求（ASME 標準未規定該類材料的高溫拉伸性能），且裕量足夠。在500～650 ℃高溫段，樣管的屈服強度和抗拉強度均呈現明顯下降趨勢，其中屈服強度的下降速度緩于抗拉強度，這一現象與P91 鋼管相似[10]。對應預期服役溫度，樣管在600 ℃的屈服強度超過300 MPa，高于GB/T 5310—2017 標準中251 MPa 要求。同時，連鑄坯P92 鋼管的塑性良好。

圖1 連鑄坯P92 鋼管的室溫、高溫拉伸試驗結果

2.3 金相特征

連鑄坯P92 鋼管的金相特征檢測結果見表2。光學顯微鏡下，各樣管壁厚方向的不同位置的金相特征基本相似，非金屬夾雜物控制良好，組織為回火馬氏體，晶粒細于4 級，滿足GB/T 5310—2017標準要求。

表2 連鑄坯P92 鋼管的金相特征

樣管的金相組織如圖2 所示。所有試樣上都沒有觀察到高溫鐵素體（δ 鐵素體）。δ 鐵素體是一種不希望出現的組織，具有不可逆性，侵蝕后的微觀組織中具有平滑和細小特征。舍弗勒（Schaeffler）相圖是一種簡化的經驗性相圖，可預測鋼材焊接及鑄態的微觀組織。參照文獻［11］，按表1 實測化學成分計算3 支樣管的Cr 當量和Ni 當量，結果如圖3所示，可見3 支樣管均不含δ 鐵素體。

圖2 樣管A 的金相組織

圖3 3 支樣管實測成分在Schaeffler 相圖中的位置

δ 鐵素體的產生取決于兩個因素：一是奧氏體形成元素與鐵素體形成元素之間的平衡；二是高熔點、低擴散性的溶質元素（如W、Mo、V、Cr）在凝固時被排到液相中造成的微觀和宏觀偏析。一般來說，P92 鋼比P91 鋼更容易產生δ 鐵素體，特別對于厚壁鋼管（對應的原材料鋼錠的截面尺寸更大），產生的幾率會更高。樣管C 使用的連鑄圓坯直徑達到785 mm，也未發現δ 鐵素體，表明P92 鋼連鑄坯的化學成分設計合理，冶煉工藝成熟，凝固過程中成分均勻，偏析控制良好，抑制了δ 鐵素體形成傾向。

2.4 室溫沖擊試驗

連鑄坯P92 鋼管的室溫沖擊韌性見表3。總體上，連鑄坯P92 鋼管室溫沖擊韌性的裕度較大，但樣管C 略偏低，可能與樣管C 截面尺寸更大，軋制變形均勻性、熱處理均勻性控制難度增加等因素有關，有必要進一步改進。與文獻［1］中的國內外P92 鋼管統計值相比較，連鑄坯P92 鋼管的室溫沖擊韌性略優。

表3 連鑄坯P92 鋼管的室溫沖擊功J

2.5 彎曲試驗

樣管A、B、C 彎曲試驗后的試樣的受拉面未發現裂縫或裂口，滿足ASME SA 335/SA 335M—2021 和GB/T 5310—2017 標準要求。

南稍門站站位范圍主要控制管線有：友誼西路北側埋深為6.8 m的DN 2000 mm混凝土PS管，埋深為2.2 m的DN 800 mm混凝土PS管，以及兩根埋深為2.6 m、規格均為1 400 mm×1 800 mm的電力溝道和電信溝道。因此,車站主體結構需考慮避讓對其影響較大的控制管線。

2.6 高溫持久試驗

連鑄坯P92 鋼管625 ℃持久試驗數據及外推曲線如圖4 所示，3 支樣管共28 個有效試樣，累計超20 萬臺時，超過1 萬h 的數據6 個（包括已斷裂或仍在試驗中的試樣），最長試驗時間近3 萬h。圖5 所示為連鑄坯P92 鋼管已斷裂試樣的持久塑性。

圖4 連鑄坯P92 鋼管625 ℃持久試驗數據及外推曲線

圖5 連鑄坯P92 鋼管的持久塑性

連鑄坯P92 鋼管625 ℃持久強度σ的外推方程為：lgσ=2.410 23-0.088 26lg 。連鑄坯P92 鋼管625 ℃10 萬h外推持久強度為93.1 MPa，高于ASME Code Case 2179-8 要求值（84.8 MPa）和GB/T 5310—2017 推薦值（85 MPa）。

持久強度是高壓鍋爐管的關鍵核心性能，是確定許用應力的控制性因素，高的持久強度是電站長期可靠運行的設計基礎。采用持久試驗來評價材料，或者評判其是否符合技術規范，已是一個悠久傳統[12-14]。從圖4 還可以看到，連鑄坯P92 鋼管625 ℃持久試驗的斷裂應力/時間的線性趨勢良好，數據分散性小，試驗周期內未觀察到明顯轉折跡象[15-18]，表明P92 鋼優異的淬透性所導致的馬氏體板條及其亞結構組織的強化穩定性良好。從圖5可以看出，隨著試驗時間延長，材料塑性有所降低，但總體基本良好。

3 討 論

連鑄坯P92 鋼管與現有P92 鋼管之間的區別，僅在于前者使用連鑄圓坯直接制造鋼管，而后者使用鍛坯。因此在某種意義上，探討連鑄坯P92 鋼管的工程應用可行性即是分析連鑄坯替代鍛坯的合理性和優勢。

連鑄工藝是現代鋼鐵聯合企業的主要生產方式，也是衡量一個國家鋼鐵業水平的標志[19-20]。2006年之前，我國連鑄坯最大尺寸只有Φ390 mm[21]，不能生產P91、P92 大直徑厚壁管所需要的超大型連鑄圓坯。依托冶金技術的進步，目前我國生產的9%Cr 鋼連鑄圓坯的最大直徑達到了800 mm，具備批量供貨能力，這為采用連鑄坯替代鍛坯制造P92鋼管創造了條件。

傳統鍛坯可以簡單概括為模鑄+鍛造兩個過程。模鑄時，鋼水從鋼包澆注進凝固模（二者之間敞開），依靠冒口長時間保溫，讓夾雜物自然上浮，一般每爐單獨澆注。這種沒有外因協助的澆鑄工藝雖對鑄坯中心致密度有一定幫助，對純凈鋼水的效果卻很有限。而連鑄時，鋼水經由鋼包，到中間包、結晶器，各環節之間用鋁鋯質長水口銜接，接縫之間用氬封，是一個近似密閉的多爐依次連續澆注過程；其技術復雜、難度大，采用了保護澆注、澆注液面控制技術、大包下渣檢測技術、電磁攪拌技術、自動化專家判定技術等一系列先進技術[9]。文獻［21］對比分析了大型連鑄圓坯和模鑄鋼錠的實物質量水平，認為連鑄鋼在氣體元素、非金屬夾雜物含量控制等方面具有模鑄無法比擬的優勢。

美國ASME SA 335/SA 335M—2021 的配套標準ASME SA 999/SA 999M—2021《合金鋼和不銹鋼公稱管通用要求》和我國GB/T 5310—2017 標準均允許使用連鑄坯，要求鋼管的加工變形總延伸系數應不小于3。一般情況下，鍛坯P92 鋼管的累計總延伸系數（包括鋼錠鍛造和制管變形兩個部分）會明顯高于連鑄坯P92 鋼管，但后者更佳的鋼質純凈度，以及依靠電磁攪拌等技術所獲得的良好柱狀晶形態和擴大的中心等軸晶區可以彌補這一點。筆者還認為，憑借我國當前連鑄質量水平，滿足3 倍加工變形總延伸系數足以保證成品管質量，沒有必要追求更高的變形比[9]。樣管A、B 的加工變形總延伸系數略高于3，各項數據滿足相關標準要求也印證了這一判斷。

數據指導決策。連鑄坯P92 鋼管的各項性能滿足標準要求，高溫持久性能優良，證明了連鑄坯質量的可靠性和替代鍛坯的可行性。且由于連鑄工藝的連續澆注特點，其坯料的一致性好，極少發生諸如模鑄鋼錠的澆注冒口端切除不干凈等問題，有利于鋼管質量的穩定，新工藝的連鑄坯P92 鋼管具有良好的工程應用前景。

4 結 論

（1） 連鑄坯P92 鋼管的各項理化性能滿足ASME SA 335/SA 335M—2021 和GB/T 5310—2017標準要求。

（2） 連鑄坯P92 鋼管625 ℃10 萬h 外推持久強度為93.1 MPa，滿足美國ASME 規范（推薦值84.8 MPa）和我國標準（推薦值85 MPa）要求。

（3） 采用連鑄坯生產的P92 鋼管具備了工程應用條件。