陳 香
(江陰市長江鋼管有限公司，江蘇 江陰 214400)
ASME SA335P91鋼是改良型9Cr-1Mo高強(qiáng)度馬氏體耐熱合金鋼。該鋼是在9Cr-1Mo鋼的基礎(chǔ)上，通過降低C含量并添加V、Nb元素，控制N和Al含量，在晶界和晶內(nèi)形成大量形狀復(fù)雜的Nb、V(C,N)和碳氮化合物的析出強(qiáng)化相，該析出相具有高的抗氧化性和高溫持久蠕變斷裂強(qiáng)度。P91鋼在溫度低于620 ℃時(shí)的許用應(yīng)力要高于奧氏體不銹鋼，且可大大減輕管道重量，因此廣泛應(yīng)用于高溫蒸汽下的集箱和蒸汽管道[1-5]。P91鋼的CCT曲線如圖1所示，P91鋼的典型金相組織如圖2所示。由圖2可知，其金相組織為回火馬氏體。
圖1 P91鋼的CCT曲線Fig.1 CCT curve of P91 steel
圖2 P91鋼的典型金相組織100xFig.2 Typical microstructure of P91 steel
然而，國內(nèi)某無縫鋼管廠在生產(chǎn)大直徑薄壁P91鋼管時(shí)，多次出現(xiàn)晶粒度超標(biāo)，顯微組織中回火馬氏體和殘余奧氏體呈塊狀分布，不能滿足客戶要求。因此，本文對P91大直徑薄壁鋼管的生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，找出金相組織異常的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。
生產(chǎn)規(guī)格為φ559 mm×20 mm大直徑薄壁P91鋼管的過程中，發(fā)現(xiàn)顯微組織出現(xiàn)異常。在組織異常的無縫鋼管上先平頭向內(nèi)鋸切二分之一圓環(huán)，并用氣焊切割；
然后用鋸床切割成長方體金屬塊；
再按標(biāo)準(zhǔn)ASME SA-335要求進(jìn)行機(jī)加工，加工成標(biāo)準(zhǔn)常溫拉伸試樣，進(jìn)行常溫拉伸性能測試。在拉伸試驗(yàn)殘樣上截取金相試樣，磨制、拋光、硝酸酒精腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡觀察試樣顯微組織。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)和常溫沖擊試驗(yàn)，并觀察常溫沖擊殘樣的顯微組織。
2.1 化學(xué)成分和客戶技術(shù)要求
P91作為高鋼級耐熱鋼，其化學(xué)成分要求值和實(shí)測值見表1。客戶要求P91鋼管的性能參數(shù)同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)ASME SA335和標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017的要求，包括常溫拉伸性能、沖擊值、高溫拉伸性能和顯微組織，見表2。
表1 P91鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)
表2 P91鋼管的客戶技術(shù)要求
2.2 熱處理工藝
按標(biāo)準(zhǔn)ASME SA-335要求，大直徑薄壁P91鋼管需在正火+回火狀態(tài)下使用。因此，推薦的正火溫度為1040～1080 ℃，這是因?yàn)檎鸷蟠蟛糠痔蓟锶芙猓瑠W氏體晶粒沒有發(fā)生明顯的長大；
選擇回火溫度為750～780 ℃，回火后馬氏體組織中碳化物會均勻析出，從而提高材料的蠕變性能。當(dāng)P91無縫鋼管壁厚大于76 mm時(shí)，要適當(dāng)加大正火冷卻速度，一般將空冷改成噴水冷或浸入式水冷，以獲得馬氏體組織[2,6-7]。
本試驗(yàn)P91無縫鋼管壁厚僅為20 mm，因此正火冷卻方式采用空冷。熱處理工藝為：正火溫度1060±10 ℃，保溫1.5 h，空冷；
回火溫度770±10 ℃，保溫2.5 h，空冷。
2.3 組織異常原因分析和改善措施
大直徑薄壁P91鋼管的生產(chǎn)工藝流程為：投料→臺車爐加熱→穿孔→精軋→定徑→熱處理(正火+回火)→帶溫矯直→去應(yīng)力退火→機(jī)加工→探傷→噴標(biāo)→包裝。
對工藝路線進(jìn)行全程跟蹤，并在正火+回火處理后取樣，進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)。對常溫拉伸殘樣進(jìn)行顯微組織觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)晶粒異常，如圖3所示。從圖3中可以看出，黑色部分為回火馬氏體組織，大塊狀為回火索氏體和回火馬氏體的混合組織，在回火索氏體中還存在少量的殘余奧氏體。
圖3 P91鋼的組織異常 100×Fig.3 Abnormal microstructure of P91 steel
常溫拉伸試驗(yàn)的測試結(jié)果顯示，異常組織的P91鋼的抗拉強(qiáng)度為628 MPa，屈服強(qiáng)度為462 MPa，伸長率為24%。而同一規(guī)格、無異常組織的另一個(gè)批次P91鋼，在相同的生產(chǎn)工藝下，該試樣的抗拉強(qiáng)度為763 MPa，屈服強(qiáng)度為675 MPa，伸長率為22%。這說明組織異常會降低試樣的拉伸性能。
對組織異常試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖擊性能分別為238、218和216 J；
同時(shí)對沖擊殘樣進(jìn)行顯微組織觀察，發(fā)現(xiàn)殘樣組織也存在大塊狀回火索氏體和回火馬氏體的混合組織。
為查明組織異常的原因，對同一規(guī)格、相同熱處理工藝的不同批次P91鋼管，進(jìn)行生產(chǎn)工藝檢查，發(fā)現(xiàn)組織異常的P91鋼管管端外表面附著白色耐火棉，究其原因是生產(chǎn)現(xiàn)場為了減輕鋼管凹面而采取的有效措施。耐火棉在爐內(nèi)隨著鋼管一起加熱，出爐時(shí)粘附在鋼管表面，其本身有很好的隔熱作用。但在隨后的吊運(yùn)過程中，耐火棉并沒有脫落，并隨著鋼管在料架上冷卻，從而造成正火冷卻速度不足。為了驗(yàn)證此操作是否會造成局部金相組織異常，對現(xiàn)場管體的另一半圓弧進(jìn)行鋸切，進(jìn)行金相組織觀察，結(jié)果顯示其金相組織正常，為回火馬氏體。
將組織異常的拉伸殘樣和沖擊殘樣，同時(shí)放入箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，熱處理工藝見表3。經(jīng)1060 ℃×2 h正火處理后，試樣組織恢復(fù)正常，金相組織如圖4所示。
表3 調(diào)整熱處理工藝
圖4 1060 ℃×2 h正火處理后試樣的金相組織100×Fig.4 Microstructure of samples safter normalizing at 1060 ℃ for 2 h
1)大直徑薄壁P91無縫鋼管金相組織異常，是由熱處理工序操作不當(dāng)造成的。
2) 經(jīng)1060 ℃×2 h正火處理后，大直徑薄壁P91無縫鋼管的金相組織恢復(fù)正常。
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