1、全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 金属焊接583660MW 超临界机组主蒸汽管道首次选用国产 P91 钢管的实践与论证曹立春 张丹阳（山东黄岛发电厂 山东 青岛 266500） 【摘 要】本文通过对山东黄岛发电厂 6 号 660MW 超临界机组的主蒸汽管道所用的国产 P91 钢管的化学成分、金相组织、力学性能、无损检测等方面的实践论证，证明国产 P91 管道的各项实验数据均符合美国 ASME 标准中的规定要求，国产 P91 管道能够满足 660MW 超临界机组主蒸汽管道（蒸汽参数 25.4MPa，571）安全运行的要求。【关键词】国产 P91 钢 化学成分 金相分析 硬度
2、 力学性能 壁厚 无损检测 1 前言P91 钢是由美国燃烧工程和橡树岭国家实验室于 20 世纪 70 年代后期在 9Cr-1Mo 钢的基础上开发研制的一种新型铁素体耐热钢，1984 年纳入 ASME A335 标准。P91 钢具有良好的工艺性能、力学性能、低的热膨胀系数和高的热传导率。目前，国内的 300MW、600MW 级亚临界机组和超临界机组的主蒸汽管道均采用进口的 P91 钢管。随着我国电力工业近几年来快速发展，国外 P91 钢管的产量远不能满足我国新建发电机组的需求，如我厂（山东黄岛发电厂）6 号 660MW 超临界机组在 2006年底主设备已经安装到位的情况下，主蒸汽管不能按时提供，
3、若采用进口管道，需要等待一年至一年半的时间才能到货。为此，我们联系山东电研院并一起到国内大型钢厂和钢管厂进行考察、论证，最终决定采用国产 P91 钢管。2 P9 钢管的制造工艺及质量监督在 2006 年底，对于厚壁大口径 P91 钢管的生产，国内的一些大型钢管厂已经基本上掌握了其制造工艺，但钢坯的质量难以保证。为此，我们根据当时的实际情况，选择了三家企业联合制作，首先由国内著名钢铁公司炼钢，并锻造成棒材，然后由另一企业把段钢棒的中心部位掏空，最后，由国内著名钢管厂进行热处理和精加工（内镗外车） 。为确保钢管的质量，我们对钢管生产的全过程进行了技术监督。如：对与钢坯的化学成分，除了对杂质、有害元
4、素提出了要求外，还对 O、H的含量进行了限定，对非金属夹杂物 A、B、C、D 四类要求均不得高于 1.5 级。为保证钢坯的锻造比大于 6，由原来一墩一拔的锻造工艺，改为两墩两拔；在钢管热处理后，要求对每一根钢管都进行取样，做常温、高温力学性能试验和金相、硬度检验，合格后方能进行下一工序。钢管热处理前进行了两次超声波检验，成品后由厂家进行涡流、超声波探伤和测厚检查，合格后，委托山东电研院做全面检验验收。表 1 是山东黄岛发电厂 6 号机组主蒸汽管道所用国产 P91 钢管的明细表。3 P91 钢管的化学成分全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 金属焊接584目前，国内某些先进钢厂
5、的的冶炼水平，能够保证国产 P91 钢管的化学成分达到进口钢管的标准。表 2 是 ASTM A335 P91 的化学成分。对于山东黄岛发电厂 6 号机组主蒸汽管道的化学成分，首先由钢铁厂提供每炉钢的冶炼成分及冷态 H、O 的含量，钢管厂对每根钢管逐一进行化学元素分析，最后委托电研院逐根进行复验。表 3 是 6 号机组主蒸汽管道部分钢管的化学成分。经对 20 种化学元素的检验结果表明，41 根钢管的化学成分均能满足表 2 中 12 种元素含量的要求，并且五有害元素 Pb、Sb、Bi、As、Sn 的含量分别控制在 200PPM 以下，H、O 的含量控制在H3PPM，O40PPM。对于含 C 量，A
6、SME 标准规定允许有-0.1%和+0.2%的偏差，我厂 41 根管道的含 C 量均符合 ASME 标准要求。表 2 ASTM A335 P91 钢的化学成分要求（%）C Mn Si Cr Mo V Ni AI Nb N P S0.08-0.120.3-0.600.2-0.508.0-9.500.85-1.050.18-0.250.4 0.040.06-0.100.03-0.070.020.01表 3 山东黄岛发电厂 6 号机组主蒸汽管道部分 P91 钢管的化学成分实测值试样钢管号 规格 化学元素含量（%）C0.09Mn0.41Si0.30Cr8.44Mo0.91V0.20Ni0.11AI0.
7、017Nb0.078Cu0.113-754-0934ID43882N0.040P0.010S0.009Pb0.011Sb0.002Bi0.003As0.01Sn0.015O0.003H0.0001C0.013Mn0.47Si0.43Cr8.30Mo0.96V0.22Ni0.33AI0.016Nb0.087Cu0.1411-656-1418ID31159N0.041P0.015S0.007Pb0.009Sb0.001Bi0.001As0.01Sn0.016O0.002H0.0001C0.011Mn0.50Si0.28Cr8.41Mo0.90V0.20Ni0.30AI0.018Nb0.085Cu0
8、.121-654-0497ID27353N0.047P0.015S0.008Pb0.011Sb0.002Bi0.001As0.016Sn0.015O0.003H0.0002对于 A、B、C、D 四类非金属夹杂物，钢管厂也逐根进行复验，复验的结果与钢厂提供数据基本一直，四类非金属夹杂物粗、细系分别1.5 级，总量4.5 级。新的国标 GB5310 中规定A、B、C、D 四类非金属夹杂物物粗、细系分别不得超过 2.5 级，总量不得超过 6.5 级。显然，该批钢管优于国标规定的级别。4 P91 钢管的金相组织P91 钢典型的组织是回火马氏体，正常的热处理工艺是在 1040-1060正火+760回火。
9、对于壁厚大于 3 英寸的钢管，ASME 标准推荐采用喷雾或淬火+760回火，实际上，经某钢管厂的实全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 金属焊接585践证明，对于壁厚 100mm 左右的钢管也可以通过风冷的方式获得组织均匀的马氏体组织，喷雾冷却若掌握不当，会造成钢管表面裂纹和混晶。我厂 41 根钢管的热处理工艺是 1050正火（风冷、喷雾）+760回火，其金相组织均为回火马氏体组织。钢管厂在对每一炉钢管热处理后，都逐根切片做金相组织分析，合格标准为：回火马氏体组织，且晶粒度6 级，级差3 级。并经我们现场技术人员验看后方可进行下一道工序。钢管成品后，委托电研院逐根取样进行金相
10、分析。分析结果：41 根钢管均为回火马氏体组织。表 4 是其中四根钢管的金相组织分析结果。图 1-图 4 是对应四根钢管的金相图谱。表 4 山东黄岛发电厂 6 号机组主蒸汽管道部分钢管金相分析结果图谱编号 试样钢管编号 钢管规格 金相组织 晶粒度 级差 放大倍数图 1 1-754-0295 ID43882 回火马氏体 6-7 2 500图 2 13-656-1418 ID31159 回火马氏体 6 3 200图 3 1-754-0280 ID43882 回火马氏体 6-7 3 500图 4 754-0504-18 ID31159 回火马氏体 6 3 500图 1 图 2图 3 图 4全国火电
11、600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 金属焊接5865 P91 钢管的硬度P91 钢管的硬度，ASME 标准规定250HB，对下限没有要求，是 ASME 标准的缺陷之一。经大量的实践和专家论证，对于厚壁大口径 P91 钢管的硬度下限应为 180HB 左右，理想的 P91 钢管的硬度范围是：190HB-230HB。经实践表明：当钢管硬度160HB,金相组织会出现异常；当硬度140HB，会出现大块的铁素体组织。某些进口管道和国内早期 P91 钢管出现硬度偏低的原因，分析是由于热处理的回火温度过高，超过 Ac1 线，使部分马氏体转变成铁素体和奥氏体，在回火冷却时铁素体保留下来、奥氏体则转变为
12、板条马氏体，其金相组织为回火马氏体+块状铁素体。因此，硬度是反映金属微观组织和力学性能的综合指标。我厂 41 根钢管的硬度，首先由钢管厂在每一炉钢管热处理后，逐根取样做硬度检验，合格标准为：截面中心部位硬度180HB、250HB。钢管成品后，委托电研院逐根进行硬度检查，每根至少检测三个截面，每个截面均分检测四个点。41 根钢管的硬度实测范围在 181HB-228HB 之间。表 5 是电研院硬度检测的部分数据。表 5 部分 P91 钢管的硬度检查数据试样管号 截面 1 硬度（HB) 截面 2 硬度（HB) 截面 3 硬度（HB) 平均1-754-0534 200 199 203 196 210
13、203 205 200 201 198 196 198 2012-754-0280 209 210 214 213 216 218 208 216 217 196 200 211 2103-656-1415 195 198 195 196 201 195 197 193 224 223 222 228 2056 P91 钢管的力学性能6.1 P91 钢管的常温力学性能新的 GB5310 根据美国 ASME 标准对 P91 钢管的常温力学性能做了如下规定，详见表 6。目前，国内某些的钢管厂生产的 P91 钢管，只要钢坯的质量能够保证，热处理工艺得当，均能满足表 6 中的各项指标。 我厂 41 根
14、钢管由钢管厂在热处理后逐根取样进行拉伸、冲击、弯曲等力学性能试验。要求试验结果必须符合标准要求，否则，需重新热处理。在生产过程中，共发现有两根钢管的冷弯不合格，均重新进行了热处理。表 7 列出了三根钢管的常温力学性能试验数据。电研院对部分钢管取样进行了常温力学性能试验，试验结果均符合要求。表 6 P91 钢管的常温力学性能断后伸长率 % 冲击吸收能 KV2.J抗拉强度 Rm（MPa） 屈服强度 Re（MPa）纵向 横向 纵向 横向硬度 HB585 415 20 16 40 27 250表 7 部分 P91 钢管的常温力学性能数据冲击吸收能 KV 2.J试样钢管号 试样方向 RmMPaRp0.2
15、MPa纵向延伸 %横向延伸 % 1 2 3冷弯d=2a =180硬度HB2-754-280 横向 695 555 63 23.5 112 94 104 内弯、外弯合格 2173-754-0295 横向 665 520 68 25.5 156 129 147 内弯、外弯合格 21212-656-1418 横向 665 500 62 24.0 138 134 152 内弯、外弯合格 207全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 金属焊接5876.2 P91 钢管的高温力学性能对于厚壁大口径 P91 钢管高温短时力学性能试验，近几年来，钢管厂和电科院进行了许多，还未发现有低于 ASM
16、E 标准的要求的，对于高温持久强度 2006 年国内开始重视，一些单位正在进行着这项工作。而对于国外已成熟的钢种，是否一定要在国内进行 10 万小时的实验后，才能生产应用，是值得讨论的问题。如：美国橡树岭某 800MW 超临界机组的主蒸汽管道是从无锡某钢管厂采购的P22 钢管。对于 P22 钢管国产化，大家是认可的，但没有听说谁进行了 10 万小时的持久强度试验。对 P91 钢管， 表 8 P91 钢管高温强度数据标准依据 ASME2004 曼内斯曼钢管公司温度（） 525 525 571抗拉强度 Rm.MPa 410 355 298.50.2%屈服点 Rp 0.2.MPa 288 279 2
17、49ASME2004 和德国曼内斯曼钢管公司（1993 年）均规定了不同温度下的强度数据（部分数据见表 8） ，ASME2004 给出的温度最高到 525。为此，钢管厂对我厂 41 根钢管逐根进行 525下的短时拉伸实验（部分数据见表 9） ， 试验结果均符合表 8 中的要求。571是管道运行的额定工作温度，因此，钢管厂每炉取一根进行实验。电研院也在 571下进行了拉伸实验，得到 571的最小抗拉强度 Rm=335MPa，0.2%屈服点强度 Rp0.2=300MPa。按照 GB9222-88 水管锅炉受压元件强度计算标准，钢管基本许用应力为 335/2.7=124MPa（若以 0.2%屈服点强
18、度除以 1.5 得到的许用应力数值更大） 。依据 ASME 标准（1998 版）第卷，查得 P91 钢在 571的许用应力为 85.44MPa，小于124MPa。用这两个许用应力，分别按国标 GB9222-88 中的计算公式，计算出每种规格管道的理论最小壁厚（见表 10） ，从表 10 中看以看出，对于主汽母管，用实际工作温度下拉伸试验获得的钢管许用应力而计算出的理论壁厚，比查表得到的许用应力而计算出的理论壁厚小 22mm，而管道的壁厚是按照后者设计生产的，显然，钢管运行的安全系数较大。表 9 部分 P91 管道高温力学性能试验数据试样管号 试验温度 试样方向 Rm.MPa Rp0.2.MPa
19、 A % Z %1-754-0534 525 横向 420 365 19.5 77571 横向 360 330 23 88.51-654-0497 525 横向 430 360 21.5 67571 横向 365 325 27.5 83.5表 10 管道理论计算最小壁厚及管道壁厚实测范围序号 管道名称 管道规格（内径壁厚） 计算使用参数(/MPa) 试验计算壁=124 MPa理论计算壁=85.44MPa管道制作最小壁厚 管道实测壁厚范围1 主蒸汽母管 ID43882 571/25.4 55.9 77.9 82+2 84.088.12 主蒸汽支管 ID31159 571/25.4 39.9 55
20、.5 59+2 61.464.13 高压旁路 ID27353 571/25.4 35.2 49.0 53+2 56.058.5全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 金属焊接588电研院除了对该批钢管进行大量的高温短时拉伸外，还在不同温度、不同应力下进行了大量的持久强度试验，试验数据均符合 ASME 标准要求。与国外钢管公司的试验数据相比较，高温短时拉伸强度略低，而持久强度相差无几。截至 09 年 1 月 31 日，部分试验数据：650、80MPa 管材试样已进行了 9070 小时；573、180MPa 管材试样已进行了 8974 小时；571、160MPa 焊缝试样已进行了
21、9200 小时。7 钢管的无损检测近两年来，河南、甘肃两 300MW 发电机组的主蒸汽 P91 管道发生裂纹事故，究其原因是管道存在原始缺陷造成的，与管道使用何种材质无关。因此，对管道使用前的无损探伤极其重要。我厂41 根钢管在投运前进行了 4 次超声波探伤。在钢管的锻造成棒材后进行了第一次超声波扫查，棒材剥皮后进行了第二次超声波探伤，钢管成品后，钢管厂进行了第三次自动超声波探伤，最后，由电研院对钢管的每一截面进行了四个方向的超声波扫查。另外，钢管厂还对钢管进行 100%涡流探伤和磁粉抽查。在 6 号机组运行一年后，2008 年 11 月停机大修中，再次委托电研院对整条管道及其焊缝进行了磁记忆
22、、超声波和磁粉探伤，并对管道的金相组织、硬度进行普查，并对监视段进行蠕胀测量。以上检验，均未发现异常。对管道壁厚的检测是必需的，因为不管多好的材质，必须有厚度保证。我厂 41 根钢管因采用内镗外车的制作工艺，壁厚比较均匀。但考虑到锻造管的强度会略低于挤压管，因此，对每种规格管道的最小制作壁厚各增加了 2 毫米（见表 10） 。对于该批管道壁厚的检测，在管道出厂前，委托电研院逐根进行 6-8 个截面，每个截面均分四点测厚，所有管道实测厚度的范围见表 10。在机组大修中，对每根钢管至少进行 3 个截面，每个截面均分四点的测厚检查，测厚结果均符合要求。8 结论通过对该批国产 P91 钢管逐根进行化学
23、元素分析、非金属夹杂物检测、金相组织、晶粒度、硬度检验、常温、高温力学性能试验、无损探伤和厚度检测，可以保证：山东黄岛发电厂 6 号 660MW超临界机组主蒸汽管道所用的国产 P91 钢管，能够在机组正常参数下安全运行。从而进一步证明，660MW 超临界机组的厚壁大口径 P91 钢管可以在国内生产。但必需要对钢管生产的每一环节进行严格的质量把关。参考文献：1 超（超）临界机组用钢及焊接技术协作网第一届年会 论文集 2005.03.苏州2 超（超）临界机组用钢及焊接技术协作网第二届年会 论文集 2007.11.西安3 无缝钢管质量证明书 2007 年 武汉重工铸锻有限责任公司 4 产品质量证明书 2007 年 宝山钢铁股份有限公司 5 黄岛电厂#6 机组主蒸汽管道检验报告 2007 年 7 月 山东电力工业锅炉压力容器检验中心全国火电 600MW 机组技术协作会第十三届年会论文集 金属焊接589作者简介：曹立春工程师 工作单位：山东黄岛发电厂,技术部金属专工地址:青岛市黄岛区崇明岛东路 76 号 邮编：266500
