1、厚壁 12Cr1MoVG 钢管的热处理工艺优化郭元蓉 ， 吴 红 ， 陈 雨 ， 邹友富 ， 曾勇刚 ， 张海东（ 攀钢集团成都钢铁有限责任公司 ， 四川 成都 610303 ）摘 要 ： 针对厚壁 12Cr1MoVG 钢管在生产中暴露出冲击韧性低的问题 ， 进行了优化热处理工艺的研究和生产实践 。 指出改善其冲击韧性的关 键是控制正火冷却速度 ， 提出了 “ 水冷 + 空冷 ” 正火热处理工艺 。 实践证明 ： 采用 “ 水冷 + 空冷 ” 热处理工艺后 ， 厚壁 12Cr1MoVG 钢管均能获得理想的金相组织和优良的综合性能 。关键词 ： 12Cr1MoV 钢 ； 高压锅炉管 ； 冲击韧性
2、 ； 热处理 ； 正火冷却速度 ； 金相组织中图分类号 ： TG162.84 %文献标识码 ： B %文章编号 ： 1001-2311（2008）05-0015-05Optimization of Heat Treatment Processfor 12Cr1MoVG Heavy Wall Steel TubeGuo Yuanrong， Wu Hong， Chen Yu， Zou Youfu， Zeng Yonggang， Zhang Haidong（ Pangang Group Chengdu I & S Co.， Ltd.， Chengdu 610303， China ）Abstract：
3、 Addressing the problem of low impact toughness as identified in the manufacture of the12Cr1MoVG heavy wall steel tube， the heat treatment process therefore is optimized and， then performed. It isidentified that the key measure to improve the tubes impact toughness is properly controlling the normal
4、izationcooling velocity， and accordingly the normalization heat treatment process of “water- cooling + air- cooling” isdesigned. Relevant operation practice of the said process has proved that desired metallographic structure andsatisfactory overall performance of the 12Cr1MoVG tube is obtained.Key
5、words： 12Cr1MoV steel； Hi- pressure boiler tube； Impact toughness； Heat treatment； Normalizationcooling velocity； Metallographic structure0 引 言12Cr1MoV 钢是电站锅炉制造 业用量最大的低合金耐热钢 。 该钢主要采用 Cr、 Mo 合金元素进行固溶强化 ， 并加入一定量的 V 元素与 C 元素结合形成 VC 等碳化物进行弥散强化 ， 其组织结构稳定且具有较高的持久强度 ； 主要用于制作高压锅炉壁温 580 的过热器管以及管温 570 的集箱管 、
6、蒸汽导管和主蒸汽管等 。 研究发现该钢对热处理工艺较为敏感 ， 尤其对奥氏体化后冷却速度的影响更为敏感 。 生产实践证明 ： 厚壁 12Cr1MoVG 钢管经 “正火 +回火 ”处理后 ， 经常出现冲击韧性值低 、冲击值不均甚至不合格的现象 ， 主要是受热处理冷却速度的影响所致 。 因此 ， 厚壁 12Cr1MoVG 钢管是否具有良好的组织 、 性能 ， 其技术关键是保证热处理工艺质量 。 攀钢集团成都钢铁有限责任公司（简称攀成钢公司 ）是国内生产高压锅炉管的主要生产企业之一 ， 于 2000 年前完成了厚壁 12Cr1MoVG钢管评定试验工作 。 经过近几年的生产实践 ， 总结出了一套针对不
7、同规格厚壁 12Cr1MoVG 钢管的优化热处理工艺制度 。 本文主要介绍厚壁 12Cr1MoVG钢管的优化热处理工艺研究及生产实践 。1 优化 12Cr1MoV 钢热处理工艺的研究1.1 标准热处理工艺在实际生产中存在的问题厚壁 12Cr1MoVG 钢管是攀成钢公司高压锅炉管的主要品种之一 ， 自 2000 年完成厚壁 12Cr1MoVG郭元蓉 （1963-）， 女 ， 工学硕士 ， 教授级高级工程师 ，攀钢集团公司专家 ， 钢管研究所轧管研究室主任 ， 主要从事无缝钢管新产品开发工作 。试 验 与 研 究 Oct 8， Vol 7， 5 钢 管 8 年 10 月 第 7 卷第 5 期15钢
8、 管评定后就已形成批量生产能力 。 目前可生产的规格最大外径 630 mm、 最大壁厚 60 mm， 今后可生产的规格将扩大到 630711 mm6080 mm，常规生产的热处理工艺按 GB 5310-1995高压锅炉用无缝钢管标准 执行 。 该标准规定 ： 为保证大中直径厚壁 12Cr1MoVG 钢管的组织 、 性能合格 ， 壁厚 3040 mm 的钢管 ， 正火冷却时应进行强制冷却 ； 壁厚大于 40 mm 的钢管 ， 需进行调质处理 。由于 12Cr1MoV 钢中含合金元素 V， 使热处理对组织结构及热强性的影响趋于复杂化 ， 而且热处理过程中各个环节也相互制约 ， 因此 ， 给其热处理
9、工艺的研究带来了一定的难度 。 在实际生产中发现 ： 厚壁 12Cr1MoVG 钢管的冲击韧性指标分散 ，稳定性较差 （尤其是 D/S 较小时 ）， 其性能随热处理工艺波动的问题更加突出 。 如 219 mm29 mm、508 mm20 mm、 194 mm30 mm 等规格钢管在正火后采用普通空冷 （或风冷 ）的工艺处理时 ， 其冲击指标高低不均 ， 1 组试样中冲击功值有的高达200 J ， 有的仅几焦耳 。 但是对于壁厚大于 40 mm的钢管 ， 若按标准要求采用调质工艺处理后 ， 其强度指标常常偏高 ， 甚至超过标准规定的上限 ， 且伸长率等塑性指标较低 ， 钢管的综合性能较差 。 因
10、此 ， 掌握正火后的冷却速度与钢的组织结构和性能变化间的关系 ， 有助于在实际热处理时将冷却速度控制在合理的范围内 ， 从而获得良好的综合性能 。这就要求对不同规格的钢管热处理工艺进行优化 。1.2 优化热处理工艺的研究针对生产中出现的厚壁 12Cr1MoVG 钢管冲击指标不均 ， 重点分析研究了 12Cr1MoV 钢的冷却转变特点及有关资料 。 结果表明 ： 12Cr1MoV 钢的奥氏体化温度和奥氏体化后的冷却速度对其组织结构均有较大的影响 ， 其中正火后的冷却速度对其影响最大 ， 也最为重要 。 特别是从发生转变开始到 Bf点的冷却速度较关键 ， 可以认为 ， 通过 750500时 ， 保
11、持大于 20 /min 的冷却速度能够得到具有良好蠕变强度性能的原始组织1。 事实上 ， 在实际生产中 ， 尤其是对厚壁管而言 ， 普通空气冷却很难达到这种冷却速度 ； 若采用完全入水淬火 ， 则强度指标会过高 ， 且不是最有效的解决办法 。另外 ， 在实验室进行正火后采取不同的冷却速度得到不同组织性能的试验 ， 结果表明 ： 厚壁12Cr1MoVG 钢管具有良好的综合性能的最佳组织是回火贝氏体 （30%40%）和铁素体 +珠光体 （60%70%）2。 因此 ， 控制好正火后的钢管冷却速度 ，是优化热处理工艺的关键 ， 也是获得良好的组织以及优良的综合性能的保证 。将理论分析与生产实际相结合
12、， 对不同规格的12Cr1MoVG 钢管制订了不同的正 火冷却方式的热处理生产工艺 ： 壁厚小于 20 mm 的钢管 ， 正火后一般采取空冷的热处理工艺 ； 壁厚大于 30 mm 的钢管 ， 采用 “水冷 +空冷 ”的优化热处理工艺 ； 壁厚2030 mm 的钢管 ， 根据外径 /壁厚 （D/S）的大小 ， 选择风冷或 “水冷 +空冷 ”的正火工艺 。“水冷 +空冷 ”是从生产实践中总结出来的新工艺 ， 同时也符合 12Cr1MoV 钢的冷却转变特点 。所谓 “水冷 +空冷 ”是指水冷时不能使钢管冷透发生马氏体转变 ， 而是使钢管经水冷到一定温度后出水再在空气中冷却 。 这样既可以满足钢管在
13、750500快速冷却的要求 ， 又可获得部分贝氏体组织 。 实际生产时 ， 为防止强度指标过高 ， 正火钢管出炉后并不直接入水 ， 需要等待一定时间才入水冷却 ， 等待和冷却的时间主要根据 12Cr1MoV 钢的冷却转变曲线和钢管的不同壁厚与外径来选择 ： 钢管管壁越厚 、 外径越大 ， 则入水前的等待时间越长 ， 水中冷却的时间也越长 。2 优化热处理工艺的生产实践2.1 力学性能和金相组织大量的生产实践证明 ： 某些规格的 12Cr1MoVG钢管按标准工艺热处理后 ， 性能不合格的改用优化的热处理新工艺即 “水冷 +空冷 ”进行处理 ， 热处理后的力学性能指标 、 金相组织均达到标准要求
14、， 完全满足高压锅炉管的使用要求 。2.1.1 力学性能指标对比某些规格的 12Cr1MoVG 钢管按标准热处理工艺和 “水冷 +空冷 ”优化热处理工艺进行处理后的力学性能结果对比见表 1。从表 1 可以看出 ， 采用 “水冷 +空冷 ”优化热处理工艺处理的钢管 ， 冲击韧性大幅度提高 ， 其他性能指标也完全达到标准要求 。2.1.2 金相组织比较（1） 对 219 mm29 mm、 508 mm20 mm钢管 ， 采用正火后空冷 +回火工艺处理 ， 冲击性能指标不合格 ， 其金相组织如图 1 和图 2 所示 。（2） 对 377 mm50 mm 钢管 ， 采用直接 “水冷 ”冷却方式正火处理
15、 ， 组织从内壁到外壁较为均试 验 与 研 究 Oct 8， Vol 7， 51621929成品规格/mm备注80冲击值不合格 ， 数值分散110标准热处理工艺 ： 990 正火 ， 空冷 ； 740 回火热处理生产工艺屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%冲击功/J470 605 25.0 10 123395 535 27.0 134 176“水冷 +空冷 ”工艺410 535 30.5 156 166 968455 580 23.5 136 33525 635 22.0 246 278 238“水冷 +空冷 ”工艺490 580 25.5 258 254 269420 540 25.0
16、 210 218 28445740标准热处理工艺 ： 1 000 正火 ， 风冷 ； 740 回火300 480 33.0 120 25 108冲击值分散且个别不合格300 480 29.5 80 106 130510 645 22.0 8 7 30510 630 23.0 7 16 46“水冷 +空冷 ”工艺460 595 25.0 225 228 218450 585 26.0 215 220 20137750标准热处理工艺 ： 970 水淬 ； 750 回火520 615 24.5 248 241 253强度偏高375 545 28.0 118 16 181405 530 24.0 34
17、 19 15“水冷 +空冷 ”工艺375 565 25.0 192 184 228340 580 24.0 251 248 26250820标准热处理工艺 ： 1 000 正火 ， 空冷 ； 740 回火465 605 26.0 172 12 10冲击值不合格 ， 数值分散470 605 26.0 38 196 102表 1 12Cr1MoVG 钢管采用标准热处理工艺和优化热处理工艺处理后的力学性能对比图 1 219 mm29 mm 钢管热处理后的组织（冲击功 10 J， 组织为 ： 铁素体 +珠光体 +少量的贝氏体 ）图 2 508 mm20 mm 钢管热处理后的组织（冲击功 12 J， 组
18、织为 ： 铁素体 +贝氏体 +少量的珠光体 ）100 m100 m匀 ， 均为回火索氏体组织 ， 如图 3 所示 。（3） 对 377 mm45 mm 钢管 ， 采用正火后 “水冷 + 空冷 ”优化热处理工艺 ， 组织从内壁到外壁较为均匀 ， 均为铁素体 +贝氏体 +珠光体组织 ， 如图 4所示 。2.2 热处理优化工艺的分析与讨论（1） 正火后采用 “水冷 ”的冷却方式处理 ， 得到的组织主要是回火索氏体 （图 3）。 索氏体组织的强度高 ， 但塑性指标较低 。 可见 ， 采用此工艺处理的钢管虽然冲击指标合格 ， 且冲击值较高 ， 但综合性能不佳 ， 表现为抗拉强度较高 ， 多数接近 GB
19、5310-1995 标准的上限值 ， 屈强比也较高 （0.830.85），而伸长率较低 （一般为 22%25%）。 显然 ， 对于长期服役于高温 、 高压状况下的厚壁 12Cr1MoVG 钢试 验 与 研 究郭元蓉等 ： 厚壁 12Cr1MoVG 钢管的热处理工艺优化 钢 管 8 年 10 月 第 7 卷第 5 期17图 4 377 mm45 mm 钢管热处理后的组织（组织为 ： 铁素体 +贝氏体 +珠光体 ）图 3 377 mm50 mm 钢管热处理后的组织（组织为 ： 回火索氏体 ）100 m100 m管 ， 采用此工艺处理的钢管组织 、 性能并不是最理想的 。（2） 冲击性能不合格的 1
20、2Cr1MoVG 钢管 ， 有两种较典型的组织 ： 一种是 “铁素体 +珠光体 +少量的贝氏体 （甚至没有贝氏体 ）”（图 1）， 该种组织常常出现在壁厚较厚 （或 D/S 值较小 ）按标准正火工艺处理后的钢管的组织中 ， 即正火冷却方式是空冷或风冷的情况 ， 这种组织状态的冲击韧性均较差 ； 另一种是 “铁素体 +贝氏体 +珠光体 ” （图 2）， 由于其组织中存在较多的粗大贝氏体团 ， 回火脆化加剧 ， 造成冲击值高低不均 ， 很分散3， 这种粗大贝氏体团的产生 ， 与轧管终轧温度过高而致使钢管产生粗大晶粒组织有很大的关系 ， 而晶粒粗大的组织在随后的热处理过程中 ， 出现粗大贝氏体团混晶
21、组织的几率很高 ， 尤其在正火后冷速较慢的情况下更容易产生 ， 这也与在 Accu Roll 轧管机组上发现 “一火成材 ”轧制的 168 mm14 mm、 219 mm16 mm等钢管经热处理后出现粗大贝氏体团的实际生产条件相吻合 。对冲击性能不合格的这两种典型组织 ， 在实验室采取同样正火温度 、 同样空冷方式处理后 ， 其粗大贝氏体团组织会有明显改善 ， 这是因为小试样的冷却速度比整根钢管的实际冷却快得多 ， 所以冲击指标也大大提高 （图 5， 6）。 这类组织的钢管在实际生产中采用正火后 “水冷 +空冷 ”的优化工艺处理 ，均能获得较理想的金相组织和性能指标 （表 1）。（3） 在大生
22、产中采用正火后 “水冷 +空冷 ”热处理工艺 ， 主要是为了使钢管在 750500 获得较快的冷却速度 ， 以得到具有良好综合性能的原始组织 。 在该温度范围内提高正火冷却速度 ， 可使钢管金相组织中的铁素体晶粒度与粒状贝氏体团的尺寸明显变细小 ， 粒状贝氏体中岛状物的亚结构亦明显细化 。 因此 ， 在一定的温度范围内采用提高正火冷却速度的生产工艺后 ， 钢管的冲击性能明显提高 ，在管壁各处的组织也较为均匀 ， 而钢管的其他常温力学性能也较为理想 。 这种热处理工艺处理后的钢管金相组织一般为 ： 铁素体 +粒状贝氏体 +珠光体（图 4， 6）， 对于长期服役于高温 、 高压条件下的12Cr1M
23、oVG 钢管来说 ， 这是较为理想的一种金相组织 。图 5 实际生产钢管试样 （219 mm16 mm）的组织（冲击功 18 J， 组织为 ： 铁素体 +粗贝氏体 +少量的珠光体 ）图 6 实验室热处理钢管试样 （219 mm16 mm）（冲击功 280 J， 组织为 ： 铁素体 +贝氏体 +珠光体 ）100 m100 m试 验 与 研 究 Oct 8， Vol 7， 518信 息3 结 论（1） 厚壁 12Cr1MoVG 钢管获得良好综合性能的关键是将正火冷却速度控制在合适的范围内 ， 以获得具有 “铁素体 +粒状贝氏体 +珠光体 ”的良好的金相组织 。（2） 实践证明 ：攀成钢公司针对厚壁
24、 12Cr1MoVG钢管制定的 “水冷 +空冷 ”优化热处理工艺处理的钢管 ， 均能得到优良的力学性能和理想的金相组织 。4 参考文献1 刘荣藻 . 低合金热强钢的强化机理 M. 北京 ： 冶金工业出版社 ， 1981.2 周 波 ， 崔润炯 ， 郭元蓉 ， 等 . 12Cr1MoV 钢大直径厚壁锅炉钢管的热处理工艺优化 J. 钢管 ， 2001， 30（1）：34-8.3 孙树文 ， 雷廷权 ， 唐之秀 ， 等 . 12Cr1MoV 大直径高压锅炉钢管冲击韧性的质量控制 J. 钢铁 ， 1997， 32（12）：41-45.（修定日期 ： 2008-03-06）宝山钢铁股份有限公司 UOE
25、大直径直缝埋弧焊管生产线正式投产2008 年 9 月 19 日 ， 宝山钢铁股份有限公司 （简称宝钢 ）UOE 大直径直缝埋弧焊管生产线正式投产 。UOE 大直径直缝埋弧焊管生产线是宝钢 “十一五 ”规划重大项目 ， 也是目前世界上装备最先进的大直径直缝埋弧焊管生产线之一 。 该生产线于 2006 年 2 月 9 日开工建设 ， 主要由成型线 、 焊接线 、 精整线等组成 ， 设计年产能为 50 万 t， 其中管线管 40 万 t、 结构管等 10 万 t， 产品设计最大钢级为 X100。目前 ， 该生产线月产已提升到 2 万 t， 并通过了中国石油天然气集团公司相关部门的新产品鉴定 ， 标志
26、着宝钢大直径直缝焊管生产线进入大批量生产及供货阶段 。该生产线的建成投产不仅填补 了我国高档次大直径油气输送管的生产空白 ， 带动我国大直径直缝埋弧焊管生产技术的进步 ， 还将有力地推动我国西气东输二 线工程及其他重点工程的建设 ， 对我国能源战略的实施 ， 促进国民经济发展都具有重要而深远的意义 。（宝山钢铁股份有限公司 左宏志 ）俄罗斯钢管冶金公司首次向中国公司转让石油套管生产技术俄罗斯钢管冶金公司于 2008 年 9 月上旬同中国 Beijing Huayou Xingye Materials Co. 公司签署了转让该公司独自开发的 TMK-FMC 型高气密性连接螺纹石油套管生产技术合同
27、 。 这种具有近似扁平状新型连接螺纹的 TMK-FMC 型石油套管首先是在俄罗斯钢管冶金公司塔干罗格钢厂生产 168 mm 石油套管时研发成功的 。 TMK-FMC 型高气密性石油套管得到俄罗斯国内石油天然气开采企业的高度评价 ， 替代了原来俄罗斯需要从国外进口的同类产品 ， 并为俄罗斯钢管冶金公司带来了良好的经济效益 。 此次俄罗斯钢管冶金公司向中国 Beijing Huayou Xingye Materials Co. 公司转让 TMK-FMC 型高气密性石油套管生产技术 ， 不仅是俄罗斯钢管冶 金公司首次向国外企业转让高气密性石油套管生产技术 ， 也是俄罗斯钢管冶金公司尝试向国际石油套管
28、市场推出自己所拥有的专有高新技术的第一步 。 据悉 ， 该生产技术转让合同规定将允许 Beijing HuayouXingye Materials Co. 公司在中国和独联体国家生产销售 TMK-FMC 型高气密性石油套管 。 据分析 ， 获此技术后 BeijingHuayou Xingye Materials Co. 公司可能将拥有年产 2 万 t TMK-FMC 型高气密性连接螺纹石油套管的生产能力 。俄罗斯 2008 年 17 月油井用管生产情况2008 年 17 月 ， 俄罗斯生产石油套管 54.28 万 t， 与上年同期产量相比下降了 7.7%； 生产石油油管 24.94 万 t， 与上年同期产量相比增长了 4.5%； 生产钻杆 2.78 万 t， 与上年同期产量相比增长了 13.1%。（攀钢集团成都钢铁有限责任公司 杜厚益 ）试 验 与 研 究郭元蓉等 ： 厚壁 12Cr1MoVG 钢管的热处理工艺优化 钢 管 8 年 10 月 第 7 卷第 5 期19
