超（超）临界锅炉用钢F91和F92锻件国产化研究及应用

LIU1018

超（超）临界锅炉用钢F91和F92锻件国产化研究及应用

王炯祥;傅育文;卢征然;惠晓涛   

    前言
    20世纪70年代，美国橡树岭国家实验室（ORNL）在美国燃烧工程公司（CE）的协助下，研究开发了可用于液体金属快速增殖堆的9Cr1Mo钢（即P91钢）。该钢是在T9钢的基础上添加V、Nb、N等合金元素的改进型钢种。其后，日本的新日铁公司在P91的基础上进一步研制、开发了强度等级更高的NF616（P92）耐热钢。与P91钢相比，P92钢在化学成份上适当降低了钼元素的含量（0.5%Mo），同时加入了一定量的钨（1.7%W），以将材料的钼当量（Mo+0.5W）从P91钢的1%提高到约1.5%。该钢还加入了微量的硼。经上述合金化改良后，与其它铬-钼耐热钢相比，P92钢的耐高温腐蚀和氧化性能与9%Cr钢相似，但材料的高温强度和蠕变性能得到了进一步提高。
    F91和F92钢是91、92级钢中合金锻件系列，可用于超（超）临界压力锅炉中的末级过热器集箱和再热器集箱的球形封头、检查孔管接头等。F91和F92钢的合金元素含量较多，在焊接接头中淬硬倾向大，容易产生马氏体组织，在氢和应力的综合作用下会产生冷裂纹。进口F91和F92钢在生产制造中已得到了广泛应用，而国产F91和F92钢的性能是否能满足产品制造和使用的要求，是需要重点研究的内容。本文主要介绍国产F91和F92钢的研究和生产应用。
    国产F92钢的冷裂敏感性
    采用国产的F92钢板，进行插销冷裂纹试验、斜Y型坡口焊接裂纹等试验，通过不同的预热温度来评定钢材的冷裂敏感性，并可以初步确定最低预热温度及最小临界应力。
    1 插销冷裂纹试验
    插销试验的试件形状、尺寸及试样制备、试样加工、试验条件和试验过程均按GB9446《焊接用插销冷裂纹试验方法》中的规定进行。国产SA-182F92钢的插销试验分别在：不预热；预热100℃；预热150℃；预热200℃；预热250℃等五种条件下进行。
    试验结果（图1）表明:插销试验开裂的临界应力随试板预热温度的升高而提高,预热100℃时, 开裂的临界应力由不预热的360.2MPa 提高到498 MPa ,已达到母材实际屈服强度的92% 左右。预热150℃时, 材料的临界断裂应力大幅提高到622.764MPa ,已达到母材实际屈服强度541MPa 。按照焊接冷裂纹敏感性的定义：如果一定条件下，材料临界断裂应力低于该材料的屈服强度，则说明该材料在此焊接工艺条件下对冷裂纹敏感。由此可见在插销试验中，预热150℃以上，国产F92钢对焊接冷裂纹已经不再敏感, 材料的临界断裂应力远超于材料的屈服强度，而与母材的断裂强度相当，即焊前预热到150℃以上，可以有效防止焊接冷裂纹的产生。预热250 ℃时，尽管将拉伸应力提高到638MPa，大大超过材料屈服强度,经24 h 加载后，试棒仅发生屈服变形，未发生开裂。
    根据不同预热温度下，插销试棒断口典型形貌图分析，从SEM图可知，插销试棒断口形貌随预热温度的升高而有显著变化。不预热时，断口主要呈现出沿晶断裂特征，并伴随有显著的二次微裂纹；预热100 ℃时,其断口形貌变为以解理+ 准解理断口为主；预热150 ℃时,其断口形貌转变为准解理+ 少量韧窝；预热200 ℃时,其断口形貌变为以韧窝断口为主+部分准解理。
    对多幅扫描电镜图对比分析表明，随着预热温度的升高，断口出现二次裂纹的数量逐渐减少，程度明显减轻。可见预热可以有效降低SA182-F92钢的脆性。韧窝断口的出现及韧窝比例增多表明，预热温度的上升对于改善热影响区的塑韧性具有显著作用。
    2 斜Y型坡口焊接裂纹试验
    为了保证工程应用中有效的抑制冷裂纹的产生和产品的安全可靠性，通过进行不同预热条件下的斜Y型坡口焊接裂纹试验，评定国产F92钢对冷裂纹的敏感性，并得出适合于此种钢材的预热温度。斜Y型坡口焊接裂纹试验的试件形状尺寸及试验条件按GB4675.1《焊接性试验斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》中的规定进行。
    斜Y型坡口裂纹试验条件及结果见表1。从目前已有的斜Y 型坡口焊接裂纹试验结果来看，SA-182F92 钢的预热温度大于175 ℃时就可以有效地防止焊接裂纹的产生。根据此前的试验，法国V&M公司提供的SA-335 P92钢的钢的预热温度在大于150 ℃时就可以有效地防止焊接裂纹的产生。由此可见，国产F92相比进口P92，对冷裂纹更为敏感。
   
                               表1  斜Y型坡口焊接裂纹试验条件及结果
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    试样号    预热温度,℃    环境温度/相   根部间隙,mm         解剖结果           裂纹率/%
                             对湿度 ,℃/%               解剖片数    裂纹片数    表面   断面
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     XY1         175            10/77         2.17         5           0         0       0
     XY3         201            12/88         1.95         5           0         0       0
     XY4         146            15/65         2.11         5           3         0      10
     XY5         160            21/70         2.09         5           3        60    62.5
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    通过插销试验及斜Y坡口裂纹试验结果表明，国产F92钢具有较强的冷裂敏感性。提高该钢的焊前预热温度，冷裂敏感性下降，试样开裂的临界应力提高。插销试验显示，预热150℃时, 材料的临界断裂应力已达到母材实际屈服强度；斜Y型坡口裂纹试验则表明，对该钢预热175～200℃，即可有效地防止焊接冷裂纹的产生。因此，综合插销试验和斜Y型坡口裂纹试验的结果，可以认为，对国产F92钢，当预热超过175℃时，国产F92钢对焊接冷裂纹已经不再敏感，可以较好地防止焊接冷裂纹的产生。
    考虑到生产实践中，实际焊接条件与试验焊接条件有所差别，以及生产制造中，预热的不均匀性等情况，在制订生产应用的焊接工艺时，国产F92钢的焊前预热温度作了适当调整，增加了一定的裕量，要求将预热温度控制在200℃以上。
    国产F91锻件的试制和应用
    根据外高桥II期启动分离器的结构形式，在外高桥III期1000MW超超临界锅炉项目中，针对分离器球形缩颈段进行了试制试验。试制采用国产SA-336F91锻件。试制采用缩颈模锻造工艺。锻造后，检验该工艺成形后的外形尺寸及各部位壁厚是否满足设计图纸要求，图2为球形缩颈设计图，图3为试制产品实物照片。
    通过试验结果及分析表明：缩颈直段部分壁厚未能达到图纸要求，缩颈外球形未达到平滑过渡且表面出现不同程度的凹坑。锻造过程中，金属流向在局部外力作用下类似于拔长的方向，因此造成缩颈后直段壁厚减薄，这一点与液压机静压工艺有区别。锻造过程中多次加热，内外壁氧化严重，造成坯料壁厚一定程度上出现减薄。锻造工艺因坯料局部受力，所以外R成形困难，实际结果基本上为斜面，成形不好。
    可以看出，采用此工艺制造球形缩颈，坯料壁厚须增加约10mm左右。锻造缩颈后需增加整形工序。另外，对缩颈部分内外壁乃至未缩颈直段内壁进行整体机加工，以达到图纸要求尺寸。改用液压机模具压制、整形，至少需要4套压模。
    根据球形缩颈试制试验，采用调整后的工艺进行产品的锻造。结果表明，用国产SA-336P91锻件材料经模锻制造后所得球形缩颈的尺寸完全满足设计图纸的要求。通过国产F91锻件锻造缩颈的试制和产品的生产应用，国产F91合金锻件具有良好的加工和焊接性能。在超临界和超超临界锅炉项目中，P91集箱、管道以及启动分离器的球形封头、端盖及检查孔管接头等零部件均采用国产的F91锻件，取得了良好的效果。
    国产F92锻件的生产应用
    外高桥III期1000MW超超临界锅炉中过热器、再热器集箱过渡段管接头中大量使用了SA-182F92锻件材料，该材料直径小、管壁厚，国外市场较难采购。为保证SA-182F92锻件成功应用于外高桥项目，开展了锻造工艺试验的试制工作。
    试验采用规格为?70×165 T92管坯，将坯料加热至950～1050℃，保温20min以上开锻，先镦粗至高度H≤100，再拔长至?60×215，滚圆，切料头，尺寸检验合格后，加工到最终产品尺寸规格：?54×14.5min×200和?54×15.5min×200。产品供货状态：正火+回火热处理，冷却方式采用空冷。其中，正火温度采用1050～1060℃，保温60min，回火温度采用750～760℃，保温180min。
    SA-182F92材料的力学性能试验数据见表2。
   
                         表2     试制F92锻件的力学性能
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    试样号    σs，MPa    σb，MPa  δ5，%      Akv，J          HB         晶粒度
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    0510181     552         673       24    120,106,81     197，201，203    6～7
    0510182     545         685       23    124，90，122   190，193，195    6～7
    0510183     556         654       26    243，244，275  191，193，195    6～7
    标准要求    ≥440       ≥620     ≥20  ≥34           ≤269            ≥4
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    单对SA182F92锻件本身，现有的锻造工艺及热处理规范已经完全满足材料标准的要求。而关于焊接接头焊后去应力热处理对锻件本身性能的影响程度有待进一步试验研究，最终确定比较合理的SA182F92材料的回火温度。
    生产应用方面，在对国产F92钢进行一系列性能试验，包括冷裂敏感性试验，国产F92钢的各方面性能已经基本达到了进口F92钢的水平，能满足产品的使用要求。因此，国内在制造首台超超临界锅炉产品中，即开始使用国产F92钢，并用于末级过热器P92集箱、末级再热器P92集箱的球形封头、检查孔管接头及过渡段管接头等零部件。其中过渡段管接头是指F92管子与HR3C管子对接后，再焊于P92集箱本体，避免奥氏体不锈钢HR3C管子直接与P92集箱焊接；球形封头和检查孔管接头主要用于二级过热器出口集箱、三级过热器进、出口集箱及二级再热器出口集箱。在产品的制造过程中，对国产F92钢的使用进行了跟踪与了解。实践表明，在预热200℃的工艺条件下，国产F92钢具有较好的可焊性。目前，在国内超超临界锅炉产品的制造中，同样已经广泛使用国产F92合金锻件。
    结论
    通过对国产F91球形缩颈段的试制及应用、对F92钢进行插销试验等冷裂敏感性一系列试验，基本上掌握了国产F91及F92钢的焊接特性及工艺特点。国内在超（超）临界锅炉的制造中，大量使用了国产的F91和F92钢，并制订了合适的焊接工艺。从试验研究及生产应用过程来看，国产F91合金锻件具有良好的加工和焊接性能。插销试验及斜Y型坡口裂纹试验表明，对国产F92钢，当预热到≥175 ℃焊接时,可以有效防止焊接冷裂纹的产生。为确保产品质量，生产应用中，将国产F92钢的预热温度确定为≥200℃是合适的。通过对国产F92钢冷裂敏感性试验及产品的生产应用后表明，国产F92钢的常规性能已经基本达到了进口F92钢的水平，能满足产品的使用要求。