超越临界锅炉用E911钢管的显微组织
| 摘要：对德国 Vallourec& Mannesmann公司生产的Φ159mm*27mm的E911钢管进行了力学性能、显微组织分析，并对供货状态的E911钢管进行了时效处理和时效后的显微组织测定。试验结果表明，E911钢管的常温性能、高温性能都比T91要好得多，完全可以代替TP304H、TP321H和TP347H不锈钢管，可解决异种钢焊接问题，并可降低锅炉的制造成本。
关键词：E911钢管；力学性能；锅炉钢；显微组织 中图分类号：TG142.73 文献标识码：A 文章编号：1000-3738（2003）01-0051-04 1、引言 P91钢是20世纪70年代美国在9Cr-Mo钢基础上开发的马氏体热强钢，我国从90年代初开始研制和生产P91钢管，并已将该产品纳入新修订的GB5310标准中[1]。而改良型9Cr-Mo钢（改良型T91）具有优异的高温强度及良好的综合力学性能，是有着广阔应用前景的析型马氏体耐热钢[2]，在锅炉上用于过热器和再热器以及主蒸汽管道等部件，用来代替102和TP304H等不锈钢。 用W来代替（9-12）Cr-Mo钢的一部分Mo，对于提高持久强度是非常有效的，开发的锅炉管9Cr-0.5Mo-1.8W-Nb-V钢在600℃、105h的持久强度为157MPa，研究表明9Cr-0.5Mo-1.8W-Nb-V钢能够代替18-8系列的奥氏体不锈钢用于集箱和管子[3]。E911是在T91（P91）之后由欧洲多国COST研究设计的，E911在正火加回火态使用，当从1060℃的奥氏体化温度冷到室温时组织为马氏体。此材料的持久试验Mannesmann已做到3*104h在600℃下外推105h的持久强度为118MPa，而T91为90MPa。 随着锅炉蒸汽温度及压力的增加，要求有更高持久强度的新钢种以提高锅炉的效率，减少能源的浪费，E911的尺寸已达Φ44.5mm*7.1mm～Φ490mm*70mm。目前在600MW屏式再热器出口导管用的材料是Φ660mm*50mm的P91，工作温度600℃，而P91的使用温度是566℃，如用E911这种材料较为合理，并可使壁厚减薄，焊接较易进行，具有较大的经济效益。当壁厚过大时，管子的轧制也变得难于进行，为了减少壁厚只有采用持久强度高的材料。由于E911是新研制的钢种，国内在锅炉设计上还没有用到，如作者单位准备生产的900MW锅炉再热器出口集箱由于对新材料没有进行试验，设计材料仍用P91，远落后于发达国家，因此有必要对E911进行试验研究。 1985-1990年，日、美、前苏联、德、法等国已着手研制开发可实际运行的超超临界机组（USC），并制定了超超临界机组的两步发展计划，其中第一步目标是主蒸汽参数为30MPa，593/593/593℃；第二步目标是主蒸汽参数为34.5MPa，649/649/649℃。第二步目标比目前常规的蒸汽参数24.1MPa，538/566℃的超临界机组净效率提高8.8%。蒸汽温度不低于593℃或蒸汽压力不低于31MPa被称为超超临界[4]。在国外T91最高用到566℃，当蒸汽参数提高到593℃时不用T91，改用T92，但T92的焊接较困难，因此又开发了E911，其焊接性也好。从目前世界各国高蒸汽参数发电机组的发展来看，电站锅炉耐热钢的研究方向是发展蠕变强度高于T91/P91的非热交换厚壁件以替代奥氏体不锈钢，只有在考虑抗腐蚀时才用奥氏体不锈钢。 9Cr-1Mo-V-Nb-N的高温强度可与TP304H不锈钢相比，因此能代替TP304H用于电站锅炉的过热器和再热器管[5]。E911的高温蠕变断裂强度超过TP300系的奥氏体不锈钢，具有优良的断裂韧性、抗热腐蚀性、可加工性、可焊性，具有十分广阔的应用前景。其600℃10万h的持久强度与T91高30%，并高于TP304H、TP321H和TP347H，因此要采用先进蒸汽参数的发电机组，耐热钢的研究开发必须先行。 总之，研究、比较和评价E911钢管在常温和高温下的各种力学性能，对E911钢管的应用的推广具有重要的实际意义。 2、试验材料及方法 试验用料是由Vallourec&Mannesmannwcn公司提供，炉号为79506，E911钢管的化学成分（表1）符合德国企业标准的要求。用WJ-10A型机械式万能试验机进行拉伸试验；用RKP-300型示波冲试验机进行冲击试验；用CSS-1110型电子万能试验机进行高温拉伸试验；用HV-120型维氏硬度计进行硬度测定；用WG3-1050型高温长均热区试验电炉进行抗氧化试验和时效试验。用CAM-SCAN型扫描电镜（SEM）观察断口的断裂特征；用Neopht-Ⅱ型光学显微镜进行显微组织观察，试样用4%硝酸酒精浸蚀；试样用MTP-1A 型双喷电子减薄仪减薄，在PHILIPS CM12 型透射电镜（TEM）下进行观察，对碳化物采用EDAX®9100型能谱分析仪（EDS）进行成分测定。 表1 E911钢管的化学成分（质量分数，%）
3、试验结果与分析 3.1 合金化原理 E911钢中的Cr、Mo能强化固溶体，提高再结晶温度，现加入了V、Nb等元素形成的碳化物起到了沉淀强化的作用，同时，N也是强化元素，因而材料的强度得以提高，韧性也有提高[6]。另外Nb、V有利于焊接；V/Nb碳氮化物的沉淀强化使钢的持久强度增加[7]。W使材料得到了固溶强化和析出强化，提高了蠕变强度。为了提高蠕变断裂强度及韧性，通过回火形成以马氏体单相组织为主的金属组织[8]。减少Laves相的析出和粗化将有助于提高9%-12%Cr钢的持久强度，像硼合金一样在增加持久强度方面起重要作用。 为了提高持久强度通过添加W来实现的，W起固溶强化作用，B起强化晶界的作用，从而提高持久强高。Ni起提高焊缝韧性的作用，加W使组织稳定性提高，加1%Mo也起固溶强化作用，使持久强度提高，但造成Laves相析出，600℃出现Laves相，大于650℃不出现Laves相，在550-600℃出现得最多，Laves相对高温性能无影响。Mo固溶强化、短时间内提高强度，长时间主要是Nb、V析出物强化，W与Mo一样也形成Laves相。加Nb、V、N起析出强化作用，冲击值是由马氏体相来保证的，C、N、Mn、Ni是奥氏体形成元素，Cr、Si、Nb、V是铁素体形成元素，Cr、Si起抗氧化作用。随着正火温度的提高，NbC的溶解增加，回火时析出，提高持久强度。在时效过程中Laves相析出。 3.2 力学性能 Φ159mm*27mm的E911钢管的供货状态为1070℃*0.5h空冷+770℃*1h空冷，供货状态下E911钢管的力学性能见表2，符合德国企业标准。 3.3 显微组织 不同热处理及650℃时效后E911钢管的显微组织都是M回火+碳化物。 4、结论 （1）德国Vallourec&Mannesmann公司生产的Φ159mm*27mm的E911钢管的力学性能、显微组织符合企业标准。 （2）E911钢管的冲击断口为韧窝断口，经650℃*3000h时效后的冲击断口为准解理断口。 （3）E911钢供货态显微组织是在马氏体基体上分布着碳化物，还有亚晶界和胞状结构，位错密度低，大的、发亮的碳化物为（Fe，Cr）2（Mo，W）型碳化物（即Laves相），长条形、球形碳化物为M23C6，分布在晶内（或亚晶界上）的小球形、小针形碳化物为MC型碳化物，经650℃时效后碳化物减少、位错增多，时效3000h后板条变明显了。随着持久时间的增长，亚晶粒由长形向等轴形转变，碳化物明显长大，并向晶界聚集，其中有相当一部分Laves相。 参考文献： [1]刘宇，舒先进，乐敏毅，等.P91钢管的力学性能研究[J].钢管，1997，26（6）：18. [2]刘兴阳，松崎明博，志贺千晃.改良型9Cr-Mo钢的形变热处理强化机制[J].东北工学院学报，1992，13（1）：45. [3]大神正浩，荒木敏，直井久，等.ポイラ管用9Cr-0.5Mo-1.8W钢の开发と实用化[J].铁と钢，1990，76（7）：1124. [4]赵钦新，顾海澄，陆燕荪.国外电站锅炉耐热的一些进展[J].动力工程，1998，18（1）：74-75. [5] ZHU Lihui, ZHAO Qinxin, GU Haicheng, et al. Effects of long-term creep at elevated temperatures on rupture ductility in 9Cr-1Mo-V-Nb-N steel[J]. J Mater Sci Technol. 1998.(14):226. [6]周丽萍，韩跃文，朱文健.P91钢管性能试验[A]. 第18届全国锅炉用钢会议论文集[C].2000.204, [7] Bendick W. New 9%-12%Cr steels for boiler tubes and pipes operating experiences and future developments[A]. EPRI-Conference[C]. San Sebastian/Spain:1998.3. [8]大神正浩，等. 锅炉用高强度9CrW钢管及锻钢品（NF616）的开发[J].世界钢铁，1998，（1）：43. （作者：哈尔滨锅炉厂有限责任公司材料研究所，袭正春）
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