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P92钢管件材料国内的研制; i& ]+ F+ r1 G7 {# P* O8 @$ e7 P
摘 要：对超超临界机组P92钢管件研制的国内现状进行了分析，重点介绍了我单位在P92钢焊接工艺、热压工艺、热处理工艺方面进行的探索以及典型管件产品的试制情况和有关验证试验。P92钢管件国产化研究的成功，将改变目前国内超超临界机组P92钢管件单纯依靠进口的局面，其应用前景广阔，有相当可观的经济效益和社会效益。- _$ g$ j& Q- L/ M& u
关键词：超超临界 P92钢 管件 国产化
- j2 N/ i) I4 ^! ~# l1 前言/ r$ Z" [1 x, H5 k
随着电力工业的迅速发展, 提高锅炉蒸汽的温度和压力成为提高运行效率、降低发电成本，缓解环境压力的必由之路。超临界、超超临界机组成为火电发展的趋势，而新材料的开发和应用为电站向高参数发展提供了有利保障。
+ F* U9 [5 ]9 {6 R3 b改良型9～12Cr型铁素体钢因热强性较高、成本较低、工艺和使用性能良好在超临界、超超临界火电机组中得到了广泛的应用。新兴的超超临界机组用T/P92 钢的性能研究、与电站建设相关的焊接、热压成形、热处理等工艺研究成为近年来业内人士普遍关注的焦点。3 }7 |" i( f' M3 @
T/P92 钢保持9%Cr可使钢具有良好的抗高温氧化和耐腐蚀性能，同时加入1.75%的W和0.5%的Mo，将Mo当量提高到1.5%，加强了固溶强化作用；添加0.15～0.25%的V、0.04～0.09%的Nb、0.03～0.07%的N形成Nb和V的碳氮化物起弥散强化作用；部分V进入M 23C6 碳化物中,可有效延缓使用温度下M 23C6 的长大和聚集。T/P92 钢中还加入了0.001～0.006%的B, 用以提高晶界的高温强度[1，2] ；同时严格控制钢中Si（0.50%max）、Ni（0.50%max） 和Al（0.04%max）的含量, 得到马氏体组织；降低杂质(P、S 等) 含量, 提高纯洁度。1 X7 B9 N7 G) c6 p, M9 D
较T/P91钢而言，T/P92 钢的高温强度和蠕变性能得到较大提高，在相同的工作温度，压力或设计寿命条件下，采用T/P92钢能降低电站锅炉及管道系统的重量，增加管道系统柔度，减少膨胀力；降低端点推力和力矩，减少支吊架的载荷；允许机组负荷变化较快，起动时间缩短；降低投资成本。在相同的结构尺寸下，能进一步提高结构的设计工作温度，从而提高系统的热效率[1，3]。
; {1 j. r9 s, q/ H( N0 F" ^2 P92钢管件研制的国内现状
) k/ R# J& u9 C& P3 e" U目前,美、日、德等国家对P92钢的全面试验研究仍在进行,而国内对P92钢的研究主要集中在焊接方面，对管件研制方面的工作也才刚刚开始。至今，国内建设的超超临界机组用P92钢制管件完全依赖进口，尽快实现P92钢管件的国产化，扭转进口产品垄断国内超超临界机组管件市场的被动局面，迫在眉睫。
$ P7 ?) W3 Z% F. O2.1 焊接
. Q' e1 C3 U. r) T2 P& s9 V* @自2004年起，西安热工研究院、国电电力建设研究所、上海锅炉厂、常州电力修造厂及有关电建公司等多家单位对P92钢的现场安装焊接工艺和工厂化焊接工艺进行了大量的试验和研究，得出了很多指导性的数据[4，5，6]。6 `+ f4 O2 K+ {7 T* Z3 u3 _/ R$ Q
但所有焊接工艺试验均采用进口焊接材料，成本较高，针对国产焊接材料的焊接工艺试验未见有关报道。+ b6 n/ |. l. F
由中国电机工程学会焊接专业委员会组织行业内有关单位编写的《P92钢焊接技术规定》单行本即将通过审批正式发行[7]。5 U. F, f0 k b
2.2 热压、热处理/ ^/ N( j8 h; l) c; N3 y n
目前，国内已有管件厂家试制出了小规格的P92钢热压弯头，但未对热压成形工艺、热处理参数对P92钢性能的影响等方面进行系统研究。3 ?2 y4 Z# P% K3 p( ~* ~
P92钢制热压三通、大小头的研制未见相关报道。
4 _ T+ ^ V5 q3 v5 S; d3 P92钢管件的国产化研究) d/ X& O3 M4 K8 L: T T& |
针对P92钢管件的国内研制现状，我单位于2006年3月正式立项开展P92钢管件的国产化研究工作，对焊接、热压成形、热处理工艺方面进行了系统深入的研究，并完成了典型产品的设计和试制工作，各项检验指标全部合格，成功实现了超超临界机组P92钢管件的国产化，质量与进口产品相当，价格低于进口产品的预期目标。
# c. _, `3 s: B/ Y3 K& q3.1 原材料检验1 m! m- N0 w0 O; F, a6 }6 M
对进口P92钢管的规格、超声探伤、常温力学性能、化学成分、硬度、金相等的复检表明原材料完全符合ASTM A335/A335M-05的有关要求。
) {9 a/ k( w& Q0 I对国网北京电力建设研究院生产的P92钢用焊丝KJ192和焊条KJ92进行了焊接工艺性能及熔敷金属扩散氢含量、常温力学性能、化学成分、高温短时拉伸、AC1点测定、δ铁素体含量测定等试验，结果表明选择的国产焊接材料焊接工艺性能良好，熔敷金属化学成分和力学性能与母材相当，熔敷金属的下转变点A C1接近母材，符合DL/T 869-2004要求，能够满足P92钢焊接的需要。
6 u9 ^- O+ ]) s, f, b3.2 焊接工艺研究9 `/ D/ N, Y5 E7 X" w4 K
对P92钢焊接时需注意的焊接裂纹（主要是冷裂纹）、热影响区软化和接头脆化、δ铁素体、IV型裂纹等问题进行综合分析，为焊接工艺的合理设计提供理论基础。
" v4 Y+ _$ h/ J3 u通过斜Y型坡口焊接裂纹试验对P92钢的冷裂敏感性进行了评估，确定出了合理的预热温度范围。+ f3 h* @' f% s1 g5 n
对不同焊接热输入、横摆焊与直进焊、不同热处理时机、不同回火参数对焊接接头性能的影响进行了系统的研究，确定了适合P92钢的焊接工艺，按照DL/T 868-2004进行了OD355×40的管对接（2G+5G）和系列壁厚（8mm、16mm、40mm）的板对接焊接工艺评定试验。试验表明采用国产焊接材料，严格控制焊接工艺，完全可以获得性能满意的P92钢焊接接头。# s: L. j( |2 F" L+ V [- Y+ q) q
工作温度系列应力水平的焊接接头高温持久试验正在进行中。
: z" ^4 k! R6 o) {3.3 热压成形工艺研究7 W9 E# o; p3 b8 u+ @# ~1 {
对P92钢热压弯头、三通、封头、大小头的变形特点进行了分析，确定出了其最大变形率。在不同温度区间（奥氏体化温度区、两相区、AC1点以下）对P92钢试板进行了模拟变形率的三点弯曲试验，变形结束后分别采用不同的方式（风冷、空冷、缓冷）进行冷却。4 j, \- z1 H) m+ f" x# U* O' L
对P92钢热成形试件的金相、硬度、渗透等项目的检验结果进行了综合分析对比，掌握了P92钢热压变形能力及冷却方式对材料产生缺陷的影响，得出了保证不产生裂纹等缺陷且便于P92钢管件制造的热压成形温度区间和冷却方式。
: H( h% F5 ] Q: v3.4 热处理工艺研究
" M& O7 u& D: c) k3 U- Z采用不同正火温度（奥氏体化温度范围内）、不同回火温度（710～820℃）、不同保温时间（1～2、2～3、3～4、4～5min/mm）、不同冷却方式（空冷、缓冷）对P92钢试板进行热处理，然后取样进行了常温拉伸、冲击、硬度、金相等项目的检验。7 w5 I, u: a- [, h' r
通过试件与原材料各项性能的对比分析，得出了热处理参数对P92钢性能的影响规律，确定了合理的P92钢管件的热处理温度、保温时间和冷却方式。
: D' R7 N* \! n8 q& U1 y通过对P92钢热压成形试件热处理后进行金相、硬度、渗透等项目的检验进一步验证了P92钢管件热处理工艺的合理性。1 i4 G$ ` p) f
3.5 产品试制
! a6 n7 S. r* G: i( T2 V: w参照国内某超超临界机组用P92钢管件规格，确定试制规格为OD406.4×97、OD406×40的90° P92钢热压弯头和规格为ID248×60/ ID248×60的P92钢热压三通。6 t, b) K* z4 \1 q4 W# x
按照ASME B31.1-2004、ASME B16.9-2003、DL/T 5054-1996对试制产品进行了结构设计和强度计算，加强方式为厚壁加强。9 U/ I0 f% _8 u- b/ v, u5 }
根据热压成形及热处理工艺研究结果设计方案完成了典型P92钢管件产品的试制。热压弯头一次成形，热压三通多次成形，成形良好。对试制产品进行了外观、几何尺寸、变形率、硬度检验、金相、磁粉、超声等项目的检验，各项指标全部合格，最终验证了P92钢热压成形工艺及热处理工艺的适用性及合理性。# ?+ u! z( r8 N! `5 v; m. K7 m0 l8 z
对ID406.4×97的P92钢热压弯头内弧和外弧靠近内、外壁分别取样，进行了常温力学性能试验和高温拉伸性能试验，结果表明完全达到了原材料和有关标准要求的指标。
5 q R9 g; \! `3.6 有限元应力分析3 s# F" A- J4 k6 D' v8 g2 Z0 i
对试制的P92钢热压弯头和热压三通进行了内压下的有限元分析，得出了其应力分布规律，分析结果表明典型P92钢热压弯头和热压三通结构设计合理，强度完全满足JB 4732-1995的有关要求。
; v/ L7 Y. g# d& ^/ O, f. s3.7 爆破试验% |. `8 Y( f% s. h! a/ h8 I
对OD406×40的90° P92钢热压弯头进行了水压爆破试验，结果满足ASME B16.9-2003的有关要求，进一步了验证产品设计和制造工艺的合理性。
. p, `6 t! l( ~4 结论
5 X8 y W6 \( _% D7 _2006年 9月21日，中国电力企业联合会在北京对国网北京电力建设研究院电站技术中心（北京国电富通科技发展有限责任公司）完成的“P92钢管件研制及焊接工艺研究”项目组织业内专家（包括吴非文、徐英男、王德义、程世长、江哲生等12人）召开了技术鉴定会。
) U0 |( V5 f' O3 i' w& n! w) n鉴定委员会一致认为 ：“本课题对超超临界机组用P92钢制管件的设计及制造工艺进行了系统、深入的研究，通过对P92钢热压成形和热处理工艺的试验研究及主汽热压三通和热压弯头的试制，并采用有限元应力分析、爆破试验等，掌握了超超临界机组P92管件设计、制造、检验及受力状态等核心技术”；“项目承担单位具有多年多钢种（包括P91）管件的设计和制造经验，生产设备满足P92钢管件的制造要求，检测手段齐全，具备P92钢管件设计制造能力”；“所研制的P92钢 ID406.4×97热压弯头和ID248×60的热压等径三通在超超临界机组中具有典型性，各项性能指标均达到了ASME等国际标准要求，产品的质量与进口管件水平相当”；“该项技术达到了国际先进水平，可以批量生产，替代进口”。# j0 z ~) w2 F4 V! D" S1 u
P92钢管件的研制成功，将改变目前国内超超临界机组用P92钢管件单纯依靠进口的现状，其应用前景广阔，有相当可观的经济效益和社会效益。 |
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发表于 2008-4-7 10:05:28
