劉錫貝 傅志強(qiáng) 王 斌 金寶炎

（天津出入境檢驗(yàn)檢疫局 天津 300456）

GB 5310國產(chǎn)P91鋼管與ASME A335 P91鋼管標(biāo)準(zhǔn)比對

劉錫貝 傅志強(qiáng) 王 斌 金寶炎

（天津出入境檢驗(yàn)檢疫局 天津 300456）

在介紹P91鋼管的成分優(yōu)化措施和強(qiáng)化機(jī)理的基礎(chǔ)上，對ASME A335 P91和國內(nèi)生產(chǎn)的GB 5310中10Cr9Mo1VNbN進(jìn)行了化學(xué)成分和物理檢測項(xiàng)目包括非金屬夾雜物、晶粒度、顯微組織、室溫力學(xué)性能等比較，并對國產(chǎn)P91鋼管現(xiàn)狀進(jìn)行分析，得出我國的P91鋼管各項(xiàng)性能指標(biāo)已經(jīng)日漸滿足使用要求，正逐步取代進(jìn)口P91鋼的使用。通過對兩種標(biāo)準(zhǔn)體系的比較，有助于深入理解ASME標(biāo)準(zhǔn)與國標(biāo)的差異和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，也有助于理解我國鍋爐管以及壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展變化，這對強(qiáng)化鍋爐管的安全具有重大意義。

P91；鋼管；強(qiáng)化機(jī)制；標(biāo)準(zhǔn)對比

1 前言

P91鋼是美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和燃燒工程公司（CE）在9Cr-1Mo鋼的基礎(chǔ)上，通過限制含碳量，添加釩、鈮、氮等強(qiáng)化元素而研究開發(fā)的一種改良型馬氏體耐熱鋼[3]。隨著發(fā)電設(shè)備向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，P91鋼因具有較高的持久強(qiáng)度、良好的抗氧化性能和工藝性能，已在世界范圍作為超（超）臨界壓力機(jī)組主蒸汽管道、再熱蒸汽管熱段及鍋爐高溫過熱器和再熱器的出口集箱等高溫承壓部件得到廣泛應(yīng)用。1985年，該鋼列入美國ASME A335標(biāo)準(zhǔn)；我國也將該鋼納入GB 5310-2008標(biāo)準(zhǔn)，相對于P91，我國牌號(hào)為10Cr9Mo1VNbN[3]。

天津港每年進(jìn)口的高壓鍋爐管以 P91、T91、 P92、T92、P22、P5、P11、P9、T9、WB36（15NiCuMoNb5，15NiCuMoNb5-6-4）、10CrMo910、T9/P9、TP321H、TP 347H、SA106B、SA106C、B70CL.32等為主，材料涵蓋了鐵素體耐熱鋼、珠光體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼和碳鋼等各種類別，其中P91和P92占了高壓鍋爐管總進(jìn)口量的50%以上。

2 P91鋼管的強(qiáng)化原理

2.1 固溶強(qiáng)化

P91鋼內(nèi)置換合金元素Cr、Mo和間隙元素C、N對a-Fe基體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的效果，而且固溶體中的間隙原子C、N和置換原子Cr、Mo等產(chǎn)生原子對相互作用，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使滑移難以進(jìn)行，從而使材料的強(qiáng)度與硬度增加。鋼中加入少量強(qiáng)碳化物形成元素Nb、V，阻止了Cr、Mo等碳化物形成，使其盡量溶于固溶體中，也增強(qiáng)了固溶強(qiáng)化的效果[4]。

2.2 析出強(qiáng)化

P91鋼在高溫回火時(shí)，Nb、V等強(qiáng)碳化物形成元素與C和N形成細(xì)小而穩(wěn)定的MX型碳氮化物在馬氏體板條內(nèi)彌散析出，Cr與C和N形成橢形的M23C6型碳化物在馬氏體板條界和原奧氏體晶界析出，這些彌散分布的析出相能強(qiáng)烈抑制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，顯著提高了P91鋼的高溫持久強(qiáng)度。

2.3 板條馬氏體強(qiáng)化

P91鋼經(jīng)過正火（壁厚大于75mm，可采用淬火）和回火，每一個(gè)細(xì)小的奧氏體晶粒轉(zhuǎn)變成多個(gè)位相不同、相互間以大角度相交的低碳馬氏體板條束集。每個(gè)馬氏體板條束集由許多細(xì)密的位相相差不大的以小角度相交的馬氏體板條束組成；每一束馬氏體板條束又是由眾多細(xì)密的位相相近的馬氏體板條組成；在每一片馬氏體板條上，存在著微細(xì)的M23C6和MX析出物、高密度的位錯(cuò)和亞晶界。一方面亞晶界和細(xì)小的析出物能阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，另一方面亞晶界上的碳化物還能阻止亞晶界網(wǎng)通過遷移和局部的分解而粗化，從而大大提高P91鋼的強(qiáng)韌性，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化效果優(yōu)異的回火板條馬氏體強(qiáng)化。

2.4 位錯(cuò)強(qiáng)化

P91成品鋼管的高位錯(cuò)密度是由馬氏體相變和熱加工時(shí)的塑性變形引入。馬氏體相變和熱加工變形時(shí)，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，位錯(cuò)之間相互反應(yīng)、位錯(cuò)受到阻礙不斷塞積、材料中的溶質(zhì)原子和析出物等都會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高材料的高溫強(qiáng)度[6]。

通過固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、板條馬氏體強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化等復(fù)合強(qiáng)化方式，并采用優(yōu)化工藝，P91鋼管獲得了非常優(yōu)異的綜合性能。

3 標(biāo)準(zhǔn)比對

3.1 化學(xué)成分

GB 5310同A335標(biāo)準(zhǔn)對P91鋼管要求的化學(xué)元素項(xiàng)目和含量相同，詳見表1。

表1 GB 5310和A335標(biāo)準(zhǔn)對P91鋼管的化學(xué)成分要求

雖然兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求的化學(xué)元素項(xiàng)目和含量相同，但A335標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定P91級(jí)鋼管碳含量可以與表中規(guī)定的范圍有一定偏差，偏差范圍為（-0.1%）-（+ 0.02%）；GB 5310標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定成品鋼管化學(xué)成分含碳量允許偏差為±0.01%。

3.2 熱處理要求

A335標(biāo)準(zhǔn)中表2和GB 5310標(biāo)準(zhǔn)中表6續(xù)分別對P91鋼管和10Cr9Mo1VNbN的熱處理工藝作出明確規(guī)定，詳見表2。同時(shí)A335標(biāo)準(zhǔn) 5.3注4還表述了某些鐵素體鋼如果從臨界溫度快速冷卻，會(huì)產(chǎn)生淬火硬化，即一些鋼要在空氣中淬火，從高溫冷卻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不符合要求的硬化效果。因此，對于涉及高于臨界溫度的加熱操作，如焊接、翻邊及熱彎成型等，應(yīng)在隨后適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行熱處理，以防止硬化效果的出現(xiàn)。

表2 熱處理對比

3.3 物理性能要求

GB 5310同A335標(biāo)準(zhǔn)對P91鋼管的物理性能要求見表3。

表3 物理檢測比對[1-2]

（續(xù)表3）

3.4 標(biāo)準(zhǔn)比對說明

關(guān)于試驗(yàn)數(shù)量，A335標(biāo)準(zhǔn)14.2規(guī)定橫向或縱向拉伸試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)或彎曲試驗(yàn)——對于在分批裝料爐中進(jìn)行熱處理的鋼管，應(yīng)對每處理批次中的5%鋼管進(jìn)行試驗(yàn)；對于小批量，至少測試1根鋼管。

對于硬度，A335標(biāo)準(zhǔn)14.3.7規(guī)定應(yīng)在每批中取樣進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)、維氏硬度試驗(yàn)或洛氏硬度試驗(yàn)，同時(shí)14.3.5要求布氏硬度試驗(yàn)時(shí)壓痕中心距樣品邊部的距離至少為壓痕直徑的2.5倍。

對于沖擊吸收能量，A335標(biāo)準(zhǔn)沒有做出明確要求，GB 5310則對材料的橫向和縱向規(guī)定了沖擊最小值。

通過標(biāo)準(zhǔn)比對可看出，A335標(biāo)準(zhǔn)對于管材的熱處理要求較為明確具體，比如針對鐵素體鋼在5.3中加以兩條注解說明，同時(shí)對于P91級(jí)鋼管，依據(jù)A335標(biāo)準(zhǔn)表2中的注D協(xié)議進(jìn)行淬火及回火時(shí)，拉伸及硬度性能應(yīng)滿足要求，并且要確定材料是從中厚處取得。GB 5310標(biāo)準(zhǔn)要求的項(xiàng)目基本同A335保持一致，在無損檢測以及金相觀察要求上比A335標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的更加詳細(xì)具體，這也在一定程度上促進(jìn)了我國高壓鍋爐無縫用鋼管的發(fā)展。

4 P91鋼管國產(chǎn)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)知名的大型鋼管生產(chǎn)廠商主要以北方重工、武漢重工鑄鍛、河北宏潤、成都無縫鋼管廠、上海鋼管廠、天津無縫鋼管以及衡陽鋼管廠等企業(yè)為首的一批企業(yè)，P91鋼管生產(chǎn)工藝基本成熟，設(shè)備滿足要求，產(chǎn)品可靠度經(jīng)過幾年用戶運(yùn)行，已滿足裝置運(yùn)行要求，逐漸填補(bǔ)了3年前國內(nèi)P91空白市場[5]。

國內(nèi)鋼管廠嚴(yán)格按照優(yōu)化工藝生產(chǎn)制作的P91大直徑無縫鋼管，不論是冶金質(zhì)量和常規(guī)力學(xué)性能，還是高溫持久強(qiáng)度，均能達(dá)到ASME規(guī)范及GB 5310-2008的要求，這說明我國已經(jīng)具備P91大直徑無縫鋼管批量生產(chǎn)能力，從目前天津港進(jìn)口高壓鍋爐管減少也可說明國產(chǎn)鋼管質(zhì)量良好，正逐漸替代進(jìn)口。

目前高壓鍋爐管和核電用管的國產(chǎn)化率正在逐年提高，超臨界和超超臨界機(jī)組用高壓鍋爐管已能批量供貨。隨著大容量亞臨界、超臨界火力發(fā)電機(jī)組在我國的發(fā)展，各種新型耐高溫材料的用途將會(huì)越來越廣泛，P91作為一種新型耐熱鋼，必將給我國工業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[7]。

5 結(jié)語

鍋爐管的安全情況是影響高壓鍋爐能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素，關(guān)系著鍋爐安全與操作人員的生命安全，使用過程中中，一些未檢出的缺陷或某些工藝及力學(xué)性能處于較低水平時(shí)，將對鍋爐管的安全構(gòu)成極大隱患。因此，通過常用標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)，明確標(biāo)準(zhǔn)要求，有助于從源頭加強(qiáng)第一道檢測關(guān)口，采取科學(xué)的措施加強(qiáng)進(jìn)境鍋爐管的日常監(jiān)管。

我國的高壓鍋爐管標(biāo)準(zhǔn)主要參照了ASME規(guī)范，因此在實(shí)際使用時(shí)對兩種標(biāo)準(zhǔn)體系的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析，有助于理解ASME A335和GB 5310標(biāo)準(zhǔn)的差異，促進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，還有助于了解我國高壓鍋爐管以及壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展變化，這對于強(qiáng)化鍋爐管的安全具有重大意義。

[1]A335/A335M-11 Standard Specification for Seamless Ferritic Alloy-Steel Pipe for High-Temperature Service[S].

[2] GB 5310-2008高壓鍋爐用無縫鋼管[S].

[3] 王起江，洪杰，徐松乾，等.超超臨界電站鍋爐用關(guān)鍵材料[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，S1：26-33.

[4] ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范國際性規(guī)范Ⅷ[M].北京：中國石化出版社，2007.

[5] 趙欽新，朱麗慧，顧海澄，等.國產(chǎn)T91/P91的深化研究[J].鍋爐技術(shù)，1999，30（8）：16-25，32.

[6] 楊秀琴.我國油井管、電站鍋爐管國產(chǎn)化的發(fā)展歷程[J].鋼管，2014，3：1-5.

[7] 于秀美，賈振宇.美國ASME規(guī)范與中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的比較[J].石油化工設(shè)備，2008，4：51-54.

The Comparison of P91 Steel Tube of ASME A335 and GB 5310

LIU Xibei，F(xiàn)U Zhiqiang，WANG Bin，JIN Baoyan
(Tianjin Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Tianjin,300456)

An introduction is being presented to the measures ofcomposition optimization and strengthening mechanism ofdomestic P91 seamless steel pipes,together with an overall evaluation on the non-metal impurities,grain size,microstructure,room temperature mechanical property of the steel pipes in this paper.The current situation ofdomestic P91 steel pipe is analyzed and it is found that the performance indicators of thedomestic steel P91 steel pipe have been increasingly meet the requirements, and is gradually to replace the import of P91 steel.Through the comparison of two kinds of standard systems of P91 in ASME A335 and 10Cr9Mo1VNbN in GB 5310,it is helpful to understand and implement thedifference between ASTM standard and national standard and it’s also beneficial to understand thedevelopment and change of the Seamless ferritic Alloy-Steel Pipe for High-Temperature standard,which is also an important way and prerequisite to strengthen the boiler tube safety.

P91；Steel Tube；Strengthening Mechanism；Standard Comparison

TG142.7

E-mai：liuxb@tjciq.gov.cn

2015-06-23