P91三通成型与热处理工艺简析

P91三通成型与热处理工艺简析

林恒龙

扬州华宇管件有限公司 江苏 扬州 225000

摘要：随着P91钢在国内火力发电机组的大量应用, 用于管道连接的P91管件（弯头、三通、异径管等）需求也与日俱增，由于P91材料的特殊性，P91管件（特别是三通管）的成型和热处理工艺一直困扰着众多管件制造企业。本文从P91材料的性能出发，结合本企业多年P91三通管的制造实践，对P91三通的成型和热处理进行了探讨和总结。 关键词：P91三通；P91三通热处理工艺；P91三通成型

1 P91材料性能与用途

P91材料是属于中合金耐热钢,在9Cr-1Mo钢基础上经过以下的改良而发展起来的：加入了钒和铌元素，同时控制氮元素含量，其蠕变强度大幅度提高。之后，考虑加工工艺性能而有意识地降低碳元素含量。通过设计要求所需要的物理性能对比，P91与P22以及奥氏体不锈钢TP304H的热传导性和线膨胀系数，再次证明了P91明显优于TP304H、P22,P91优于不锈钢之处在于它具有较好的热传导性和较低的线性平均膨胀系数。

P91钢室温屈服极限是P22钢的2倍，抗拉强度比P22钢高41%，其优点：管道系统柔度增加，减少了膨胀力，支吊架的载荷减少，端点推力和力矩降低，允许机组负荷变化较快，起动时间缩短，投资成本降低。在火力发电厂中，为了保证主蒸汽管道的安全运行，对介质温度为500℃及以上的每条主蒸汽管道都要进行蠕变监控。影响蠕变的主要因素包括温度、应力和钢材本身，温度越高，应力越大，蠕变速度也越快。根据厂家的试验数据，在105h及550℃下时，P91钢的蠕变强度几乎为P22钢的两倍。在540℃下，P91钢的许用应力比P22提高约90%高的许用应力使得管道设计壁厚大大降低，重量降低相应管件的设计壁厚也大大降低，重量降低，由于重量降低，使得管系支吊架应力水平也大大降低，另外由于较小的线膨胀系数，管系热应力也大大降低。

自1984年美国将P91钢分别列入ASTM A335和ASME SA335标准后，已作为600～650温度范围使用的理想的高压锅炉钢管材料，并日益广泛用于亚临界及超临界火力发电机组的主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道，显示出了优异的综合性能。

由于它具有良好的使用性能，目前在电站用高温、高压耐热钢最理想的材料，填补了低合金珠光体耐热钢和高合金奥氏体不锈钢之间的空缺。

2 P91三通选材要求

2.1 热压三通原材料钢管外径选材要求：管径选用比三通管直径大2～3号管子，例如三通主管管径φ114mm,则采用φ168mm以上的无缝钢管加工。

2.2 热压三通长度用料选材要求：

1）通用型(主要在电力管件)，选材长度为主管直径+支管高度+30～50mm(加工余量)；

2）专用型（输油输气管线），选材长度为：

等径三通 主管直径*1.5 ；

异径三通（大变径）主管直径*1.25；

异径三通（小变径）主管直径*1.0。

3 P91三通成型工艺

P91钢具有较好的热压加工性能，我国目前生产的高温高压P91三通，基本是采用热挤压成型工艺。下面就此成型方法，给大家作一介绍，希望能给大家以帮助和启迪。

P91下料采用等离子切割工艺，达到了切口宽度，切口表面质量、热影响区控制等，按预定要求，为降低P91硬度，采取了较慢的冷却速度。

P91临界转变温度，根据材料成分的不同，AC1温度在800℃和830℃之间，AC3温度在890℃和940℃之间；根据ASME有关标准的规定，热成型温度不得在两相区之间（AC1～AC3之间）进行，因此热挤压温度不得低于950℃，考虑到高温时晶粒度长大的影响，成型温度一般控制在950～1100℃之间。经过我司多年的摸索和生产实践，在此温度下成型的三通，经检测和验证，是较为理想的。

控制金属流动的软件是工艺参数的合理选择，硬件是如何设计合适的工装和模具，金属固态下的热压成型不同于金属液态下的金属铸造成型，这是因为两者的流动性有着很大的差别，如果三通模具的形状与成品的形状完全一致，则不可能充分利用固态金属的流动能力，其结果是外形达不到预定要求，特别是过渡处和支管高度，采用以径向补偿为主轴向补偿为辅的联合补偿方式成型，在成型过程中或成型后不对支管进行拉拔，以避免减薄支管壁厚和过渡壁厚，在成型后通过冲扩支管端口的方式，使支管内径达到要求时，通过回压支管使过渡区增厚，达到设计要求。关键过程：热压成型工艺过程，关键工艺参数是模具形式，成型温度，变形速率。

坯料的加热可采用燃油加热炉进行加热；

在坯料加热前首先用铁锤，砂轮等工具清理坯管表面的屑角、油、锈及铜、铝等低熔点金属，检查坯料的标识是否符合设计要求。

4 P91三通成型后热处理

根据P91材料的铁-碳相图曲线显示，AC1温度在800℃和830℃之间，AC3温度在890℃和940℃之间；从图中可以看出：Ms温度（马氏体转变开始温度）相当高，大约在400℃左右。Mf温度（马氏体转变结束温度）在100℃以上；P91材料在一个比较宽的冷却速度范围，奥氏体组织完全转化为马氏体组织，而这个速度范围通常正火就能够满足，所以P91材料的热处理工艺一般是正火+回火。

试验表明晶粒度越小，P91钢的强韧性越好，因此热处理过程中必须严格控制正火温度，大量数据证明，P91材料在1080℃并不发生明显的晶粒长大，如果正火温度过高，超过了该温度过多，则奥氏体晶粒会长大，冷却及回火得到的回火马氏体也会粗大，因此精确控制好正火温度是获得细小马氏体的关键。因此，P91的最佳正火温度在1040～1080℃区间，我公司选取的正火温度是1060±15℃。

P91材料正火后得到的是马氏体组织，通过控制正火温度获得细小均匀的马氏体组织能够提高P91钢的强度，而据以往研究和参考文献表明，回火过程中马氏体板条内精细亚晶块的形成及亚稳态位错网的形成也是P91钢的强韧化效果不一样，P91钢的高温回火过程不会造成组织的晶粒大小发生变化，只会对其晶内马氏体板条的粗细有影响。适中的回火温度及时间，马氏体板条不发生粗化，板条内形成碎化的细小亚晶块，出现密集的亚稳态位错网络，亚晶块及亚稳态位错网的强韧化效果明显，钢的综合力学性能优良。因此回火温度及回火时间是P91钢获得优良综合力学性能的重要影响因素，控制好高温回火过程是提高P91钢强韧性的有效措施。

根据我司以往产品的供货经验，P91回火温度730～760℃区间为最佳，保温时间最少60min,冷却：静止空气中冷却。

P91钢正火后应冷却到180℃以下，以确保完全实现马氏体转变，为避免淬硬条件下产生晶间应力腐蚀裂纹，马氏体转变过程完成后应立即进行回火处理。该热处理工艺能完全满足产品的性能要求，高的蠕变断裂强度；有限的硬度；好的韧性。回火温度偏低时，回火效果不明显，焊缝金属容易时效而脆化，回火温度过高（超过AC1线），接头又能再次奥氏体化，并在随后的冷却过程中重新淬硬。1060±15℃温度下正火时大部分碳化物熔解并不发生明显的晶粒长大。750±15℃温度下回火时马氏体组织中碳化物能均匀析出从而提高了材料的蠕变性能。

P91厚壁管件热处理每小时升温速度6250÷壁厚(℃/h)为宜，回火恒温8min/mm。

5 P91三通热处理后的组织检验

非金属夹杂物检验方法按GB/T 10516,逐件进行金相检验。晶粒度评级方法按照GB/T 6394,晶粒度不粗于4级，同炉级差不大于3级，无微裂纹，过烧组织和淬硬马氏体组织。

6 P91材料加工应注意的事项

P91钢冷裂纹倾向较大，在一定条件下，容易产生延迟裂纹，故焊接接头必须焊后24h内进行回火处理。

P91材料最佳热压成型温度950～1100℃区间，该温度区间既防止温度过高导致晶粒度长大过快，又防止成型温度过低引起产品开裂。

P91焊后热处理前，必须冷却至100～150℃，保温1h,回火温度730～780℃，保温时间不少于1h。

结束语：

本文根据P91材料的特性，结合公司长期制造P91管件的经验，探讨并总结出P91三通成型和热处理工艺的数据和参数，具有一定的适用性。不同企业，因其制造装备、检测手段存在一定的差异性，产品的制造、检测的数据也存在差异，但应在合理范围内。P91三通仅是整个P91管道工程中的一小部分，为充分发挥P91管在工程中重要作用，需配套做好相应环节如P91焊接以及焊后热处理工作，以确保整个P91管道工程的质量。 参考文献： T91/P91 钢手册 瓦卢瑞克·曼内斯曼钢管公司

作者简介： 林恒龙 男 1995年毕业于盐城工业专科学校，建材机械专业，多年从事压力管道、管件工艺设计和制作。