Cr-Mo鋼管性能和制造質(zhì)量控制要求評述

何德孚，王晶瀅,2

（1.上海久立工貿(mào)發(fā)展有限公司，上海200135； 2.浙江德傳管業(yè)有限公司，浙江 湖州313103）

通常把含Cr （0.5%～9%）、 含Mo （0.5%～1%）及少量W、 V、 Nb、 Ti 等元素的低合金鐵素體鋼稱為Cr-Mo 鋼。但文獻(xiàn)中往往把Cr 的上限擴(kuò)大到12%，后者已屬鐵素體不銹鋼范疇[1-7]。Cr-Mo 鋼具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、 抗蠕變、 抗氧化及耐腐蝕等綜合性能，合金含量和成本卻遠(yuǎn)低于奧氏體不銹鋼和兩類高溫結(jié)構(gòu)候選用材Ni 基及FeNi 基超級合金鋼，是石油化工和發(fā)電廠設(shè)備、 特別是亞臨界、 超臨界和超超臨界大型發(fā)電廠高溫高壓管道和鍋爐用鋼管的首選鋼種。此類鋼管 （pipe/tube）服役環(huán)境條件苛刻 （高溫、高壓、 高氧化性或腐蝕性蒸汽），性能和制造質(zhì)量要求很高，稍有不慎將造成系統(tǒng)性和災(zāi)難性事故。近十余年國內(nèi)發(fā)生的5 次發(fā)電廠高溫蒸汽管道爆炸事故可能都跟此類Cr-Mo 鋼管有關(guān) （見表1）。美國、 英國、 日本在此類鋼管應(yīng)用中亦發(fā)生過同類事故，有些事故同樣是災(zāi)難性的[2-8]。為此國際上對其成分和加工過程均有長期、 大量和反復(fù)的研究探索，其中有些爭議至今未果。目前標(biāo)準(zhǔn)中此類鋼管只允許采用無縫壓延方法制造，僅在大型彎頭制造中允許采用焊接法，但環(huán)焊縫焊接在應(yīng)用中總是不可避免的。美國焊接手冊1998 年第8 版和2011 年第9 版[1]均指明Cr-Mo 鋼可提供良好的焊接性和高淬硬性，但在第9 版給出的修改中則指明 “直到2010 年Cr-Mo鋼的填充金屬和焊接程序仍在研發(fā)中”。說明Cr-Mo 鋼的焊接技術(shù)尚不成熟，焊接裂紋敏感性高是高淬硬性的根本原因，而現(xiàn)已揭示的Cr-Mo鋼蠕變劣化，特別是焊縫熱影響區(qū)（HAZ）臨界部位的空洞化更是其致命弱點(diǎn)，如何防止或者延緩這一劣化過程已成為其成分和加工過程控制要素的研究重心。

表1 2006 年以來國內(nèi)發(fā)生的電廠蒸汽管道爆炸事故①⑥

1 Cr-Mo 鋼的化學(xué)成分和性能特征

1.1 標(biāo)準(zhǔn)化化學(xué)成分

隨著發(fā)電廠蒸汽溫度、 功率容量及效率的提高，20G 等碳鋼鋼管性能難以滿足要求。當(dāng)蒸汽溫度高于350 ℃時，Cr-Mo 鋼逐漸成為發(fā)電廠管道和鍋爐管的主流材料，并已走過了近百年的發(fā)展歷程（如圖1 所示）。1980 年以前蒸汽溫度≤540 ℃及壓力≤20 MPa （200 bar）時，主要采用w （Cr）≤2.25%，w （Mo）=0.5%～1.0%的低合金鐵素體鋼。1990 年以后進(jìn)入超臨界時代，高Cr 馬氏體鋼一度成為主體鋼種，但通過對Cr-Mo 鋼應(yīng)用中大量開裂問題的深入研究，特別是和蠕變劣化密切相關(guān)的焊縫HAZ 外緣臨界區(qū)空洞化的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)蠕變強(qiáng)度越高的T/P91 等鋼種，這種劣化（即文獻(xiàn)中所稱的Ⅳ型開裂）可能更易或更早發(fā)生。因此從延長蠕變材料使用壽命角度出發(fā), 已有文獻(xiàn)認(rèn)為提高Cr 和Mo 含量，增加高溫抗蠕變性能的途徑并非此類材料唯一的發(fā)展方向[3-4]。1990 年以后研發(fā)的T/P23 和T/P24 兩種低Cr-Mo 鐵素體鋼目前仍在廣泛應(yīng)用，圖1 中的描述需作某些修正。

圖1 電站蒸汽溫度、 壓力及鋼管材料的演變

ASME/ASTM 中的SA/A213M 和SA/A335M分別為無縫壓延軋制鋼管 （tube）和管道鋼管（pipe），表2 是其的化學(xué)成分。需要注意的是：

（1）SA/A213M 和SA/A335M 都列有17 個鋼種。除T17、 T24 和P1、 P15 沒有對應(yīng)的P或T鋼種以外，其他都是一一對應(yīng)的。文獻(xiàn)中經(jīng)常出現(xiàn)的T/P23、 T/P91 等均源于此。這些對應(yīng)的T/P 鋼種除T23 （K40712）和P23 （K41650）、T91 （K90901）和P91 （K91560）、 T122 （K91271）和P122 （K92930）的統(tǒng)一鋼號代碼有區(qū)別以外，其余的統(tǒng)一鋼號代碼都是相同的。但T/P23、T/P91、 T/P122 的標(biāo)準(zhǔn)成分實(shí)際也是相同的。

（2）包含Cr-Mo 鋼 的 鍛 件、 管 件 的SA/A182M 標(biāo)準(zhǔn)中列有上述鋼種對應(yīng)管件、 鍛件，但 只 有F5、 F9、 F11、 F12、 F21、 F22、 F23、F24、 F36、 F91、 F122 具有T/P 對應(yīng)的鋼號或相同的成分，其余成分和鋼號都不相同。

（3）SA/A387M 和SA/A542M 標(biāo)準(zhǔn)均為Cr-Mo鋼板材標(biāo)準(zhǔn)（即t≥5 mm 厚板，上限為熱處理能達(dá)到所列性能指標(biāo)，通?？蛇_(dá)75 mm 以上）SA/A387M 包含8 個鋼種，其中G21、 G22、 G9、 G91與T/P21、 T/P22、 T/P9 及T/P91 具有相同鋼號及相同標(biāo)準(zhǔn)成分，其余4 個鋼種由鋼號區(qū)別決定其成分差別。SA/A542M 包含A、 B、 C、 D、 E 五個鋼種，實(shí)質(zhì)上A、 B 就是G/（T/P）22； C、 D、 E 則是G/（T/P24）的同類鋼種，區(qū)別是某些合金元素例如V 或者Cu、 Ni、 C 的含量略有差異。

（4）SA1017M 是一項沒有對應(yīng)ASTMA 編號的Cr-Mo （-W）鋼板標(biāo)準(zhǔn)，其中包含G23、G911、G92、G122 四個鋼種且均未列出美國的統(tǒng)一鋼號。說明美國可能并不生產(chǎn)這幾類鋼板，ASTM 也未有對應(yīng)的厚板標(biāo)準(zhǔn)。

（5）歐洲、 日本和我國分別在EN 10216-2（高溫非合金和合金無縫管）、 JISG 3462 （低合金鋼鍋爐和熱交換器用無縫鋼管）和GB/T 5310（耐熱鋼無縫管）標(biāo)準(zhǔn)中列有Cr-Mo 鋼管。表3為這些標(biāo)準(zhǔn)中Cr-Mo 鋼種及與表2 的相關(guān)性。

（6）Cr-Mo 鋼 至今未見列入各國任何一個直縫焊管標(biāo)準(zhǔn)。但SA/A378M、 SA/A542M 及SA1017M 均指明用于焊接壓力容器，直縫焊管應(yīng)用實(shí)際是存在的。另外，在SA/A182M 標(biāo)準(zhǔn)的彎頭制造方法中允許采用焊接結(jié)構(gòu)，于是就有了蚌殼式甚至直縫焊管經(jīng)彎曲的Cr-Mo 鋼管彎頭，特別是大容量發(fā)電機(jī)組中從鍋爐主蒸汽出口連接到汽輪發(fā)電機(jī)的大型彎頭。例如日本研發(fā)的彎曲半徑為1 181.1 mm 的Φ787.4 mm×38.5 mm 的彎管，就是用改進(jìn)型9Cr-1Mo 鋼 （SCMV28）鋼板制成的兩段長各為1 320 mm、 1 340 mm 的兩段直縫SAW 焊管，再用環(huán)縫SAW 拼接后完成[9]。文獻(xiàn) [10]中則介紹了彎曲半徑為840 mm 的Φ568.8 mm×32 mm 的三段式直縫焊管彎頭。

（7）美標(biāo)中還另列有SA/A369M 鍛造鏜孔高溫服役鐵素體合金管道鋼管，SA/A426M 離心鑄造高溫服役鐵素體合金管道鋼管，分別以FP、 CP 為鋼種代碼標(biāo)識對應(yīng)的Cr-Mo 鋼，實(shí)際上大都包含上述鋼種 （此外在ASTM A217、 A356 等Cr-Mo鋼鑄件標(biāo)準(zhǔn)，但均未被ASME BPV 認(rèn)可采納）。

以上分析可見，Cr-Mo 鋼種的化學(xué)成分多變，但G/T/P23、 24、 91 等鋼種正在成為主流，這些鋼種的板、 管（T/P）、 管件、 鍛件標(biāo)準(zhǔn)中的化學(xué)成分大致都是相同的。

表2 ASME/ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中的Cr-Mo 鋼管化學(xué)成分①

續(xù)表

表3 GB/T 5310 中的Cr-Mo 鋼種及國外標(biāo)準(zhǔn)對照

1.2 力學(xué)性能和熱處理狀態(tài)

Cr-Mo 鋼的高淬硬性決定了其力學(xué)性能取決于熱處理狀態(tài)。表4[1]匯總了不同制品Cr-Mo 鋼的常溫力學(xué)性能下限值。從表4 可以看出：

（1）不同鋼種的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下限變化范圍很大，尤其屈服強(qiáng)度下限可達(dá)1 倍以上，但是延伸率下限卻都很低。尤其是管道鋼管和厚板，與鑄件很接近。高溫應(yīng)用的管道鋼管和厚板厚度都很大，例如t≥75 mm，因此壓延程度很低，但壁厚較小的無縫管卻例外。

（2）同鋼種的Cr-Mo 鋼力學(xué)性能也可能因熱處理狀態(tài)不同而有很大差異。表5 匯總了Cr-Mo 鋼管標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的熱處理狀態(tài)?？梢姡孩俚虲r-Mo 鋼管大多可采用退火或正火+回火態(tài)供貨，其中序號1.2 可以亞臨界退火態(tài)供貨。但P/T5b即含Ti 的5Cr-1Mo 鋼管只能以亞臨界退火態(tài)供貨。5Cr-1Mo 鋼管主要用于石油化工等高溫抗腐蝕環(huán)境，這一點(diǎn)特別值得注意。②序號13 以后的鋼種都是只能采用正火+回火態(tài)供貨，其中包括低Cr 的T/P23、 T/P24 及高Cr 的T/P91、 T/P92、T/P122、 T/P911。文獻(xiàn)中常統(tǒng)稱這些鋼種為CSEF （蠕變增強(qiáng)型鐵素體）鋼或分別稱回火貝氏體及回火馬氏體/鐵素體鋼，這些鋼是當(dāng)今Cr-Mo 鋼的主流鋼種（如圖2 所示）。③表5 匯總的熱處理參數(shù)中給出正火溫度、 回火溫度是十分重要的。但實(shí)踐中還必須精確控制溫度、 停留時間及冷卻速度。例如：對壁厚較大的焊管及tube某些鋼種必須在正火后用噴氣或浸埋入液體方式加速冷卻，即淬火方式。SA/A542M 標(biāo)準(zhǔn)因此規(guī)定為淬火+回火的Cr-Mo 或Cr-Mo-V 鋼板。而在SA/A387M、 SA/A1017M 卻都只規(guī)定用戶有要求時可以加速冷卻+回火態(tài)供貨，一般都以正火+回火態(tài)供貨。且兩者均規(guī)定還可以消應(yīng)力退火態(tài)供貨，并保證最終經(jīng)用戶正火+回火處理可以達(dá)到所規(guī)定力學(xué)性能。這些略有區(qū)分的規(guī)定原因值得思考，便于用戶作成型或焊接加工，可能是一個重要因素。以上說明Cr-Mo 鋼的成型和焊接必須首先關(guān)注其熱處理狀態(tài)，而最終的力學(xué)性能又必須通過正確的熱處理來保證。

表4 Cr-Mo 制品常溫力學(xué)性能的標(biāo)準(zhǔn)要求①

表5 Cr-Mo 鋼管的熱處理標(biāo)準(zhǔn)要求匯總①

圖2 主流鋼種及其化學(xué)成分演化

1.3 微觀組織和CCT 圖

熱處理本質(zhì)是通過固態(tài)相變控制有效的微觀組織形態(tài)來獲得所需性能。用試驗(yàn)方法測定的連續(xù)冷卻相變CCT 圖（又稱溫度時間相變TTT 圖）是正火或淬火處理的依據(jù)。圖3為1%Cr-Mo 鋼的CCT 圖，當(dāng)正火加熱到奧氏體溫度后，以不同冷卻速度冷卻時將會產(chǎn)生馬氏體或貝氏體，貝氏體即為片或條狀鐵素體+彌散狀碳化物析出，具有高蠕變強(qiáng)度和較高的韌性斷裂轉(zhuǎn)變溫度。低Cr 的Cr-Mo 鋼通常以這種組織狀態(tài)使用為妥[2-3,5]（文獻(xiàn)[1]2011 年版本中將T/P23、 T/P24 也概括為回火馬氏體鋼進(jìn)行論述，值得探討）。

CCT 圖主要取決于化學(xué)成分，但跟正火溫度及保持時間決定的奧氏體晶粒大小也有一定關(guān)系。圖4 為文獻(xiàn)中給出的T/P23、 T/P24 鋼的CCT 圖（注意每一個圖中都注明了化學(xué)成分、 正火溫度和保持時間確定的晶粒大小。成分或正火條件有變時，CCT 圖都會略有差異）。圖中所注明的硬度值或可以作為一種測定標(biāo)志。鋼管截面尺寸或板材的厚度增加時，為了獲得均勻奧氏體化，可能均需要增加高溫保持時間或加速冷卻，這是標(biāo)準(zhǔn)中給出標(biāo)注的原因。大直徑焊管尤其要注意這一點(diǎn)，大直徑厚壁鋼管熱處理難以達(dá)到均勻的溫度和冷速，微觀組織和性能控制難度較大。

圖4 T/P23、 T/P24 的連續(xù)冷卻相變CCT 圖

1.4 回火的穩(wěn)定性作用

正火或淬火組織都是短時間內(nèi)快速生成的，隨后的回火對其微觀組織穩(wěn)定性十分重要，特別是碳化物或碳氮化合物及其他穩(wěn)定或亞穩(wěn)定金屬間化合物的穩(wěn)定性彌散分布。回火必須要有足夠長的時間和恰當(dāng)?shù)臏囟?。Cr-Mo 鋼管及板材標(biāo)準(zhǔn)大多只有按鋼種規(guī)定最低回火溫度或回火溫度范圍（見表5）。但需要注意一下幾點(diǎn)：

（1）SA/A335M 中注明推薦回火溫度至少比預(yù)定服役溫度高50 ℃，因此若服役溫度在600 ℃以上的訂貨用戶應(yīng)在訂單中告訴制造商，以保證回火后所生產(chǎn)的碳化或碳氮化合物的抗回火性[3]。

（2）SA/A542M 中則注明回火時間應(yīng)至少為1.2 min/mm 板厚，且不低于30 min，最低回火溫度應(yīng)根據(jù)鋼種和抗拉強(qiáng)度分級要求進(jìn)行選擇（見表6），說明回火時間和溫度控制的重要性。

（3）API 938-B 推薦用于腐蝕性的G91 鋼制品須在760～780 ℃回火，并指明相對較高的回火溫度更有利于韌性的改善，但強(qiáng)度可能略有降低[11]。

這些提示都值得鋼管制造商參考。

表6 SA/A542M 中回火溫度對Cr-Mo 鋼力學(xué)性能影響

1.5 Cr-Mo 鋼的性能優(yōu)點(diǎn)

Cr-Mo 鋼以下3 個性能優(yōu)點(diǎn)是它成為首選耐熱鋼的原因。

圖5 Cr-Mo 鋼105 h 服役壽命蠕變斷裂強(qiáng)度-溫度曲線

圖6 以100 MPa 斷裂強(qiáng)度和105 h 壽命為設(shè)計使用溫度上限，不同Cr-Mo 鋼的最高服役溫度

圖7 T91 鋼管不同服役溫度下測定的蠕變斷裂特征

（1）高溫蠕變斷裂強(qiáng)度高，壽命持久。蠕變最終斷裂強(qiáng)度需同時以溫度和持久時間為衡量指標(biāo)。值得主要的是：①溫度提高時，蠕變斷裂強(qiáng)度總是降低的。圖5 為幾種常用Cr-Mo 鋼105h（即11 年）連續(xù)工作時間斷裂強(qiáng)度隨溫度而改變的狀況?？梢姴煌珻r-Mo 鋼種的下降斜率各不相同：T/P24 在575 ℃以下優(yōu)于T/P23，但在575 ℃以上則不及T/P23； T/P91 在600 ℃以下均優(yōu)于T/P23 及T/P24。若以100 MPa 斷裂強(qiáng)度和105h 壽命作為設(shè)計使用溫度上限，不同Cr-Mo 鋼的最高服役溫度如圖6 所示。②105h 或更持久的蠕變斷裂強(qiáng)度難以完全依靠試驗(yàn)來測定，只能以若干個較短時期的蠕變斷裂試驗(yàn)為基礎(chǔ)做外推預(yù)測。圖7 表明T91 鋼以103h 以下試驗(yàn)數(shù)據(jù)外推時，600 ℃溫度時預(yù)測105h 斷裂強(qiáng)度可以達(dá)到100 MPa，但若以3×104h 試驗(yàn)數(shù)據(jù)外推600 ℃溫度時，預(yù)測105h 斷裂強(qiáng)度僅為70 MPa。現(xiàn)有文獻(xiàn)中普遍認(rèn)為以預(yù)測壽命1/3 的蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)作外推評估是十分重要的前提[4]。③同一鋼種的Cr-Mo 鋼可因爐號不同引起的化學(xué)成分波動及加工處理過程差異造成蠕變斷裂強(qiáng)度或斷裂壽命較大的分散性。例如圖8 為Ni 含量對G91 鋼600 ℃蠕變斷裂強(qiáng)度影響的一組試驗(yàn)結(jié)果，可見降低Ni 含量對提高蠕變強(qiáng)度和壽命是有益的。表2中T/P91 鋼的Ni 含量下限為0.40%，實(shí)際上往往都低于0.30%，ASME 早已提出0.20%的修正案，但目前對此也尚有爭議[6-7]。④某一鋼種的蠕變斷裂強(qiáng)度（Sc）是溫度、 壽命及成分加工參數(shù)的多元函數(shù)，為簡化評估，文獻(xiàn)中經(jīng)常采用包含溫度和壽命的larson-miller-parameter （LMP）綜合描述的方法。圖9 為T/P23 和T/P24 兩種Cr-Mo鋼SC=f（LMP）的特征，圖中LMP=（273+TC）×（C+logtR），其中，TC為試驗(yàn)或預(yù)測溫度，（273+TC）即其絕對溫度值，tR為斷裂時間 （壽命）的試驗(yàn)或預(yù)測值，C為取決于鋼種的常數(shù)，對T/P23 和T/P24，C均為20。從圖9 可以看出這兩個鋼種的LMP特種曲線十分相近。

圖8 Ni 含量不同時T91 鋼種蠕變斷裂特征

圖9 T/P23、 T/P24 鋼蠕變斷裂強(qiáng)度（LMP 特征曲線）

采用這一方法的優(yōu)點(diǎn)是：把溫度和使用壽命歸并為一個參數(shù)，只需一條回歸曲線就可把不同使用溫度下的蠕變強(qiáng)度特征表述清楚。另外，LMP 坐標(biāo)刻度也轉(zhuǎn)換成了代數(shù)值。但對于不同使用溫度條件，后者的表達(dá)更為直觀。

（2）Cr-Mo 鋼熱物理性能參數(shù)對比見表7。由表7 可看出，Cr-Mo 鋼的導(dǎo)熱性遠(yuǎn)優(yōu)于316 等奧氏體不銹鋼，而線膨脹系數(shù)卻遠(yuǎn)低于316 鋼。這兩個參數(shù)決定了鍋爐等熱交換類應(yīng)用中能否提高系統(tǒng)工作效率，降低啟動和關(guān)機(jī)過程中的熱應(yīng)力和熱疲勞，對提高其使用壽命也非常重要。

（3）優(yōu)良的高溫抗蒸汽氧化性及耐腐蝕性。高溫蒸汽中Cr-Mo 鋼抗氧化性數(shù)據(jù)及對比見表8。由表8 可看出，Cr-Mo 鋼的抗高溫蒸汽氧化性及耐腐蝕性與Cr 含量成正比[12]。9%Cr-Mo 鋼的抗高溫氧化性優(yōu)于或等同于鐵素體不銹鋼及普通奧氏體不銹鋼 （300 系列），但略差于Ni 基合金、 優(yōu)質(zhì)奧氏體不銹鋼TP304 （FG）、 TP800 合金等?？諝庵懈邷匮趸俣冗h(yuǎn)低于高溫蒸汽，一般采用5%Cr 的Cr-Mo 鋼即可。

表7 Cr-Mo 鋼熱物理性能參數(shù)及對比[2]（600 ℃）

表8 高溫蒸汽中Cr-Mo 鋼的抗氧化性數(shù)據(jù)及對比[12]

另外，有試驗(yàn)資料表明，T24 鋼在550 ℃外推的105h 抗氧化性優(yōu)于304H 鋼在600 ℃時的氧化性[13]。這可能是T24 鋼目前廣泛應(yīng)用于超臨界鍋爐縱向焊接水冷壁翅片管的重要原因。

（未完待續(xù)）