超超临界机组用Sanicro25大口径钢管制造工艺学习体会

文献概况与研究背景

本文出自《锻压技术》2025年第50卷第3期，由内蒙古北方重工业集团有限公司的六位工程师联合撰写，聚焦于先进超超临界发电机组用Sanicro25大口径厚壁无缝钢管的制造工艺。在"双碳"战略驱动下，600℃以上超超临界燃煤机组对锅炉过热器、再热器用管的耐热性、抗氧化性和组织稳定性提出了前所未有的要求。Sanicro25钢作为典型的Fe-Cr-Ni系奥氏体耐热钢，其核心合金元素Cr（22%~25%）和Ni（17%~20%）赋予其优异的高温抗氧化与抗蠕变性能，被广泛应用于锅炉末级过热器和末级再热器的关键部位。

传统上，Sanicro25管的规格范围多在Φ25~Φ114 mm之间，而本文试制的Φ500 mm×Φ335 mm×3000 mm大口径厚壁管，属于业内罕见的大规格产品，其壁厚达82.5 mm，内外径比约为0.67，这对挤压工艺的控制、后续热处理制度的制定以及力学性能的均匀性保证都带来了极大挑战。

核心工艺路线与关键技术参数

垂直挤压工艺的优势

北方重工采用3.6万吨垂直挤压机完成该规格的试制，这一选择具有深刻的工程逻辑。相较于卧式挤压，垂直挤压在以下方面具有显著优势：

• 载荷分布均匀：垂直方向施压，挤压变形力沿管壁径向均匀分布，有利于厚壁管的均匀变形，减少壁厚不均和偏心缺陷。
• 模具设计简化：垂直挤压的凹模和芯棒结构简单，模具寿命较长，尤其适合大规格厚壁管的成形。
• 材料利用率较高：垂直挤压的挤压比可控范围较宽，对于大规格管材，可通过合理选择坯料尺寸和模具参数，实现较高的材料利用率。

固溶处理制度的优化

文献给出了两种固溶处理制度：1180℃×30 min和1180℃×60 min。从Sanicro25钢的相变特性来看，其固溶温度窗口通常在1150~1200℃之间，低于此温度则δ-铁素体无法完全溶解，高于此温度则晶粒过度长大，且可能导致碳氮化物析出。1180℃正处于该窗口的中间偏上位置，是较为合理的选择。

下表对比了两种固溶制度的性能差异：

从数据来看，30 min和60 min两种保温时间的性能差异非常有限，这说明在1180℃温度下，δ-铁素体的溶解和碳化物的固溶在30 min内已基本完成，延长至60 min并未带来显著的性能提升，反而因晶粒长大导致冲击功略有下降。这一发现对工程实践具有重要指导意义——在保证性能的前提下，缩短保温时间可以降低能耗和生产周期。

横纵向性能差异的深度分析

文献特别指出，大口径厚壁管的纵向力学性能和冲击性能达到了交货态小口径管的水平，但横纵向冲击性能相差较大。这一现象需要从金属纤维流线和微观组织两个层面进行理解。

金属纤维流线的形成机制

在挤压成形过程中，金属坯料经历剧烈的塑性变形，晶粒沿变形方向被拉长，形成所谓的"金属纤维"。这种纤维结构在纵向（沿挤压方向）上表现为连续的流线，而在横向和环向上则被切割。从断裂力学的角度来看：

• 纵向试样：裂纹扩展方向与纤维方向一致，裂纹扩展需要克服的晶界阻力较小，但由于纤维的连续性，裂纹扩展路径相对规则，裂纹扩展速率较低，因此冲击韧性较高。
• 横向试样：裂纹扩展方向垂直于纤维方向，裂纹需要穿越晶界和晶内组织，裂纹扩展路径曲折，但由于纤维的横向连接较弱，裂纹一旦萌生便容易快速扩展，导致冲击韧性降低。

大口径管的特殊性

对于大口径厚壁管，由于壁厚较大（82.5 mm），在挤压过程中壁厚方向的变形梯度更为显著。靠近外壁的金属材料经历较大的径向压缩和切向拉伸，而靠近内壁的金属材料变形程度不同，导致壁厚方向的微观组织存在梯度变化。这种梯度变化在横截面上表现为组织的不均匀性，进一步加剧了横纵向性能的差异。

从工程应用的角度来看，锅炉用管在服役过程中承受的是内压、热应力和弯矩的复合载荷，其应力状态是三维的。横纵向性能差异意味着管子在承受环向应力和轴向应力时，其断裂行为存在显著差异。在实际运行中，如果管子发生裂纹萌生，裂纹的扩展方向将受到金属纤维流线的强烈影响，这要求在设计和安全评估时充分考虑这一因素。

工程实践启示与思考

固溶处理制度的工程选择

基于文献数据，对于大口径Sanicro25管的固溶处理，建议采用1180℃×30~45 min的制度。理由如下：

1. 30 min已能保证δ-铁素体的充分溶解和碳化物的固溶，性能指标满足标准要求。
2. 缩短保温时间可以减少晶粒长大，有利于保持较好的冲击韧性。
3. 从能耗和生产效率的角度来看，缩短保温时间是有益的。

但需要注意的是，上述结论是基于单次试验数据得出的。在实际生产中，由于坯料尺寸、加热温度均匀性、炉内气氛等因素的影响，固溶处理的实际效果可能存在波动。建议在生产中采用多次验证试验，确保制度的稳定性。

横纵向性能差异的应对策略

针对横纵向冲击性能差异较大的问题，从工艺角度可以考虑以下措施：

• 优化挤压工艺参数：适当提高挤压比，增加坯料的塑性变形程度，有助于细化晶粒和改善纤维流线的连续性，从而减小横纵向性能差异。
• 引入中间退火工序：在挤压后、固溶前增加一次中间退火，可以部分消除挤压变形引入的织构，改善组织的各向同性。
• 细化晶粒处理：通过控制固溶温度和保温时间，或在固溶后增加等温处理工序，进一步细化晶粒。

大规格管材的质量控制要点

对于大口径厚壁Sanicro25管，质量控制应重点关注以下方面：

• 表面质量：大规格管的表面缺陷（如裂纹、折叠、结疤等）更为隐蔽，需要采用更严格的表面检测方法，如磁粉检测（MT）和渗透检测（PT）的组合。
• 壁厚均匀性：大规格管的壁厚偏差直接影响其承压能力和使用寿命，需要在挤压后和热处理后进行严格的壁厚测量。
• 金相组织：由于壁厚较大，管壁不同深度的组织可能存在差异，建议在壁厚方向上取多个位置进行金相分析，确保组织的均匀性。
• 力学性能：按照标准在管子的不同部位（如1/4壁厚、1/2壁厚、3/4壁厚处）取样进行力学性能试验，确保性能的一致性。

学习心得与展望

本文的核心价值在于展示了国内企业在超大规格Sanicro25管制造方面的技术积累和工程能力。Φ500 mm×Φ335 mm×3000 mm的规格在业内极为罕见，其成功试制标志着我国在大规格奥氏体耐热钢管制造领域取得了重要突破。

从技术层面来看，本文揭示了一个值得深入研究的课题：大规格厚壁管的横纵向性能差异问题。这一问题不仅存在于Sanicro25管，也广泛存在于其他大规格厚壁钢管中。理解并控制这一差异，对于提高大规格管材的服役可靠性和安全性具有重要意义。

从工程应用的角度来看，随着超超临界机组向更高参数（如700℃级）发展，对锅炉用管的性能要求将进一步提高。大规格管材的制造工艺需要与更先进的材料设计、更精密的成形技术和更严格的质量控制相结合，才能满足未来机组的需求。

总体而言，本文为大规格奥氏体耐热钢管的制造工艺提供了宝贵的数据支撑和工程经验，值得同行技术人员深入学习和借鉴。