鈮元素在制氫管線中的強(qiáng)化應(yīng)用

鄧建勇 李 聰 任峻冬

（中國(guó)石油大港石化公司 天津）

一、失效形式與強(qiáng)化類型

轉(zhuǎn)化爐管長(zhǎng)期處于高溫下工作（750～900℃），最主要的失效形式為高溫下的蠕變。而中變氣管線在常溫及中溫環(huán)境下工作（150～260℃），主要失效形式為開裂。針對(duì)這兩種失效形式，Nb元素的加入主要體現(xiàn)了在鉻-鎳奧氏體不銹鋼中的彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化2種作用。

二、NbC的產(chǎn)生與作用

Nb元素對(duì)不銹鋼的強(qiáng)化基本原理來自于它在金屬中對(duì)C元素的強(qiáng)大的親和作用。不銹鋼中的裂紋失效主要是Cr元素與C結(jié)合，形成了Cr23C6這種碳化析出物，致使不銹鋼晶界部分局部出現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象，與母材金屬產(chǎn)生了電位差，最終導(dǎo)致腐蝕失效。如將各種元素按與碳的親和力大小排列，順序?yàn)門i、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn。由此可見Nb元素對(duì)C的親和作用位于Cr前面，它的加入能起到了一定的“丟鈮保鉻”作用。由于Cr23C6的形成主要在650℃左右，而NbC的形成主要在920℃左右，所以在加入鈮元素時(shí)，還要配以920℃以上的穩(wěn)定化熱處理，將Cr23C6全部轉(zhuǎn)化為性質(zhì)相對(duì)更加穩(wěn)定的NbC方能起到“保鉻”作用。

加入Nb元素并穩(wěn)定化熱處理后的不銹鋼在熱加工時(shí)，即使局部熱影響區(qū)達(dá)到Cr23C6的形成溫度，Nb（C、N）的穩(wěn)定性也能有效減免Cr23C6的析出，并可大幅減少奧氏體中固溶碳的濃度，從而保證了不銹鋼熱加工之后也不失去原有的強(qiáng)化性能。

中變氣管線工作溫度雖然在150～260℃，但是TP304材料管線焊接過程中局部溫度可達(dá)1000℃以上，晶間析鉻在所難免，將原有TP304不銹鋼材料升級(jí)為TP347并熱處理后，能有效避免出現(xiàn)焊道熱影響區(qū)的裂紋失效。

三、細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理及應(yīng)用

穩(wěn)定碳化物NbC的存在是Nb元素對(duì)不銹鋼細(xì)晶強(qiáng)化的關(guān)鍵。通過細(xì)化晶粒而使金屬材料力學(xué)性能提高的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。細(xì)晶粒受到外力發(fā)生塑性變形可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，塑性變形較均勻，應(yīng)力集中較?。淮送?，晶粒越細(xì)，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴(kuò)展。細(xì)化晶粒的方法有多種，比如加入更多的成核微粒，提供更多的形成晶粒的場(chǎng)所，從而細(xì)化晶粒；提高過冷度也是方法之一，機(jī)械震蕩或者電磁振蕩也能抑制晶粒長(zhǎng)大，從而細(xì)化晶粒，再一種就是類似Nb（C、N）的存在，可以起到釘扎晶界的作用，抑制晶粒長(zhǎng)大，實(shí)現(xiàn)晶粒的細(xì)化。

四、彌散強(qiáng)化機(jī)理及應(yīng)用

所謂彌散強(qiáng)化，就是使金屬基體（金屬或固溶體）中含有高度分散的第二相質(zhì)點(diǎn)而達(dá)到提高強(qiáng)度的目的。彌散強(qiáng)化機(jī)構(gòu)的代表理論是位錯(cuò)理論。在彌散強(qiáng)化材料中，彌散相是位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的障礙，位錯(cuò)線需要較大的應(yīng)力才能克服障礙向前移動(dòng)，所以彌散強(qiáng)化材料的強(qiáng)度高。

第二相粒子可以有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。第二相粒子越細(xì)小，粒子越彌散，其間距越小，則強(qiáng)化效果越好。合金元素的作用主要是為造成均勻彌散分布的第二相粒子提供必要的成分條件。例如，在高溫回火條件下，要使碳化物呈細(xì)小均勻彌散分布，并防止其聚集長(zhǎng)大，需要往鋼中加入碳化物形成元素Ti、V、Zr、Nb、Mo、W 等元素。Nb（C，N）是典型的金屬碳化物沉淀相，它的晶格擁有穩(wěn)定的立方結(jié)構(gòu)。無論是馬氏體，還是奧氏體耐熱不銹鋼，Nb（C，N），Cr23C6，等的碳化物對(duì)于沉淀強(qiáng)化是必需的。隨著在工作溫度下析出沉淀相Cr23C6，在蠕變過程中起釘扎位錯(cuò)阻止滑移的作用，但易導(dǎo)致出現(xiàn)貧鉻，加入Nb后，高溫析出Nb（C，N）能更好的保護(hù)管材，同時(shí)提高抗蠕變性。

不銹鋼中加入鈦和鈮，在一定條件下彌散析出Fe2Ti和Fe3Nb2金屬間化合物，鋼的高溫強(qiáng)度也會(huì)有所提高。

轉(zhuǎn)化爐管要承受高溫和內(nèi)部壓力并存的工作狀態(tài)，還要經(jīng)歷開停工的溫度和壓力變化等各種運(yùn)行狀態(tài)，蠕變失效在所難免，Cr25Ni35Nb-Ti材料中的Nb和Ti可以有效地延長(zhǎng)爐管使用壽命，降低蠕變的可能性與風(fēng)險(xiǎn)性。

五、結(jié)語

鈮元素作為合金成分添加到不銹鋼中能有效地改善鋼材的機(jī)械性能，提高鋼管的常溫抗裂變性與高溫的抗蠕變性。而在不同的工作環(huán)境下，為鋼材選擇適當(dāng)?shù)奶砑釉啬芮袑?shí)地保證裝置的安全平穩(wěn)生產(chǎn)。