酸性環(huán)境用低溫?zé)o縫鋼管(—50℃)的研制

涂露寒,孫立東,郭元蓉,胡茂會(huì)

(攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司,四川成都610303)

酸性環(huán)境用低溫?zé)o縫鋼管(—50℃)的研制

涂露寒,孫立東,郭元蓉,胡茂會(huì)

(攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司,四川成都610303)

從成分設(shè)計(jì)、冶煉、軋制及熱處理工藝流程等方面,詳細(xì)介紹了酸性環(huán)境用低溫?zé)o縫鋼管(—50℃)的生產(chǎn)過(guò)程。研發(fā)的鋼管從冶金質(zhì)量、化學(xué)成分、力學(xué)性能、無(wú)損檢測(cè)等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足ASTM/ASME相關(guān)規(guī)范的要求,且產(chǎn)品的低溫(—50℃)沖擊韌性和抗腐蝕性能達(dá)到石化工程的設(shè)計(jì)和使用要求,滿足眾多石化工程建設(shè)需要。

酸性環(huán)境;低溫?zé)o縫鋼管;—50℃;Gr.6;生產(chǎn)工藝

1 引言

隨著我國(guó)石化工業(yè)的發(fā)展,大型石化項(xiàng)目增加,建設(shè)步伐加快,對(duì)煉油及石油化工行業(yè)的專用無(wú)縫鋼管需求增加,尤其是低溫酸性服役環(huán)境,當(dāng)服役環(huán)境中的H2S分壓達(dá)到0.000 3MPa時(shí),對(duì)服役材料產(chǎn)生的腐蝕問(wèn)題不容忽視[1],必須選擇具備抗H2S腐蝕性能的材料。輸送低溫酸性服役介質(zhì)的管道及管件,要求其既具有良好的低溫沖擊韌性,又必須具有適應(yīng)酸性環(huán)境服役的抗H2S腐蝕性能[2—4]。故管道設(shè)計(jì)需考慮到二者兼?zhèn)洹?/p>

以下將重點(diǎn)介紹酸性環(huán)境用低溫?zé)o縫鋼管(—50℃)的研制開(kāi)發(fā)情況。

2 酸性環(huán)境用低溫?zé)o縫鋼管(—50℃)的技術(shù)要求

2.1 化學(xué)成分和力學(xué)性能的要求

依據(jù)SH/T 3059—2012《石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用規(guī)范》[5]、NACE MR0175—2003《油田設(shè)備用抗硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂和應(yīng)力腐蝕裂紋的金屬材料》[6]標(biāo)準(zhǔn)要求及石化設(shè)計(jì)院的技術(shù)規(guī)格書(shū)要求,酸性環(huán)境用低溫?zé)o縫鋼管的化學(xué)成分要求見(jiàn)表1,力學(xué)要求見(jiàn)表2。

表1 酸性環(huán)境用低溫?zé)o縫鋼管(—50℃)的化學(xué)成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))要求

表2 酸性環(huán)境用低溫?zé)o縫鋼管(—50℃)的性能要求

2.2 抗腐蝕性能要求

(1)抗氫致開(kāi)裂(HIC)試驗(yàn)采用NACE TM0284—2003標(biāo)準(zhǔn):

試驗(yàn)溶液:A溶液;

試驗(yàn)溫度:25±3℃;

試驗(yàn)時(shí)間:96h;

每個(gè)試件三個(gè)斷面的平均值不超過(guò)下列指標(biāo):裂紋長(zhǎng)度率(CLR)≤15%,裂紋厚度率(CTR)≤5%,裂紋敏感率(CSR)≤2%。

(2)抗硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SSC)試驗(yàn)按ISO 7539—2或ASTM G39標(biāo)準(zhǔn),采用四點(diǎn)彎曲試件:

試驗(yàn)溶液:NACE TM 0177 A溶液;試驗(yàn)溫度:24±3℃;試驗(yàn)加載應(yīng)力:90% SMYS;

試驗(yàn)時(shí)間:720h

試件的受拉伸面在低倍顯微鏡下放大10倍檢查,試件受拉伸面無(wú)開(kāi)裂。

3 生產(chǎn)工藝

3.1 工藝流程

通過(guò)分析石化裝置用酸性環(huán)境的低溫?zé)o縫鋼管(—50℃)的質(zhì)量要求,提出了以下生產(chǎn)工藝方案:采用LF+VD精煉工藝和控制低溫管鋼冶煉過(guò)程增碳和鋼質(zhì)純凈度的技術(shù),保證其低碳、低硫、低磷、高純凈度的冶金質(zhì)量要求[7];按規(guī)格組距優(yōu)選軋管機(jī)組和變形工藝;優(yōu)化熱處理工藝,以獲得滿足酸性環(huán)境服役特殊要求的產(chǎn)品性能。按此思路設(shè)計(jì)的基本生產(chǎn)工藝流程:冶煉→精煉→連鑄坯/鋼錠→軋管→熱處理→取樣→表面精整→水壓試驗(yàn)→無(wú)損檢測(cè)→尺寸檢查→成品包裝。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Gr.6鋼管成分框架下,重點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)低溫(—50℃)沖擊有重要影響的P、C、V、Ti成分,對(duì)屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比有影響的Mn、C含量,對(duì)抗腐蝕影響的S、Ni含量。

控制碳含量(C%),保持適量的珠光體組分,適當(dāng)提高強(qiáng)度而降低屈強(qiáng)比。由于碳對(duì)低溫韌性不利,故一般的低溫管在滿足拉伸性能指標(biāo)的前提下,要求碳含量盡可能地低。但對(duì)于酸性環(huán)境用低溫管,要求控制較低的屈強(qiáng)比,則需要兼顧低溫韌性和強(qiáng)度指標(biāo),調(diào)整原來(lái)的“低碳設(shè)計(jì)”思路,適當(dāng)提高碳含量、相對(duì)提高強(qiáng)度,從而實(shí)現(xiàn)控制屈強(qiáng)比目的。

Mn是低溫管Gr.6的主要合金元素,它增加鋼的淬透性并穩(wěn)定奧氏體組織,有利于獲得部分貝氏體,提高強(qiáng)度;但Mn又是碳化物的形成元素和強(qiáng)偏析元素,不利于提高組織的均勻性。因此Mn含量不宜過(guò)高。

嚴(yán)格控制有害元素S、P含量。S、P作為鋼中的有害元素,均會(huì)惡化Gr.6的低溫沖擊韌性,必須加以嚴(yán)格限制:S≤0.003%,P≤0.010%,從而防止氫致裂紋的產(chǎn)生和氫致裂紋的擴(kuò)展[8—9]。

微量的V、Ti元素有助于細(xì)化晶粒、提高低溫沖擊韌性,但過(guò)多的V、Ti碳化物在晶內(nèi)的彌散將導(dǎo)致鋼管韌性的降低,不利于低溫環(huán)境服役,因此應(yīng)慎用,而且必須嚴(yán)格控制范圍。

3.2.2 冶煉工藝

針對(duì)酸性環(huán)境用Gr.6鋼低碳、低硫(S≤0.003%)、低磷(P≤0.010%)鋼冶煉技術(shù)和夾雜物變性技術(shù)要求,采用“電弧爐/轉(zhuǎn)爐冶煉+LF精煉+VD真空精煉”的冶煉工藝,保證鋼質(zhì)純凈度;優(yōu)化連鑄工藝,解決低碳錳鋼發(fā)生包晶反應(yīng)導(dǎo)致鑄坯坯殼不均勻,產(chǎn)生漏鋼、凹陷及鑄坯表面裂紋的問(wèn)題;爐外精煉采用大渣量泡沫渣,中間包采用雙層低碳覆蓋劑,解決低溫管鋼冶煉過(guò)程的增碳問(wèn)題[10]。

3.2.3 制管工藝

軋制酸性環(huán)境用Gr.6,控制適當(dāng)?shù)墓芘骷訜釡囟群徒K軋溫度,既能夠保證軋管過(guò)程順利,又可防止晶粒粗大和產(chǎn)生混晶,保證鋼管性能既滿足優(yōu)良的低溫管沖擊韌性要求,又能按設(shè)計(jì)規(guī)定控制屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比;鋼坯的加熱溫度過(guò)高,不僅會(huì)造成原始晶粒粗大,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致鋼管的終軋溫度高,使軋后冷卻至相變溫度的時(shí)間較長(zhǎng)、奧氏體晶粒長(zhǎng)大充分,相變重結(jié)晶后形成的鐵素體晶粒相對(duì)于加熱溫度低的晶粒粗大,存在不均勻的混晶組織,對(duì)低溫沖擊韌性非常不利;加熱溫度過(guò)低,軋制變形的負(fù)荷升高,增加工模具消耗,同時(shí)容易發(fā)生軋卡、斷銷等故障,影響變形過(guò)程順利進(jìn)行;同時(shí)若終軋溫度過(guò)低,如完全進(jìn)入兩相區(qū)進(jìn)行變形,除了鐵素體晶粒細(xì)化提高屈服強(qiáng)度外,析出物也增加,并和先析出的鐵素體經(jīng)軋制形成變形織構(gòu)(帶狀組織),對(duì)抗腐蝕性能不利,故管坯的加熱溫度通?？刂圃谶m當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)[11—12]。同時(shí)加強(qiáng)對(duì)工模具的潤(rùn)滑,保證鋼管具有良好的表面質(zhì)量。

3.2.4 熱處理工藝

針對(duì)酸性環(huán)境用Gr.6低溫?zé)o縫鋼管既要具有良好的低溫沖擊韌性和較低的硬度及屈強(qiáng)比,同時(shí)也保證鋼管具有理想的抗腐蝕性能的特點(diǎn),設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?保證其硬度和屈服強(qiáng)度指標(biāo)規(guī)定;研究?jī)?yōu)化的低溫管熱處理工藝,控制鋼管晶粒度和鐵素體組織含量,滿足產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)指標(biāo)和控制屈服強(qiáng)度/屈強(qiáng)比/硬度等特殊性能要求[13—14]。

4 產(chǎn)品性能檢驗(yàn)結(jié)果

按酸性環(huán)境用低溫管的設(shè)計(jì)要求和ASME SA 333/SA 333M標(biāo)準(zhǔn)[15]規(guī)定,對(duì)酸性環(huán)境用低溫(—50℃)無(wú)縫鋼管Gr.6進(jìn)行化學(xué)成分、拉伸性能、沖擊韌性、硬度、屈強(qiáng)比、組織、晶粒度及高倍夾雜物評(píng)級(jí)等項(xiàng)目的檢驗(yàn);分別按NACE TM0284—2003、NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了抗氫致開(kāi)裂(HIC)試驗(yàn)和抗硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SSC)試驗(yàn)。

4.1 化學(xué)成分

酸性環(huán)境用Gr.6低溫?zé)o縫鋼管的化學(xué)成分完全滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,有害元素的實(shí)際控制水平完全滿足設(shè)計(jì)要求,而且優(yōu)于技術(shù)規(guī)范要求,其中P≤0.010%,S≤0.003%。

4.2 常溫力學(xué)性能

酸性環(huán)境用低溫(—50℃)無(wú)縫鋼管Gr.6力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果分別見(jiàn)表3。結(jié)果表明:研制的酸性環(huán)境用低溫(—50℃)無(wú)縫鋼管Gr.6的力學(xué)性能以及低溫沖擊韌性穩(wěn)定,指標(biāo)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議的規(guī)定。

表3 酸性環(huán)境用低溫(—50℃)無(wú)縫鋼管Gr.6代表規(guī)格力學(xué)性能

4.3 金相組織、晶粒度及非金屬夾雜物評(píng)級(jí)

酸性環(huán)境用低溫(—50℃)無(wú)縫鋼管Gr.6高倍檢驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表4和圖1～3。結(jié)果表明:研制的酸性環(huán)境用低溫(—50℃)無(wú)縫鋼管Gr.6的非金屬夾雜物級(jí)別優(yōu)于技術(shù)協(xié)議規(guī)定,金相組織為均勻的鐵素體+珠光體,鐵素體含量控制在70%以上,有利于保證其屈強(qiáng)比低于0.75。典型金像組織見(jiàn)圖1～3。

表4 酸性環(huán)境用低溫(—50℃)無(wú)縫鋼管Gr.6高倍檢驗(yàn)結(jié)果

4.4 抗腐蝕檢測(cè)

(1)抗氫致開(kāi)裂(HIC)試驗(yàn)

采用NACE TM0284—2003標(biāo)準(zhǔn),試驗(yàn)溶液:A溶液,試驗(yàn)時(shí)間:96h,試驗(yàn)溫度:25± 3℃。一套抗氫致開(kāi)裂(HIC)試驗(yàn)用試樣含三個(gè)試件,每個(gè)試件三個(gè)斷面的各個(gè)最大允許平均比率均符合下列驗(yàn)收極限:

裂紋長(zhǎng)度率(CLR)=0,裂紋厚度率(CTR)=0,裂紋敏感率(CSR)=0。

目前,酸性環(huán)境用低溫(—50℃)無(wú)縫鋼管Gr.6已在國(guó)內(nèi)中石化洛陽(yáng)工程有限公司的哈薩克斯坦項(xiàng)目、中國(guó)石油云南煉化項(xiàng)目、中海石油寧波大榭石化加氫裝置、神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)煤炭間接液化項(xiàng)目、中天合創(chuàng)鄂爾多斯煤炭深加工示范項(xiàng)目高壓臨氫裝置等項(xiàng)目上進(jìn)行了使用,以及出口到加拿大、韓國(guó)、伊朗等國(guó)外石化項(xiàng)目。這不僅滿足了石化工業(yè)發(fā)展的需要,也提高了國(guó)產(chǎn)抗腐蝕低溫管Gr.6的質(zhì)量水平,其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。產(chǎn)品整體技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

圖1 Gr.6無(wú)縫鋼管組織F(85%)+P(15%)F晶=7.5級(jí)

圖2 Gr.6無(wú)縫鋼管組織F(90%) +P(10%)F晶=8.0級(jí)

圖3 無(wú)縫鋼管組織F(90%)+P(5—10%) F晶=8.5～9.0級(jí)

[1] 全國(guó)石油鉆采設(shè)備和工具標(biāo)注化技術(shù)委員會(huì). GB/T 20972.2—2008石油天然氣工業(yè)_油氣開(kāi)采中用于含硫化氫環(huán)境的材料_第2部分:抗開(kāi)裂碳鋼、低合金鋼和鑄鐵)要求[S].2008.

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[6] 美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì).NACE MR0175—2003油田設(shè)備用抗硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂和應(yīng)力腐蝕裂紋的金屬材料[S].2003.

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[15]美國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì).ASME SA 106—2013低溫用及其他規(guī)定缺口韌性用途的無(wú)縫和焊接公稱鋼管[S].2013.

Development of Low-temperature Seamless Steel Tube(—50℃)for Sour Service

TU Lu-han,SUN Li-dong,GUO Yuan-rong,HU Mao-hui

(Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.,Ltd.,Chengdu,610303,China)

Describing here is the manufacturing process of low-temperature seamless steel tubes (—50℃)for sour service in respect of composition design,smelting,rolling and heat treatment processes.The indexes of steel tubes developed comply with relevant specification in metallurgical quality,chemical composition,mechanical property,NDT,etc.The products meet the design and operating requirements of petrochemical engineering in low-temperature(—50℃) impact toughness and anti-corrosion performance,and also meet the demand for numerous petrochemical projects.

sour service;low-temperature seamless steel tube;—50℃;Gr.6; manufacturing process

1001—5108(2016)03—0021—05

TG142.79

A

涂露寒,學(xué)士,主要從事無(wú)縫鋼管新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。