高壓加氫大口徑厚壁無縫鋼管制造工藝探討

張賢江， 徐 奇， 吉 祥

(江蘇武進(jìn)不銹股份有限公司， 江蘇 常州 213111)

引 言

加氫技術(shù)最早起源于20世紀(jì)20年代德國的煤和煤焦油加氫技術(shù)。20世紀(jì)50年代，中國就已經(jīng)對加氫技術(shù)進(jìn)行了研究和開發(fā)，隨著國內(nèi)加氫技術(shù)的發(fā)展，越來越多煉油煉化企業(yè)青睞加氫技術(shù)，因此對于高壓加氫裝置用奧氏體不銹鋼管的采購需求日益增大。由于高壓加氫管道要求難度較高，此前大部分的煉油煉化企業(yè)對于加氫管道的采購源于國外企業(yè)，特別是大口徑厚壁鋼管。隨著近年來國內(nèi)管道制造技術(shù)的飛躍發(fā)展以及國內(nèi)裝備水平的提高，國內(nèi)涌現(xiàn)出一批不銹鋼制造企業(yè)的領(lǐng)頭羊，已經(jīng)具備了高壓加氫裝置用奧氏體不銹鋼管的制造能力，并且質(zhì)量性能不遜于國外相關(guān)企業(yè)。

1 大口徑厚壁管制造要求探討

1.1 原材料選擇與制造

在連多硫酸應(yīng)力腐蝕環(huán)境下，可能產(chǎn)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂，故奧氏體不銹鋼應(yīng)選用超低碳或穩(wěn)定化型不銹鋼。國內(nèi)外加氫裝置高溫部分的管道均選用穩(wěn)定化型不銹鋼，尤其以含Nb的347型和含Ti的321型奧氏體不銹鋼應(yīng)用最為廣泛。在此基礎(chǔ)之上，考慮到腐蝕開裂的可能性，因此規(guī)定對于原材料中的P、S含量一般會(huì)要求在0.030%及0.015%以下。

對于冶煉，目前，高壓加氫不銹鋼管主要使用二步法生產(chǎn)，二步法是指電爐與VOD(真空吹氧脫碳)或AOD(氬氧脫碳)任意一種精煉方式相結(jié)合。對于部分管道對非金屬等有嚴(yán)格要求的，可以在二步法的基礎(chǔ)上增加電渣重熔等其他精煉方式。

管坯的制造允許采用模鑄、連鑄后熱軋(鍛)的方法。為保證管坯能有一個(gè)充分的變形量，以便去除管坯中的組織疏松等缺陷，使管坯組織致密，因此對于高壓加氫管道管坯，規(guī)定總的管坯制造過程中的加工變形總延伸系數(shù)(鍛造比或者軋制比等)不小于3。

1.2 鋼管的制造方法

目前，國內(nèi)及國際上普遍使用的不銹鋼無縫鋼管的加工方式大范圍分為冷加工及熱加工。

冷加工主要分為冷軋及冷拔工藝，兩種工藝是在現(xiàn)有荒管(如熱穿孔荒管、熱擠壓荒管、熱鍛管等)的基礎(chǔ)之上，再次進(jìn)行二次加工，通過對材料的冷變形及后續(xù)固溶熱處理，使得管材獲得最佳理化性能熱加工主要有：熱軋、熱擠壓、熱鍛等，主要是利用金屬材料在高溫下具有較好塑性的特點(diǎn)，從而制造出成品熱加工不銹鋼無縫管。

目前對此高壓加氫的不銹鋼管材，國內(nèi)主要采用的“熱穿孔+冷軋”的方式進(jìn)行生產(chǎn)，國外采用熱擠壓、熱鍛的方法。

1.3 熱處理

對于奧氏體不銹鋼，采用固溶熱處理的方式進(jìn)行，通過合理控制固溶處理溫度和保溫時(shí)間，即可獲得理想的晶粒度尺寸、力學(xué)性能和耐腐蝕性能。對含Ti，Nb等穩(wěn)定化元素的奧氏體不銹鋼，在固溶熱處理的基礎(chǔ)之上，會(huì)增加穩(wěn)定化熱處理。將含穩(wěn)定化元素(Nb、Ti等)的管材加熱到敏化溫度以上，長時(shí)間保溫，使得Cr23C6等鉻的碳化物分解回溶，并使C與Nb等穩(wěn)定化元素結(jié)合，形成細(xì)小彌散的NbC顆粒，避免晶界貧鉻區(qū)的形成，進(jìn)而提高材料耐蝕性能的熱處理過程[4]。鋼管固溶后進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理的溫度通常為850-900 ℃。

1.4 力學(xué)性能及工藝性能

對于力學(xué)性能除滿足常規(guī)一般室溫性能外，結(jié)合高壓加氫裝置的特點(diǎn)，針對加氬管道高溫狀況，對于高壓加氫的管道用321及347型管道，強(qiáng)制規(guī)定500 ℃拉伸試驗(yàn)塑性延伸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取自ASME BPVC Section II Part D中規(guī)定值。

對于管材延展性性能的檢驗(yàn)，考查材料的塑性要求，一般采用“兩步法”壓扁試驗(yàn)進(jìn)行，但對于外徑>600 mm或壁厚與外徑之比大于15%的管材，考慮經(jīng)濟(jì)性及可操作性，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際技術(shù)條件要求可采用彎曲試驗(yàn)代替壓扁試驗(yàn)來進(jìn)行。

1.5 金相組織

綜合鋼管壁厚、加工方式、室溫強(qiáng)度和高溫蠕變強(qiáng)度等方面的因素，規(guī)定對于07Cr19Ni11Ti，07Cr18Ni11Nb等H級別鋼管的平均晶粒度為4-7級，其他牌號(hào)晶粒度應(yīng)為4級或更細(xì)。所有牌號(hào)晶粒度級差應(yīng)不超過3級，級差定義為晶粒度最大值與最小值的計(jì)算差(舉例最大晶粒度8級，最小晶粒度6級，級差為8-6=2級)。

對于管材非金屬夾雜的要求，根據(jù)國內(nèi)不銹鋼煉鋼企業(yè)的基本煉鋼水平，以及高壓加氫裝置特點(diǎn)，考慮成本，以及后續(xù)加工對于非金屬夾雜物的變化規(guī)律，對于最終成品管的非金屬夾雜物進(jìn)行規(guī)定一般如表1所示。

表1 非金屬夾雜物指標(biāo)(GB/T 10561—2005 A法)/級

1.6 耐壓性能

對于高壓加氫管道都要進(jìn)行水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)計(jì)算方式P=2SR/D，計(jì)算公式中允許應(yīng)力應(yīng)為規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度最小值的50%-60%進(jìn)行，具體按照實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求執(zhí)行，最大試驗(yàn)壓力為19 MPa，試驗(yàn)壓力保持時(shí)間不少于10 s，鋼管不出現(xiàn)滲漏為合格標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)為保證氯離子含量對管材最終性能的影響，因此對于水壓試驗(yàn)，國內(nèi)外水壓試驗(yàn)對于水壓水質(zhì)要求，包括標(biāo)準(zhǔn)GB 50235標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于不銹鋼水質(zhì)要求為25×10-6及以下。

1.7 無損檢測

根據(jù)高壓加氫裝置要求，考慮其裝置重要性，因此需對成品管道進(jìn)行無損檢測，結(jié)合現(xiàn)有管道無損檢測技術(shù)，管道需按照GB/T 5777等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)，鋼管進(jìn)行縱向缺陷和橫向缺陷超聲波探傷檢測，槽深度等級應(yīng)為L2，最小深度應(yīng)為0.2 mm，同時(shí)結(jié)合實(shí)際及GB/T 5777，GB/T 40297-2021標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)壁厚不大于40 mm時(shí)，槽最大深度應(yīng)為1.0 mm，當(dāng)壁厚大于40 mm時(shí)，槽最大深度應(yīng)為1.5 mm。當(dāng)使用環(huán)境特別苛刻時(shí)，可增加直探頭超聲波檢測，檢測分層缺陷。

對于滲透檢驗(yàn)，鋼管的外表面、端部及可達(dá)內(nèi)表面應(yīng)進(jìn)行液體滲透檢測，液體滲透檢測應(yīng)符合NB/T 47013.5-2015的規(guī)定，并按其他部件的質(zhì)量等級Ⅰ級驗(yàn)收。

2 結(jié)束語

高壓加氫裝置由于其使用環(huán)境高硫、高氫的特殊性，因此加氫管道的制造及檢驗(yàn)非常重要，需從原材料的選擇、加工制造的方式、熱處理、檢驗(yàn)試驗(yàn)等方面按照標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)文件嚴(yán)格把控各個(gè)環(huán)節(jié)，保證高壓加氫裝置用管的質(zhì)量。