Φ720 mm 斜軋擴(kuò)徑機(jī)組生產(chǎn)薄壁P11 無縫鋼管工藝探討

高瑞全，趙慶權(quán)，何 彪，張俊萍，王立志

（天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

近年來，國內(nèi)外新建和改擴(kuò)建大型石化項(xiàng)目的快速發(fā)展，相繼建設(shè)了大連長興島恒力石化、浙江舟山石化及連云港盛虹石化等項(xiàng)目，石化專用合金無縫鋼管需求不斷增長，其中高溫用大直徑薄壁P11 無縫鋼管是典型品種之一。P11 為鐵素體耐熱鋼，通過添加1.25%的Cr 及0.5%~1.0%的Si，使鋼具有較強(qiáng)的抗氧化性能，同時(shí)通過添加0.5%左右的Mo，提高了該鋼種的高溫強(qiáng)度，可安全穩(wěn)定應(yīng)用于石油化工裝備［1-2］。

由于石化用大直徑薄壁P11 無縫鋼管的壁徑比S/D 小，且回火脆性敏感性系數(shù)（X-bar、J 值）要求嚴(yán)格，化學(xué)成分控制范圍窄，造成冶煉以及軋制過程比較困難。對于大直徑薄壁鋼管，由于變形量大，國際上幾乎沒有適合軋制該產(chǎn)品的連軋管機(jī)組，而采用推制式擴(kuò)管工藝生產(chǎn)大直徑薄壁鋼管，由于熱擴(kuò)變形過程中外表面沒有約束力，鋼管徑向變形為拉應(yīng)力變形，制管時(shí)會(huì)將母管的缺陷擴(kuò)大，使原有軋制緊密的金相結(jié)構(gòu)變得疏松，從而影響了鋼管的安全使用［3］。采用該工藝生產(chǎn)的大直徑無縫鋼管，石化行業(yè)一般不建議在450 ℃以上的環(huán)境中使用。

這里介紹了采用連鑄圓管坯，利用天津鋼管制造有限公司（簡稱天津鋼管）Φ720 mm 斜軋擴(kuò)徑工藝，生產(chǎn)出符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的Φ610 mm×14.27 mm 大直徑薄壁P11 無縫鋼管的過程。

1 大直徑薄壁P11 鋼管生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)的P11 鋼管規(guī)格為Φ610 mm×14.27 mm。生產(chǎn)工藝流程：EAF 電弧爐+LF 精煉爐+VD 真空精煉爐+連鑄→環(huán)形爐加熱+穿孔+Φ460 mm PQF 三輥連軋管+定徑+探傷→坯管加熱+Φ720 mm 斜軋擴(kuò)徑機(jī)組斜軋擴(kuò)徑+均整+定徑+超聲波探傷→熱處理+性能檢驗(yàn)+修磨+探傷+水壓+人工檢驗(yàn)+入庫。

（1） 煉鋼。采用優(yōu)質(zhì)廢鋼或返回料+鐵水冶煉P11 原料，煉鋼過程除精確控制合金元素外，尤其對S、P 以及五害元素進(jìn)行嚴(yán)格控制，以滿足回火脆性敏感性系數(shù)（X-bar、J 值）要求；同時(shí)對于VD的高真空脫氣時(shí)間以及喂絲后的弱攪時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格要求，保證鋼中的夾雜物充分上浮。

（2） 軋管。國內(nèi)外生產(chǎn)大直徑薄壁鋼管均存在困難，天津鋼管結(jié)合自身特點(diǎn)，采用Φ460 mm PQF 熱軋母管，再經(jīng)Φ720 mm 斜軋擴(kuò)徑機(jī)組斜軋至成品規(guī)格。Φ720 mm 斜軋擴(kuò)徑機(jī)組的原材料管為Φ460 mm PQF 熱軋坯管。坯管加熱后，經(jīng)過斜軋擴(kuò)徑、均整、定徑三道次熱變形后，軋制至成品鋼管。由于該三道次變形外表面均有輥約束，因此鋼管的徑向變形為壓應(yīng)力變形，鋼管組織更加致密，有益于鋼管的高溫使用性能。

（3） 熱處理。步進(jìn)梁式連續(xù)熱處理爐采用獨(dú)特的燃燒器布局，爐溫控制均勻，且由于鋼管旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，管體受熱也均勻，從而保證鋼管管體及管端性能均勻性。經(jīng)過前期小試樣熱處理數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合爐況，將熱處理工藝定為950 ℃正火+700 ℃回火。

2 產(chǎn)品性能分析

2.1 化學(xué)成分

經(jīng)成品鋼管化學(xué)成分分析，該批P11 鋼管的化學(xué)成分符合ASTM A 335/A 335M—2018《高溫用無縫鐵素體合金鋼公稱管標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)條件》要求；五害元素含量也較低，鋼的純凈度好，檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 P11 鋼管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢驗(yàn)結(jié)果 %

2.2 幾何尺寸

對鋼管進(jìn)行了外徑和壁厚偏差的測量，在抽取的鋼管上進(jìn)行了4 個(gè)截面的幾何尺寸檢測，P11 鋼管外徑檢測結(jié)果見表2。從表2 可以看出，軋制后鋼管的幾何尺寸偏差完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 室溫力學(xué)性能及工藝性能

大直徑薄壁P11 無縫鋼管室溫拉伸試樣采用縱向試樣，試驗(yàn)方法執(zhí)行ASTM A 370—2017《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》。P11無縫鋼管室溫拉伸性能見表3。

表2 P11 無縫鋼管外徑檢測結(jié)果

表3 P11 無縫鋼管室溫拉伸性能

ASTM A 335/A 335M 標(biāo)準(zhǔn)雖沒有要求P11 鋼管的沖擊功、硬度，通過對Cr-Mo 鋼研究認(rèn)為，沖擊功可表征夾雜物的控制水平，硬度可表征鋼管性能均勻性。檢測數(shù)據(jù)表明，P11 鋼管沖擊功高且穩(wěn)定，硬度適中，說明鋼管純凈度高，性能穩(wěn)定。

2.4 金相組織、晶粒度、非金屬夾雜物

非金屬夾雜物對鋼的斷裂韌性、熱脆性、塑性、抗疲勞性、耐腐蝕性尤其是高溫性能有很大影響［4］，而合理的組織和晶粒度則保證了鍋爐管長時(shí)間在高溫下工作的安全性。

對天津鋼管生產(chǎn)的P11 無縫鋼管進(jìn)行了夾雜物、組織及晶粒度分析。分析結(jié)果：A 類細(xì)系和D類細(xì)系非金屬夾雜物級別均為0.5 級，其他夾雜物級別為0 級；鋼管內(nèi)、中、外組織均為鐵素體+珠光體及少量貝氏體，晶粒度為7.5 級，并且無帶狀組織出現(xiàn)。P11 無縫鋼管金相組織如圖1 所示。

圖1 P11 無縫鋼管金相組織

2.5 韌脆轉(zhuǎn)變溫度

短時(shí)高溫性能反映鋼在一定溫度下的抗變形能力，同時(shí)也反映鋼的高溫塑性，是衡量鋼的另一重要指標(biāo)。采用系列沖擊的方法對產(chǎn)品P11 無縫鋼管進(jìn)行韌脆轉(zhuǎn)變溫度測定，測出韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-43.5 ℃，P11 無縫鋼管轉(zhuǎn)變溫度曲線如圖2 所示。

圖2 P11 無縫鋼管韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線

2.6 持久強(qiáng)度試驗(yàn)

持久強(qiáng)度是石化高溫高壓部件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，是耐熱鋼最重要的性能指標(biāo)之一。因此，按照GB/T 2039—1997《金屬拉伸蠕變及持久試驗(yàn)方法》，在RD2-3 型試驗(yàn)機(jī)上對P11 無縫鋼管進(jìn)行了540 ℃下的持久強(qiáng)度試驗(yàn)［5-7］，各加載應(yīng)力下的斷裂時(shí)間見表4，持久強(qiáng)度外推曲線如圖3 所示。通過采用Origin 軟件進(jìn)行持久強(qiáng)度σ 外推，其外推方程為：

通過計(jì)算，外推105h 的持久強(qiáng)度為66.1 MPa，具有很高的持久強(qiáng)度。

表4 不同應(yīng)力下的斷裂時(shí)間

圖3 持久強(qiáng)度外推曲線

3 結(jié) 語

天津鋼管采用Φ720 mm 斜軋擴(kuò)徑機(jī)組生產(chǎn)的大直徑薄壁P11 無縫鋼管的各項(xiàng)性能完全符合ASTM A 335/A 335M 標(biāo)準(zhǔn)要求，其顯微組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，組織均勻，鋼質(zhì)純凈度高，脆性轉(zhuǎn)變溫度為-43.5 ℃左右；Φ610 mm×14.27 mm P11 無縫鋼管尺寸高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，可廣泛應(yīng)用于各石化項(xiàng)目。