高 虹， 朱國良， 朱 琦， 沈衛(wèi)強， 陸訓(xùn)偉， 李 軼， 丁金賢

(江蘇武進不銹股份有限公司，江蘇 常州 213111)

引 言

隨著中國石油煉化裝置大型化、規(guī)?；捇惑w化、產(chǎn)業(yè)集群化繼續(xù)發(fā)展，石油煉制技術(shù)水平不斷提升，加工不同原油的適應(yīng)性能力繼續(xù)加強。在加氫裂化、渣油加氫、催化裂化、加氫精制、催化重整等方面都擁有一系列自主技術(shù)，并在部分領(lǐng)域達到世界一流的水平。促進了煉化設(shè)備關(guān)鍵裝置的發(fā)展，特別是作為煉油核心設(shè)備的加氫精制、加氫裂化或渣油加氫等加氫裂化裝置已成為煉油廠的重要組成。加氫裂化裝置一般工作溫度為400 ℃左右，壓力為10～15 MPa及在有氫氣和硫化氫等存在的條件下運行，所用材質(zhì)需具備耐高壓、耐高溫、耐腐蝕等特性，是煉油設(shè)備中對材質(zhì)要求最高的部位。

對于國內(nèi)某1200萬噸/年石油煉化項目，采用行業(yè)先進的“渣油加氫+延遲焦化+催化裂化”加工方案，主要利用國外較為豐富的高硫原油資源，加氫裂化裝置需在高溫、高壓及較高比值的H2S含量條件下運行[1]，易引起氫致開裂(HIC)、硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)等[2]，從而引起管體破裂失效。因此，在含有高硫的高壓臨氫工況下，根據(jù)介質(zhì)濃度、溫度、壓力等工況，選用耐高溫、耐腐蝕性能更優(yōu)的N08825鎳鐵鉻合金大口徑厚壁無縫管是保證裝置可靠、穩(wěn)定運行的必然選擇。

江蘇武進不銹股份有限公司(以下簡稱“武進不銹”)根據(jù)本企業(yè)的工藝裝備情況并結(jié)合用戶使用要求，針對大口徑厚壁UNS N08825石化加氫裝置用高溫合金管特點，通過對化學(xué)成分設(shè)計及熱穿孔、軋制工藝、熱處理工藝的研究，成功開發(fā)出規(guī)格為Ф406.4 mm×31 mm×L的大口徑厚壁鎳鐵鉻鉬銅合金無縫管，在國內(nèi)單體1200萬噸/年石油煉化項目得到應(yīng)用。本文將重點介紹其主要生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品質(zhì)量情況。

1 鋼管的主要技術(shù)要求

根據(jù)用戶訂貨要求，大口徑厚壁UNS N08825合金無縫管執(zhí)行ASTM B423-11(2016)標準及《美標鋼管采購規(guī)格書》的要求，其化學(xué)成分要求如表1所示，外徑允許偏差(-1.0%～+1.0%)D，壁厚允許偏差(-10.0%～+12.5%)S；力學(xué)性能進行室溫和500 ℃高溫拉伸試驗，室溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能如表2所示；應(yīng)進行晶間腐蝕檢驗；應(yīng)進行晶粒度檢驗，其原始奧氏體晶粒度控制在4～7級；此外，合金管應(yīng)進行100%超聲波、滲透探傷以及水壓試驗。

表1 大口徑厚壁UNS N08825石化加氫裝置用合金管的化學(xué)成分要求/%

表2 大口徑厚壁UNS N08825合金管的力學(xué)性能要求

2 坯料的加工控制技術(shù)

UNS N08825合金鋼的冶煉方式多種，有EAF+VOD(AOD)，有VIM+ESR，EAF+AOD+ESR等，是一種難變形鋼，即化學(xué)成分復(fù)雜、合金元素含量高，在熱加工變形過程中具有變形抗力大、塑性低和變形溫度范圍窄等特點的一類金屬材料[3]。武進不銹與永興特鋼通過產(chǎn)業(yè)鏈上、下游企業(yè)協(xié)同技術(shù)攻關(guān)，采用EAF+AOD+LF爐+澆鑄電極棒+ESR電渣重熔+熱鍛管坯工藝，試制和生產(chǎn)大直徑UNS N08825合金圓鋼(Ф350 mm)。

2.1 化學(xué)成分優(yōu)化設(shè)計

鋼中硫、磷均為有害元素，特別是硫與鎳易形成NiS低熔點相，為了提升合金材料加工性能和使用性能，嚴格控制硫含量≤0.002%，同時對五大低熔點有害元素Sn,As,Sb,Bi,Pb進行控制；碳元素在此鋼中具有雙重性，含量高有利于鋼的高溫性能，含量低有利于耐腐蝕性，而該材料側(cè)重于抗腐蝕為主，在不影響材料力學(xué)性能前提下，冶煉時碳當(dāng)量控制在≤0.025%。

2.2 高純凈度精煉技術(shù)

AOD精煉渣系的設(shè)計，針對N08825超低碳和低硅特性，在AOD精煉時設(shè)計了還原渣系為MgO+CaO+SiO2+Al2O3四元渣系，渣系中各渣量控制范圍為:CaO：60%～70%;MgO：6%～8%;Al2O3：25%～30%;SiO2:≤10%，并控制(MgO+CaO)/(SiO2+Al2O3)的堿度R為2.5～3.5 (摩爾百分比)，將硫、氧含量脫除、降低到較低水平。

鐵鎳基合金N08825材料合金需要更高的純凈度，故增加了電渣重熔工藝，重熔時合金得到進一步的精煉，夾雜物去除是通過渣洗和在熔池中上浮，電渣重熔可以改善鋼的鑄態(tài)組織，減少成分偏析，顯著提升鋼的純凈度。

2.3 管坯塑性成型技術(shù)

由于N08825組織為穩(wěn)定的奧氏體組織，其鋼錠在加熱和冷卻過程中無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，不能通過熱處理手段改變晶粒組織，因此鍛造過程中控制加熱溫度和變形量，破碎表面柱狀晶，提高壓縮比技術(shù)工藝控制，使鍛造總壓縮比≥3，以便獲得均勻的晶粒組織。

3 合金無縫管的試制

3.1 制管工藝路線設(shè)計

N08825合金無縫管的生產(chǎn)工藝流程為：坯料入廠檢驗→剝皮→打中心通孔→檢驗→加熱和穿孔→荒管齊頭→酸洗→檢驗修磨→潤滑烘烤→冷軋/冷拔→脫脂去油→固溶熱處理→矯直-→酸洗→成品檢驗和試驗(化學(xué)成分、力學(xué)性能、水壓試驗、無損探傷等)→包裝→入庫(成品)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)控制

3.2.1 穿孔工藝優(yōu)化

1)穿孔工藝方案的確立

UNS N08825合金由于其高溫強度和抗氧化性能，高溫下加工變形抗力大，會引起管坯內(nèi)、外表面和內(nèi)部產(chǎn)生缺陷[4]，通過分析熱穿孔過程中應(yīng)力應(yīng)變場和溫度場的變化分布特征，對斜軋穿孔機組頂頭規(guī)格、導(dǎo)板間距、軋輥間距、頂頭縮進量等參量進行調(diào)整，使加熱溫度、保溫時間、熱穿孔速度及熱變形量等各參數(shù)優(yōu)化[5]。從而解決了熱穿孔成型過程中由于熱塑性變形區(qū)間窄，容易引起荒管內(nèi)裂、翹皮、分層及外表開裂等問題。鑒于現(xiàn)有斜底爐很難滿足生產(chǎn)需要，公司對加熱穿孔斜底爐窯控制和推缸系統(tǒng)等進行數(shù)字化改造。

2)優(yōu)化穿孔加熱制度

針對N08825合金材料的熱導(dǎo)性能差的問題，對其穿孔加熱制度進行優(yōu)化。在斜底式加熱爐窯在低溫加熱階段，通過適當(dāng)延長加熱升溫時間，增加圓鋼管坯翻鋼頻次，使溫度沿管坯橫斷面及長度方向分布更均勻；在高溫加熱階段，通過快速加熱到所需溫度，再在均熱段充分保溫，使管坯沿橫斷面和長度方向溫差減小，以確保整支管坯溫度場分布均勻。出鋼溫度控制在1180～1260 ℃，保溫時間控制在400～875 s。此外，通過在坯料上打較大的通孔(Ф80 mm中心孔)(如圖1所示)，以增大內(nèi)表面過火面積，改善內(nèi)部熱導(dǎo)性和溫度均勻性。

圖1 坯料中心通孔示意圖

3.2.2 冷軋/拔工藝優(yōu)化

1)冷加工工藝的選擇

N08825合金管從荒管加工到成品，工藝流程長、道次多。需要經(jīng)過多道次擴孔、中間固溶熱處理、冷軋、成品熱處理。采用不同的變形量+固溶熱處理制度進行實驗，研究不同的冷軋變形量條件下微觀組織演變規(guī)律和組織/性能關(guān)系，對全過程的變形程度、變形速度進行控制，使組織內(nèi)的畸變程度提高，晶粒被壓縮或拉長程度提高，晶粒形核驅(qū)動力及長大驅(qū)動力顯著增大；隨后，在適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)下進行固溶熱處理，消除加工應(yīng)力，獲得過飽和的固溶體及適當(dāng)晶粒度，進而改善組織。經(jīng)多道次冷軋/拔及熱處理，從而獲得管子的高強韌性能。掌握了軋制-固溶一體化控制冷加工的冶金學(xué)規(guī)律和最優(yōu)的工藝制度，實現(xiàn)了高強韌N08825合金無縫管生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品開發(fā)。

2)冷軋管加工工藝

由于N08825合金含量高、變形抗力大，二輥周期環(huán)孔型長程冷軋管機主機負荷較高。在前期擴孔基礎(chǔ)上，根據(jù)管材的特性，對大口徑鋼管冷軋變形機理進行分析，解決了大口徑鋼管冷軋軋制及孔型設(shè)計方法這一極端加工工藝問題[6]。同時，通過掌握其冷軋變形條件下微觀組織的演變過程，對軋制過程奧氏體晶粒尺寸、形貌等調(diào)控和軋制變形行為的控制，減徑率達40%～65%，減壁率達到60%～75%[7]。充分的冷軋變形，避免厚壁管出現(xiàn)混晶和粗大晶粒，為后續(xù)固溶熱處理提供條件。經(jīng)前期擴孔和冷軋積累較大的變形量；成品軋制時軋制變形量相對小些，主要是除消除冷加工應(yīng)力外，還直接影響鋼管的外徑壁厚尺寸精度、強度、耐腐蝕性能、微觀組織等綜合性能。

3.2.3 固溶熱處理工藝優(yōu)化

通過對合金管調(diào)整冷變形工藝參數(shù)并結(jié)合不同熱處理工藝來獲得不同晶粒尺寸和性能的合金管材，以獲得最佳加工工藝參數(shù)。中間道次的固溶熱處理溫度適當(dāng)高些，根據(jù)該合金材料的特性，溫度控制在1080～1220 ℃區(qū)間，適當(dāng)增加保溫時間，使箱式爐內(nèi)加熱不銹鋼管體內(nèi)、外受熱均勻，使管子能充分固溶，晶粒得到有效調(diào)控，消除加工硬化，恢復(fù)其組織和性能，為下一道冷加工做準備。成品固溶在輥底式固溶熱處理爐窯上進行，固溶溫度控制在1000～1050 ℃區(qū)間，采取延長升溫時間，足夠保溫時間，使M23C6碳化物完全回溶并在常溫下保持于奧氏體組織中[8]，促進元素的均勻分布，獲得較低的晶間腐蝕敏感性；同時，獲得均勻的等軸晶組織[9]。

3.3 產(chǎn)品性能檢驗結(jié)果

按相關(guān)技術(shù)協(xié)議規(guī)定， N08825合金管的檢驗，按美標ASTM B423-11(2016)的化學(xué)成分、力學(xué)性能、尺寸公差、晶粒度以及成品超聲波、水壓無損檢測等進行檢驗，其檢驗的結(jié)果如下：

3.3.1 化學(xué)成分

N08825合金管的熔煉和成品化學(xué)成分的檢驗結(jié)果如表3所示，可以看出化學(xué)成分達到美標ASTM B423-11(2016)標準要求。

表3 N08825合金管的化學(xué)成分檢驗結(jié)果/%

3.3.2 外形檢驗

本次試制 N08825合金管的公稱尺寸為Ф406.4 mm×31 mm×L，其幾何尺寸公差按ASTMB423-11(2016)標準和《美標鋼管采購規(guī)格書》要求執(zhí)行，如表4所示。測量表明：試制鋼管的外徑、壁厚尺寸滿足標準要求，鋼管尺寸精度高、均勻性好，單支管子長度≥6 m。

3.3.3 非金屬夾雜物

材料的純凈度關(guān)系到材料使用中的耐腐蝕性能。按ASTM E45-10《鋼中夾雜物含量測定的標準試驗方法》，在試驗材料的端部取樣，其非金屬夾雜物級別符合標準要求，如表5所示。

3.3.4 室溫和高溫力學(xué)性能

N08825合金管力學(xué)性能試驗方法，分別按照ASTM E8/E8M-11《金屬材料拉伸試驗方法》和ASTM E21-2009《金屬材料高溫拉伸試驗方法》的標準執(zhí)行(試驗溫度500 ℃)，具體結(jié)果詳如表6所示，完全滿足ASTMB423-11(2016)標準和《美標鋼管采購規(guī)格書》要求。

表4 N08825合金管的幾何尺寸

表5 N08825合金管非金屬夾雜物檢驗結(jié)果

表6 N08825合金管室溫力學(xué)試驗性能

3.3.5 晶間腐蝕性能

按照ASTM A262-14《奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感性的測定》中的E方法檢測。試樣內(nèi)、外表面未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋。N08825合金管的晶間腐蝕試驗合格。

3.3.6 晶粒度

按照ASTM E112-2013《測定平均晶粒度的標準試驗方法》要求檢測，晶粒度為6級，符合ASTM B423-11(2016)標準中晶粒度4～7級的要求，如圖2所示。

圖2 試樣晶粒度(100X)

3.3.7 壓扁工藝性能

按照ASTM A530-2010《特種碳素鋼及合金鋼管一般要求》標準的要求，在電液伺服萬能材料試驗機WE-600C上進行試驗，內(nèi)、外表面和端面沒有可見裂紋，符合ASTM B423-11(2016)標準和《美標鋼管采購規(guī)格書》要求，如圖3所示。

圖3 鋼管壓扁試驗

3.3.8 水壓試驗、超聲波探傷、滲透探傷

按照ASTM A530標準以及《美標鋼管采購規(guī)格書》的要求在SYD-610(0～35 MPa)水壓試驗機上試驗；按照ASTM E213標準以及《美標鋼管采購規(guī)格書》的要求在CTB-108F超聲波探傷機無損檢測；滲透探傷按JB/T4730.5標準要求在管子外表面及坡口部位檢測，均符合ASTM B423-11(2016)標準和《美標鋼管采購規(guī)格書》要求。

4 結(jié)束語

(1)通過化學(xué)成分優(yōu)化設(shè)計與精確控制，采用合理的熱穿孔、冷加工工藝設(shè)計，建立了基本的UNS

N08825合金無縫鋼管工業(yè)化生產(chǎn)工藝技術(shù)和流程。

(2)研制的UNS N08825合金無縫鋼管幾何尺寸、化學(xué)成分、非金屬夾雜物、室溫和高溫力學(xué)性能、晶間腐蝕性能、晶粒度、水壓試驗、超聲波探傷、滲透探傷均滿足相關(guān)標準要求。

(3)研制的大口徑厚壁UNS N08825石化加氫裝置用合金管性能指標和質(zhì)量控制均達到國際先進水平，已應(yīng)用于國內(nèi)單體1200萬噸/年石油煉化項目。