鈮元素在制氫管線中的強化應用

鄧建勇 李 聰 任峻冬

（中國石油大港石化公司 天津）

一、失效形式與強化類型

轉化爐管長期處于高溫下工作（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境下工作（150～260℃），主要失效形式為開裂。針對這兩種失效形式，Nb元素的加入主要體現了在鉻-鎳奧氏體不銹鋼中的彌散強化和細晶強化2種作用。

二、NbC的產生與作用

Nb元素對不銹鋼的強化基本原理來自于它在金屬中對C元素的強大的親和作用。不銹鋼中的裂紋失效主要是Cr元素與C結合，形成了Cr23C6這種碳化析出物，致使不銹鋼晶界部分局部出現貧鉻現象，與母材金屬產生了電位差，最終導致腐蝕失效。如將各種元素按與碳的親和力大小排列，順序為Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn。由此可見Nb元素對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，還要配以920℃以上的穩定化熱處理，將Cr23C6全部轉化為性質相對更加穩定的NbC方能起到“保鉻”作用。

加入Nb元素并穩定化熱處理后的不銹鋼在熱加工時，即使局部熱影響區達到Cr23C6的形成溫度，Nb（C、N）的穩定性也能有效減免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1000℃以上，晶間析鉻在所難免，將原有TP304不銹鋼材料升級為TP347并熱處理后，能有效避免出現焊道熱影響區的裂紋失效。

三、細晶強化機理及應用

穩定碳化物NbC的存在是Nb元素對不銹鋼細晶強化的關鍵。通過細化晶粒而使金屬材料力學性能提高的方法稱為細晶強化。細晶粒受到外力發生塑性變形可分散在更多的晶粒內進行，塑性變形較均勻，應力集中較小；此外，晶粒越細，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴展。細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所，從而細化晶粒；提高過冷度也是方法之一，機械震蕩或者電磁振蕩也能抑制晶粒長大，從而細化晶粒，再一種就是類似Nb（C、N）的存在，可以起到釘扎晶界的作用，抑制晶粒長大，實現晶粒的細化。

四、彌散強化機理及應用

所謂彌散強化，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點而達到提高強度的目的。彌散強化機構的代表理論是位錯理論。在彌散強化材料中，彌散相是位錯線運動的障礙，位錯線需要較大的應力才能克服障礙向前移動，所以彌散強化材料的強度高。

第二相粒子可以有效地阻礙位錯運動。第二相粒子越細小，粒子越彌散，其間距越小，則強化效果越好。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，要使碳化物呈細小均勻彌散分布，并防止其聚集長大，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，它的晶格擁有穩定的立方結構。無論是馬氏體，還是奧氏體耐熱不銹鋼，Nb（C，N），Cr23C6，等的碳化物對于沉淀強化是必需的。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阻止滑移的作用，但易導致出現貧鉻，加入Nb后，高溫析出Nb（C，N）能更好的保護管材，同時提高抗蠕變性。

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，鋼的高溫強度也會有所提高。

轉化爐管要承受高溫和內部壓力并存的工作狀態，還要經歷開停工的溫度和壓力變化等各種運行狀態，蠕變失效在所難免，Cr25Ni35Nb-Ti材料中的Nb和Ti可以有效地延長爐管使用壽命，降低蠕變的可能性與風險性。

五、結語

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。而在不同的工作環境下，為鋼材選擇適當的添加元素能切實地保證裝置的安全平穩生產。