大口徑、厚壁UNS N08825無縫鋼管在渣油加氫裝置中的研制開發(fā)與應(yīng)用

劉繼國(guó)（中海油惠州石化有限公司，廣東惠州516000）

大口徑、厚壁UNS N08825無縫鋼管在渣油加氫裝置中的研制開發(fā)與應(yīng)用

劉繼國(guó)（中海油惠州石化有限公司，廣東惠州516000）

采用成熟的熱穿孔工藝制備熱穿孔毛坯管，經(jīng)過多個(gè)到次的冷拔/擴(kuò)變形，研制出×30mm×6000mm的大口徑、厚壁825合金無縫鋼管。結(jié)果表明：825合金合金厚壁管材平均晶粒度5級(jí)左右，具有較好的力學(xué)和抗晶間腐蝕性能。室溫拉伸試驗(yàn)滿足ASME B423要求，即屈服強(qiáng)度高于241MPa，抗拉強(qiáng)度高于586MPa，延伸率高于30%。500℃的高溫拉伸屈服強(qiáng)度也能高于174MPa。ASTM 262E法,試樣經(jīng)敏化處理后，進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，無晶間腐蝕傾向。825合金大口徑厚壁無縫鋼管的化學(xué)成分、組織及性能滿足ASTM B423等標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)825管道全面替代進(jìn)口用于渣油加氫裝置，為煉油行業(yè)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益

825合金；無縫鋼管；大口徑厚壁管

UNS N08825（以下簡(jiǎn)稱825合金）是一種奧氏體型Ni-Fe-Cr-Mo-Cu耐蝕合金。該合金中由于含有較高的鎳、鉻含量，同時(shí)含有一定量的鉬、銅元素和穩(wěn)定化元素鈦，從而具有良好的抗點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和抗氯離子應(yīng)力腐蝕開裂能力，可以在多種腐蝕性環(huán)境（還原性和氧化性介質(zhì)）下使用。

相關(guān)文獻(xiàn)資料表明，825合金以管材形式廣泛地用于化學(xué)工業(yè)（如熱交換器、高壓空冷器）、油氣開采業(yè)（油井管）等。825合金在高溫高壓H2S/CO2腐蝕介質(zhì)中，經(jīng)過了720 h的應(yīng)力腐蝕，不會(huì)產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，具有較高的耐SSCC性能。

近年來隨著我國(guó)冶金裝備的提高以及冶煉技術(shù)的發(fā)展，許多特殊鋼企業(yè)在鎳基耐蝕合金的制造、加工能力上達(dá)到了一定水平；真空感應(yīng)爐、電渣重熔爐、鋼擠壓/穿孔機(jī)、大變形高速冷軋管機(jī)、拉拔機(jī)等設(shè)備齊全，具備了825合金管道國(guó)產(chǎn)化的條件。

惠州煉化二期項(xiàng)目渣油加氫裝置用N08825鎳基合金管使用于臨氫高壓管道，屬于進(jìn)口國(guó)產(chǎn)化物資，國(guó)內(nèi)同類裝置之前均使用進(jìn)口材料，到目前為止，國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的業(yè)績(jī)以中小口徑為主，除了在加氫裂化等有成熟業(yè)績(jī)外，尚無與惠煉二期所需要的N08825鎳基合金管同等口徑、壁厚的成熟應(yīng)用業(yè)績(jī)，因此，大口徑、厚壁UNS N08825合金無縫鋼管的國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行。國(guó)產(chǎn)化將解決進(jìn)口價(jià)格高，產(chǎn)品制造周期長(zhǎng)等問題。

1 825合金的組織特性

825合金中主要的平衡相有γ相、Ti（NC）化合物、σ相、M23C6碳化物。當(dāng)熔融態(tài)金屬溫度下降到約1289℃時(shí)，從奧氏體中首先析出Ti（NC）碳化物。當(dāng)溫度下降到約993℃時(shí)，從基體中開始析出M23C6碳化物，溫度降低到約869℃時(shí)，從奧氏體中開始析出σ相。溫度繼續(xù)下降到518℃左右，析出體心立方結(jié)構(gòu)的α-Cr相。此外，在500-900℃之間，主要的析出相是σ相，其最高析出含量大約為18%。Ti（NC）型碳化物、M23C6碳化物的析出含量相對(duì)來說要少得多，大約只有0.2%左右。同時(shí)，Pan等人在700℃下對(duì)825合金時(shí)效100h后，發(fā)現(xiàn)沿晶界產(chǎn)生顆粒狀析出相，并采用EDX和AEM技術(shù)對(duì)晶界析出相的組成進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在該條件下敏化后產(chǎn)生的析出相主是富Cr的M23C6碳化物。綜合文獻(xiàn)資料可以看出，M23C6碳化物的析出溫度在750~ 800℃之間，晶界上M23C6碳化物及貧Cr區(qū)的出現(xiàn)，會(huì)大大降低合金的抗晶間腐蝕能力。

在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，一旦產(chǎn)生了M23C6碳化物，就必須采用合理的熱處理制度將此相溶解，確保合金具有良好的抗晶間腐蝕能力。資料表明，825合金在經(jīng)950℃、980℃固溶20min后，碳化物基本上全部回溶到基體中。由此可見，M23C6碳化物的完全溶解溫度大約在950~980℃左右。

綜上可知，掌握825合金析出相的析出以及溶解規(guī)律，能夠在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通過制定合理的熱加工和熱處理工藝，控制相的析出秩序獲得良好的組織，進(jìn)而提高825合金的使用性能。在本次大口徑、厚壁825合金無縫鋼管的研制過程中，考慮到管材壁厚高達(dá)300mm，為了充分消除管材的M23C6碳化物，特制定以下熱處理制度：在穩(wěn)定化熱處理設(shè)備上，950℃，保溫50分鐘。

2 大口徑、厚壁825合金無縫鋼管的研制開發(fā)

2.1 無縫鋼管成形工藝

大口徑、厚壁825合金無縫鋼管的整個(gè)開發(fā)制造流程可以簡(jiǎn)化為：鋼錠冶煉→鍛造開坯→管坯加工→熱穿孔成形→冷拔/擴(kuò)成形→固溶處理→酸洗→檢驗(yàn)→成品。

鋼坯由國(guó)內(nèi)某特鋼公司提供，采用電弧爐+LF爐+VOD爐+電渣爐冶煉冶煉。管坯各類夾雜物含量為0.5-1.0級(jí)，符合技術(shù)條件要求。文獻(xiàn)資料表明，825合金應(yīng)在其斷面收縮率的峰值區(qū)間（1100~1250℃）進(jìn)行熱變形，此時(shí)合金具有較佳的熱加工性能，一旦變形溫度超過1250℃，此時(shí)很容易出現(xiàn)熱加工缺陷。

因此，在進(jìn)行熱穿孔過程中，控制好熱穿孔過程中的溫度，避免了穿孔生產(chǎn)荒管內(nèi)、外表面容易產(chǎn)生開裂、折疊等質(zhì)量缺陷，為后續(xù)冷加工工藝提供了優(yōu)質(zhì)的荒管，并為最終的成品管材提供了可靠的質(zhì)量保證。考慮到大口徑厚壁管冷加工難度較大，所以在研制階段采用多道次冷拔擴(kuò)孔，最后采用蘇式拉拔減小外徑，達(dá)到成型目的，最終得到f406mm×30mm的成品鋼管，長(zhǎng)度可達(dá)6m以上。

2.2 無縫鋼管理化性能

根據(jù)ASTM B423《鎳-鐵-鉻-鉬-銅合金（UNS N08825和UNS N08221）無縫公稱管和管子》，SEI《中國(guó)石油化工股份有限公司渣油加氫裝置美標(biāo)鋼管采購規(guī)格書》等標(biāo)準(zhǔn)，從成品鋼管上分別取樣進(jìn)行包括化學(xué)成分、金相、室溫和高溫拉伸試驗(yàn)、晶間腐蝕性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)及壓扁試驗(yàn)和無損檢測(cè)，以評(píng)價(jià)鋼管的使用性能及工藝性能。

（1）化學(xué)成分及組織

從成品鋼管上按批取樣，根據(jù)ASTM E1473-2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)成分分析。從測(cè)試結(jié)果可以看出成品鋼管和鋼坯的成分含量十分接近，且均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值。同時(shí)也說明管子在制造過程中，成分未見明顯波動(dòng)。

（2）力學(xué)性能

室溫拉伸試驗(yàn)按照ASTM E8M-15a的規(guī)定，拉伸試樣采用圓棒試樣。室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼管的屈服強(qiáng)度為285MPa，抗拉強(qiáng)度為645MPa，延伸率為49.5%。同時(shí)，按照ASTM E21-2009的規(guī)定，進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為500℃。高溫拉伸結(jié)果表明，在500℃溫度下，鋼管屈服強(qiáng)度仍然高達(dá)200MPa左右。為了得出825合金無縫鋼管高溫拉伸性能的規(guī)律，使用此項(xiàng)目中生產(chǎn)的成品825無縫鋼管進(jìn)行100-900℃的系列高溫拉伸試驗(yàn)。825合金無縫管在500℃及以上的溫度下，仍然有較高的屈服強(qiáng)度以及延伸率，這對(duì)作為臨氫高壓管道來說是個(gè)極有利的保障。

（3）晶間腐蝕性能

為了檢驗(yàn)鋼管的抗晶間腐蝕性能，按照ASTM A262 E法進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為24h，結(jié)果表明，晶間腐蝕彎曲后正反面均無裂紋。

此外，對(duì)成品鋼管取樣進(jìn)行壓扁試驗(yàn)。壓扁試驗(yàn)按照ASTM A530標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。單位變形系數(shù)：0.09，壓扁試驗(yàn)后均無裂縫或裂口、試樣沒有出現(xiàn)可見的分層等缺陷，滿足工藝要求。

2.3 無縫管無損檢測(cè)

（1）超聲檢測(cè)

根據(jù)ASTM E213標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲波探傷，探傷靈敏度：1.5mm，掃描靈敏度：6dB，掃描速度：5m/min，結(jié)果超聲波檢測(cè)合格，符合技術(shù)要求。

（2）滲透檢測(cè)

根據(jù)JB/T4730.5-2005 I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)成品管材進(jìn)行滲透檢測(cè)，顯像后檢查管子表面無有缺陷。

（3）水壓試驗(yàn)

根據(jù)ASTM A530標(biāo)準(zhǔn)對(duì)成品管材進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力22PMa穩(wěn)壓時(shí)間10秒后，管材無缺陷。

綜上可知，久立采用熱穿孔和冷拔/軋工藝試制的規(guī)格為f406mm×30mm的大口徑厚壁825無縫鋼管，其各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足ASTM B423《鎳-鐵-鉻-鉬-銅合金無縫公稱管和管子》，SEI《中國(guó)石油化工股份有限公司渣油加氫裝置美標(biāo)鋼管采購規(guī)格書》標(biāo)準(zhǔn)要求，完全可以替代進(jìn)口產(chǎn)品。同時(shí)，還可以根據(jù)客戶需求，生產(chǎn)其它規(guī)格產(chǎn)品的能力。

3 結(jié)語

久立特材科技股份有限公司采用熱穿孔壓和冷拔/軋工藝成功開發(fā)了規(guī)格為f406mm×30mm的大口徑厚壁825無縫鋼管，并形成了工程批量化生產(chǎn)能力。此外，還可以根據(jù)客戶需求生產(chǎn)其它規(guī)格產(chǎn)品。對(duì)成品鋼管進(jìn)行了理化檢驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)、晶間腐蝕性能試驗(yàn)、無損檢測(cè)等。結(jié)果表明，采用本工藝生產(chǎn)的大口徑厚壁825無縫鋼管無縫鋼管滿足ASTM B423，SEI《中國(guó)石油化工股份有限公司渣油加氫裝置美標(biāo)鋼管采購規(guī)格書》標(biāo)準(zhǔn)要求等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)825管道全面替代進(jìn)口用于渣油加氫裝置，為煉油行業(yè)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。不僅可以大幅度降低項(xiàng)目投資成本，又可以大幅縮短建設(shè)周期，也為今后設(shè)備裝置運(yùn)行過程中的保供有著更有力的條件。

[1]張菽浪，張紅斌.Incoloy825耐蝕合金[J].特鋼技術(shù)，2005，3：64-66.

[2]高暉.國(guó)產(chǎn)Incoloy 825高壓空冷器的設(shè)計(jì)制造[J].石油化工設(shè)計(jì)，2005，22（2）：5-7.

[3]王寶順，邵羽，蘇誠(chéng).825合金熱擠壓管裂紋研究[J].熱加工工藝，2013,15：4-5.