大口徑厚壁UNS N08825石化加氫裝置用合金管的研發①

高 虹， 朱國良， 朱 琦， 沈衛強， 陸訓偉， 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、規模化、煉化一體化、產業集群化繼續發展，石油煉制技術水平不斷提升，加工不同原油的適應性能力繼續加強。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，并在部分領域達到世界一流的水平。促進了煉化設備關鍵裝置的發展，特別是作為煉油核心設備的加氫精制、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，所用材質需具備耐高壓、耐高溫、耐腐蝕等特性，是煉油設備中對材質要求最高的部位。

對于國內某1200萬噸/年石油煉化項目，采用行業先進的“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，根據介質濃度、溫度、壓力等工況，選用耐高溫、耐腐蝕性能更優的N08825鎳鐵鉻合金大口徑厚壁無縫管是保證裝置可靠、穩定運行的必然選擇。

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

1 鋼管的主要技術要求

根據用戶訂貨要求，大口徑厚壁UNS N08825合金無縫管執行ASTM B423-11(2016)標準及《美標鋼管采購規格書》的要求，其化學成分要求如表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；力學性能進行室溫和500 ℃高溫拉伸試驗，室溫力學性能和高溫力學性能如表2所示；應進行晶間腐蝕檢驗；應進行晶粒度檢驗，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成分要求/%

表2 大口徑厚壁UNS N08825合金管的力學性能要求

2 坯料的加工控制技術

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，即化學成分復雜、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業鏈上、下游企業協同技術攻關，采用EAF+AOD+LF爐+澆鑄電極棒+ESR電渣重熔+熱鍛管坯工藝，試制和生產大直徑UNS N08825合金圓鋼(Ф350 mm)。

2.1 化學成分優化設計

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，而該材料側重于抗腐蝕為主，在不影響材料力學性能前提下，冶煉時碳當量控制在≤0.025%。

2.2 高純凈度精煉技術

AOD精煉渣系的設計，針對N08825超低碳和低硅特性，在AOD精煉時設計了還原渣系為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

由于N08825組織為穩定的奧氏體組織，其鋼錠在加熱和冷卻過程中無同素異構轉變，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 制管工藝路線設計

N08825合金無縫管的生產工藝流程為：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(化學成分、力學性能、水壓試驗、無損探傷等)→包裝→入庫(成品)。

3.2 關鍵技術控制

3.2.1 穿孔工藝優化

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、外表面和內部產生缺陷[4]，通過分析熱穿孔過程中應力應變場和溫度場的變化分布特征，對斜軋穿孔機組頂頭規格、導板間距、軋輥間距、頂頭縮進量等參量進行調整，使加熱溫度、保溫時間、熱穿孔速度及熱變形量等各參數優化[5]。從而解決了熱穿孔成型過程中由于熱塑性變形區間窄，容易引起荒管內裂、翹皮、分層及外表開裂等問題。鑒于現有斜底爐很難滿足生產需要，公司對加熱穿孔斜底爐窯控制和推缸系統等進行數字化改造。

2)優化穿孔加熱制度

針對N08825合金材料的熱導性能差的問題，對其穿孔加熱制度進行優化。在斜底式加熱爐窯在低溫加熱階段，通過適當延長加熱升溫時間，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)，以增大內表面過火面積，改善內部熱導性和溫度均勻性。

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律和組織/性能關系，對全過程的變形程度、變形速度進行控制，使組織內的畸變程度提高，晶粒被壓縮或拉長程度提高，晶粒形核驅動力及長大驅動力顯著增大；隨后，在適當的工藝參數下進行固溶熱處理，消除加工應力，獲得過飽和的固溶體及適當晶粒度，進而改善組織。經多道次冷軋/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規律和最優的工藝制度，實現了高強韌N08825合金無縫管生產工藝和產品開發。

2)冷軋管加工工藝

由于N08825合金含量高、變形抗力大，二輥周期環孔型長程冷軋管機主機負荷較高。在前期擴孔基礎上，根據管材的特性，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，避免厚壁管出現混晶和粗大晶粒，為后續固溶熱處理提供條件。經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 固溶熱處理工藝優化

通過對合金管調整冷變形工藝參數并結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。中間道次的固溶熱處理溫度適當高些，根據該合金材料的特性，溫度控制在1080～1220 ℃區間，適當增加保溫時間，使箱式爐內加熱不銹鋼管體內、外受熱均勻，使管子能充分固溶，晶粒得到有效調控，消除加工硬化，恢復其組織和性能，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 產品性能檢驗結果

按相關技術協議規定， N08825合金管的檢驗，按美標ASTM B423-11(2016)的化學成分、力學性能、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，其檢驗的結果如下：

3.3.1 化學成分

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

表3 N08825合金管的化學成分檢驗結果/%

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《美標鋼管采購規格書》要求執行，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 室溫和高溫力學性能

N08825合金管力學性能試驗方法，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》的標準執行(試驗溫度500 ℃)，具體結果詳如表6所示，完全滿足ASTMB423-11(2016)標準和《美標鋼管采購規格書》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果

表6 N08825合金管室溫力學試驗性能

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、外表面未發現晶間腐蝕裂紋。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、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《美標鋼管采購規格書》要求。

4 結束語

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

N08825合金無縫鋼管工業化生產工藝技術和流程。

(2)研制的UNS N08825合金無縫鋼管幾何尺寸、化學成分、非金屬夾雜物、室溫和高溫力學性能、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量控制均達到國際先進水平，已應用于國內單體1200萬噸/年石油煉化項目。