加氫裂化裝置大口徑厚壁無縫鋼管的技術要點和制造方式

羅志軍

(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

加氫裂化工藝因其加工原料范圍廣(可加工的原料從石腦油到頁巖油、煤焦油及渣油)[1]、產品質量好、品種多、液體產品收率高以及生產靈活性大等特點，越來越受到重視。

本文僅從設計的角度，以加氫裂化中有典型代表性的反應流出物的高壓大口徑厚壁(外徑400 mm以上，外徑與壁厚比為5.5～9.0)[2]不銹鋼無縫鋼管為例，結合介質特性對鋼管特點、冶煉方法、加工方式及熱處理方式進行探討。

1 大口徑厚壁無縫鋼管的特點

由于加氫裂化裝置反應流出物操作條件極其苛刻(操作溫度為361～440℃，反應流出物操作壓力為14.5～17.13MPa(g))[1]，同時還處于氫氣、硫化氫、環烷酸及可能出現的連多硫酸等多重介質存在的苛刻操作工況中。

此外，相對于薄壁無縫鋼管而言，加氫厚壁無縫鋼管的生產工藝有自身的一些特點。

(1)由于厚壁無縫鋼管處于高壓操作工況，造成管道儲能高，因此，要求可靠性也比較高。在高壓條件下，管道的壁厚余量較少，同時由于其剛度大而導致熱補償困難，由此產生的二次應力也較高，必將導致對金屬材料的缺口敏感性增加。

(2)由于厚壁無縫鋼管處于高溫操作工況，會引起金屬一系列的變化，如化學穩定性的變化、金屬組織穩定性的變化、熱疲勞的發生及缺口敏感的增加等。

(3)當鋼管壁厚較大時，若軋機的軋制力不夠，會出現沿管道橫截面金屬組織不均勻和金屬變形量不夠的現象，從而導致材料性能下降，嚴重時，會導致二次變形開裂，并會帶來一系列不利的影響。

(4)當鋼管壁厚較大時，熱處理條件發生很大變化，制造廠必須有足夠的經驗數據，并應根據不同的壁厚確定合理的熱處理參數，并進行精確控溫和控制加熱時間。

由此可見，加氫裂化高壓大口徑厚壁無縫鋼管不能采用普通的生產工藝進行制造，也不宜采用焊接鋼管。

2 不銹鋼的生產方法

對操作溫度等于或高于200℃，介質中含有氫氣的碳鋼及合金鋼管道，應根據API941的Nelson曲線選擇合適的抗氫材料[3]，確定反應流出物管道材質為奧氏體不銹鋼。但奧氏體不銹鋼長期在400～850℃高溫下時，會產生晶間腐蝕傾向。防止鉻鎳奧氏體不銹鋼產生晶間腐蝕的辦法有兩個：一是降低鋼材中的碳含量，以減少碳化物的析出；二是添加能形成穩定碳化物的元素(如鈦或鈮)，以防止碳化鉻的析出。

對鋼管質量影響較大的工序主要有冶煉方法、軋制方式和熱處理。在化學成分滿足標準的前提下，工程上最關注的是控制材料的純凈度，包括非金屬夾雜物和有害元素。

2.1 冶煉方法

目前，世界上不銹鋼冶煉方法分為一步法、二步法和三步法。

由于一步法有對原料要求苛刻、能耗高、冶煉周期長、生產率低和產品質量差等諸多缺點，因此很少采用。

1965年誕生的VOD(真空吹氧脫碳)精煉裝置和1968年誕生的AOD(氬氧脫碳)精煉裝置，對不銹鋼生產工藝的變革起了決定性作用，將這兩種精煉設施的任何一種與電爐相配合，形成了不銹鋼的二步法生產工藝。

三步法是在二步法的基礎上增加深脫碳(CC)的裝備，對鋼水進一步脫碳和調整成分。通常的三步法有初煉爐→AOD/VOD/電渣重熔→CC、初煉爐→MRP→AOD/VOD/電渣重熔→CC 等形式。

目前，高壓臨氫不銹鋼管主要使用二步法生產。

2.2 AOD與VOD的主要特點2.2.1 AOD的主要特點

(1)AOD能夠采用含碳1.5%以下的初煉鋼水，因此，可以采用廉價的高碳FeCr、FeNi40以及35%的碳鋼廢鋼進行配料，原料成本較低。

(2)AOD法可以一步將鋼水中的碳脫到0.08%，延長冶煉時間或增加Ar量，還可進一步將鋼水中的碳脫到0.03%以下。除超低碳、超低氮不銹鋼外，95%的品種都可以生產。

(3)生產周期較短，靈活性較好。

2.2.2 VOD的主要特點

(1)降碳保鉻效果好，通過控制真空度，可在鉻幾乎不被氧化的情況下脫碳。

(2)由于是在鋼包中精煉，精煉后不吸收氮、碳，更適合冶煉超低碳、超低氮不銹鋼。

(3)脫氧效果好。

(4)在真空條件下冶煉，鋼的純凈度高，碳氮含量低，一般C+N<0.02%，而AOD 法則在0.03%以上，因此VOD 法更適宜冶煉C、N、O 含量極低的超純不銹鋼。

如前文所述，加氫裂化裝置反應流出物管道的主要材料為TP321或TP347，ASME A312 標準中對TP321或 TP347不銹鋼的碳含量規定為小于等于0.08%，同時，為保證TP321不銹鋼的抗晶間腐蝕，規定鈦含量應不低于5倍碳含量且不高于0.70%，對于TP347不銹鋼來說，鈮+鉭含量應不低于10倍碳含量且不高于1.0%[4]，可見，降低碳的含量是提高抗晶間腐蝕的有效途徑。通過上述AOD與VOD的主要特點可知，采用電爐+AOD的冶煉方式是比較適合工程裝置的。

2.3 軋制方式

目前，國際上的軋管方法主要有連續軋管法、周期軋管法、頂管法、空心鍛造、冷軋法、熱擴法和冷拔法等。

2.3.1 連續軋管法

連續軋管方法是目前世界上應用最多的一種生產方法，其具有生產效率高、鋼管尺寸精度高以及價格便宜等特點，但其軋制力比周期軋管小，僅用于φ406及以下的規格生產。另外，由于連軋機組更換模具耗時長，比較適合單規格、大批量的鋼管生產，如油田專用鋼管。而加氫裂化上使用的厚壁不銹鋼管規格多，而且每種規格的量又不大。因此，連續軋管方法并不是生產加氫厚壁鋼管的最佳方法。

2.3.2 周期軋管法

1891年誕生的周期軋管方法是一個最古老而且成熟的鋼管生產方法，其特點為工件的運動并不是一直向前運動，而是進二退一。Reinhard教授[5]將軋機的此工作特點與朝圣者的步伐聯系起來，因此稱之為皮爾格分段軋管工藝。它可以縱軋，因為存在凸輪效應，每個周期內管坯還將受到沖擊力，因此，它是“鍛制+軋制”的結合。在軋制過程中，單道次壁厚可從80mm減到20mm(φ720軋機數據)，更容易使管道橫截面金屬組織變形均勻。此外，皮爾格軋機更換模具耗時較短。因此，更加適合加氫裂化大口徑厚壁無縫鋼管批量小、規格多的特點。

隨著科學技術的發展，其他的軋管技術在很大程度上取代了周期軋管工藝?，F今，周期軋管機組僅用來軋制厚壁大型無縫鋼管[5]。

2.3.3 頂管法

1891年，艾哈德發明了方坯沖孔工藝，這是一種為解決更大口徑(如DN600及以上)無縫鋼管生產的加工方法。

但頂管法的成型過程實質上是熱拔過程，沒有碾壓，更沒有鍛壓作用，是對荒管內在缺陷放大的過程，金屬的致密性也得以部分釋放，因此，其產品要劣于連軋和周軋的產品性能。除此之外，頂管法生產出來的管子需要里鏜外扒，還需切除下部管端的封頭，使得鋼管的材料所得率較低，因此造成鋼管價格較高。

筆者建議，此類鋼管僅用于DN600及以上、且壁厚小于等于SCH100的非臨氫工況。

2.3.4 空心鍛造法

空心鍛造法目前算不上一種工業化生產無縫鋼管的方法，其加工效率低，成材率也較低，與前面所說的三種方法生產出的產品相比，價格競爭力較低。但對于采用連軋機組和周期軋管機不能生產的無縫鋼管，在批量比較小的情況下，采用空心鍛造法生產無縫鋼管也不失為一種選擇，如筆者2018年參與的全球單套規模最大的蠟油加氫裂化裝置中，DN600以上厚壁管道均采用空心鍛造方法。

2.3.5 冷軋法

目前世界上最大的冷軋機，最大口徑可達φ457，通常主流的不銹鋼管冷軋機分為二輥式軋機和三輥式軋機。

三輥軋機延伸率一般不大于1.5，兩輥軋機一般不大于2.8，所以從變形量角度講，兩輥大于三輥，三輥壁厚的尺寸公差較兩輥軋機有所提高。應注意的是，三輥軋管機組在生產厚壁管時，較大的擴徑穿孔率對保證壁厚精度不利，一般擴徑率應控制在5 %以下[6]。

冷軋產品與同類熱軋產品相比，其壁厚均勻、表面質量好、單支鋼管長度長。軋制產品的理化指標高于同類熱軋產品。

但對于加氫裂化大口徑厚壁無縫鋼管來說，隨著壁厚增加，會出現增加軋制的難度、產生管道橫截面金屬組織變形不均勻的問題，將嚴重影響材料的化學性能和機械性能。

筆者建議，在加氫裂化裝置中，不推薦冷軋法用于φ457及以上、且壁厚大于40mm的無縫不銹鋼管生產。

2.3.6 熱擴法

具有80多年歷史的熱擴法是，是生產大口徑無縫鋼管的一種古老而廉價工藝方法。熱擴法分斜軋擴徑、拉拔擴徑和頂推擴徑3種生產方法。

無論何種方法，熱擴的過程是鋼管內在缺陷放大的過程，且和擴徑量與延伸率成正比。

筆者建議，熱擴管(特別是拉拔擴徑和頂推擴徑的產品鋼管)僅限用于管道級別為SHA3、SHA4 SHB及SHC類管道。當用于SHA3且設計壓力大于4.0MPa時，還應加上臨氫環境、有應力腐蝕開裂和低溫環境應慎用的限制。

2.3.7 冷拔法

冷拔鋼管則多用于小尺寸鋼管的生產，這里不再贅述。

2.4 熱處理

熱處理是影響鋼管最終質量的重要因素之一，尤其是對合金鋼和不銹鋼材料。最終的熱處理會直接影響到材料的常溫機械性能、高溫機械性能、組織穩定性和化學穩定性等。

對于厚壁無縫鋼管來說，隨著壁厚的增加，熱處理的難度加大，這就要求既要保證所有材料達到預期的熱處理效果，又要防止晶粒長大。

這些都要求制造廠必須有一套成熟的熱處理技術和足夠的經驗數據，以達到精確控溫和控制加熱時間。其核心包括制定合理的熱處理參數、控制爐溫偏差、保持加熱均勻等。

就熱處理爐型來說，電爐是比較好的選擇，其優點為溫度偏差小、加熱較均勻及爐氣氛中有害介質(如硫)較少等。對這些鋼管建議采用電爐進行熱處理，但這并不意味著非電爐不選。

3 結語

筆者認為，制造廠必須有針對性地了解加氫裂化的工藝介質特點，通過控制原材料的純凈度并采用電爐+AOD的冶煉方式，為下一步的鍛造開坯并保證穿孔后的荒管質量奠定基礎。

根據Biller博士“無縫鋼管軋制工藝選擇”一文中列出的軋管工藝設備的使用范圍可知，當管徑超過φ457時，特別是鍋爐制造主要使用的直徑小于φ711的厚壁管更是其他軋管工藝所不能代替的，周期軋管機是最佳的選擇。據此，筆者認為，對于加氫裂化的大口徑厚壁無縫鋼管，周期軋管法是最好的軋制方法。