国产P9无缝钢管的性能分析及应用

2013-09-19王起江张清廉樊志菁刘耀恒

石油化工腐蚀与防护 2013年1期

王起江，张清廉，樊志菁，刘耀恒

(1．宝山钢铁股份有限公司研究院，上海201900;2．上海交通大学，上海200240)

随着我国石化工业高温裂化设备逐步向大型化方向发展，以及进口高硫原油逐步增多，使石油化工设备腐蚀问题日趋严重。因此，迫切需要研制出更好的耐高温、耐腐蚀材料，以满足石油裂化设备快速发展的需要。为了适应这种需求，宝钢于2005年开展石油裂化用P9铁素体合金无缝钢管的研制，其产品性能满足美国材料与试验学会标准ASTMA335的要求，可替代进口产品。

1 P9钢化学成分及合金化原理

P9钢的化学成分与传统的石油裂化用无缝钢管(如 P11，P12，P22，P5)相比，P9 中 Cr元素质量分数更高，平均达到9.0%;Mo元素质量分数平均达到1.0%，具体参数见表1。Cr含量高有利于提高材料抗高温氧化腐蚀和热强性能，其机理主要靠表面形成较致密的Fe3O4·Cr2O3膜或致密的Cr2O3膜，以减缓钢件继续氧化的速度［1］。Mo元素是提高固溶体基体再结晶温度和提高热强性的主要元素，溶解在固溶体后会发生强烈晶格畸变，并增加晶格原子键引力，提高α-铁素体再结晶温度［2］，有利于增强钢的热强性。C元素质量分数小于0.15%，有利于焊接。Mn元素质量分数在0.30%～0.60%时具有良好的脱氧去硫作用，有利于提高钢质。Si元素质量分数在0.25%～1.00%时具有良好的脱氧能力，同时高温下含硅的耐热钢表面会形成一层致密、保护性好的氧化膜，有利于提高钢抗氧化性能。较低的S，P含量，有助于抗硫化氢应力腐蚀。因此，P9相对于 P11，P12，P22，P5具备更好的抗高温氧化、抗硫化氢应力腐蚀性，以及具有较高热强性等优点，可在大型石化装置中推广使用。

表1 石油裂化用无缝钢管化学成分Table 1 Chemical composition of Seamless steel pipes for petroleum cracking w，%

2 P9无缝钢管性能评定

2.1 室温拉伸性能

由于用户应用工况不同，对P9无缝钢管成品供货组织状态也有不同的要求。常用的交货状态一种是正火+回火，另外一种是等温退火。两种热处理供货状态钢管的室温拉伸性能都要求满足ASTM A335M标准要求，即:屈服强度大于205 MPa，抗拉强度大于415 MPa，延伸率大于30%。图1～3是正火+回火171个样本数与等温退火态658个样本数室温拉伸性能比较。从对比中可以看出，正火+回火供货状态的钢管屈服强度、抗拉强度均值分别是479.1 MPa和653.5 MPa，比等温退火状态钢管屈服强度、抗拉强度均值高209.3 MPa和122.9 MPa，而正火+回火供货状态的钢管延伸率均值是31.07%，比等温退火状态钢管延伸率低4.71%。用户可根据性能试验数据选择适合自己工况的产品。

图1 两种热处理状态钢管屈服强度比较Fig．1 Yield strength comparison of pipe under two heat treatments

2.2 瞬时高温拉伸性能

两种热处理状态的钢管高温性能也是不同的，图4是两种热处理状态的钢管瞬时高温强度比较。从图中可以看出，正火+回火热处理状态的钢管高温强度要明显高于等温退火状态钢管。两种热处理状态的钢管瞬时高温强度都高于ASME标准D篇所给定的150℃至500℃标准值。

图2 两种热处理状态钢管抗拉强度比较Fig．2 Tensile strength comparison of pipe under two heat treatments

图3 两种热处理状态钢管延伸率比较Fig．3 Elogation comparison of pipe under two heat treatments

图4 两种热处理状态的钢管瞬时高温强度比较Fig．4 Instantaneous high temperature strength comparison of pipe under two heat treatments

图5 两种热处理状态的钢管650℃持久蠕变性能对比Fig．5 Comparison of endurance creep properties at 650 ℃

2.3 高温持久蠕变性能

按国标《金属拉伸蠕变及持久试验方法》GB/T 2039-1997，对P9钢管沿纵向取φ10mm圆柱形标准试样，在RD2-3型蠕变持久试验机上进行650℃蠕变试验，评估和试验两种热处理状态的钢管高温蠕变性能。图5分别是两种热处理状态的钢管，在650℃高温条件下持久蠕变性能和蠕变速率对比。从图中可以看出，随正火温度的提高，高温蠕变性提高，蠕变速率下降。表明采用较高的正火温度有利于提高材料的高温蠕变性能。

3 与进口管对比

3.1 微观组织形貌

根据ASTM A335M标准要求，P9无缝钢管成品两种供货状态钢管的金相照片见图6。图中呈现的等温退火态交货的组织为珠光体(P)+铁素体(F)组织，而正火+回火状态交货组织是回火马氏体(M)组织。

宝钢石油裂化用P9铁素体合金无缝钢管自2005年开始研制以来，十分重视与国外进口管进行比较。表2是宝钢P9产品主要化学成分与进口管比较，其中进口样品和宝钢样品的样本数分别为17，40。图7是宝钢P9产品高温持久性能与进口管比较。从表和图中可以看出，宝钢P9产品P含量要略好于进口管，其它元素控制二者相当。在P9产品持久性能方面要好于进口管，尤其在高温下。

图6 两种热处理状态的P9钢管金相Fig．6 Microstructure of P9 under two heat treatments

表2 宝钢P9产品主要化学成分与进口管比较Table 2 Comparison of chemical composition between Baosteel P9 and imported P9 w，%

4 应用业绩

宝钢石油裂化用P9铁素体合金无缝钢管自2007年形成批量化供货能力以来，一直得到了国内石化行业的青睐及应用。产品先后供给了中国石化集团茂名石油化工基地项目、中国石化上海石油化工股份有限公司0.6 Mt/a芳烃项目重整炉装置，以及中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司延迟焦化炉改造项目等，替代了进口产品，受到了用户好评。宝钢P9产品在2011年还有450 t产品出口至新加坡和美国。