高耐腐蚀022Cr18Ni15Mo4N不锈钢无缝管生产工艺

改造者：李国斌

高耐腐蚀022Cr18Ni15Mo4N不锈钢无缝管生产工艺

改造者：李国斌

从022Cr18Ni15Mo4N奥氏体无缝不锈钢管的品质要求着手，对经过成分优化的钢坯经行冷、热穿孔、加工成型和热处理钝化后处理，研制出符合相应设计要求的高耐海水腐蚀性的022Cr18Ni15Mo4N奥氏体不锈钢无缝管。该不锈钢钢管的实物质量和性能与00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不锈钢钢管相当，且生产加工成本比00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不锈钢钢管低30％～40％，可以替代00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不锈钢钢管在海水淡化、海洋平台及深海工程上应用，可以为我国大型海洋工程项目提供管件配套和服务。

高耐腐蚀不锈钢无缝管材料发展

不锈钢的技术发展与应用的范围非常广泛，目前，国产不锈钢在石油、化工、海水淡化等高温、高压、高腐蚀工况中的应用还不是很广泛，最主要原因有以下几个：一是标准不配套问题。我国尚未形成满足石油、化工、海水淡化等高温、高压、高腐蚀工况发展需要的标准体系；国内对高压、高含硫、二氧化碳含量高的“三高”天然气生产设备，对硫酸、盐酸、尿素其中也包含海水淡化处理工况用管道、管件及阀门产品的基材冶炼、产品制造、检验、附属实验等技术规范和标准尚不完备；二就是产品配套问题。主要是不锈钢板、管、锻件、焊接材料不配套；三就是尺寸问题。国内冶金行业对石油、化工、海水淡化等高温、高压、高腐蚀工况需要的中厚宽板、大口径、厚壁或耐高温、耐高压、抗酸碱腐蚀不锈钢管生产能力有限；四就是质量问题。不锈钢管产品质量不稳定；五是研究开发新材料产品后劲不足问题，国内不锈钢新品种的研发和生产尚无法满足石油、化工、海水淡化等高温、高压、高腐蚀工况的发展需求。由于类似诸多的原因和因素的限制，石油、化工、海水淡化等高温、高压、高腐蚀工况中所需求的不锈钢品种有很多是国内企业不能和无法提供的，如高硅，硅含量超过7.5％以上的高硅不锈钢管，高氮不锈钢管等等，均是我国尚不能生产或技术和工艺不够成熟，产品质量不够稳定，无法提供。诸如此类不锈钢管及其他类型不锈钢管及其设备是以国外进口的形式给予满足的。

随着世界经济一体化发展，国内外不锈钢管件生产技术和生产量均有了很大的发展，在社会发展和居民生活中扮演者着重要的角色。国外的工艺技术和装备水平生产线主要采用现代化的自动控制技术和激光、无损探伤检测手段以保证不锈钢最终的产品质量，并不断优化新的产品种类。我国不锈钢生产也紧跟世界最前沿技术，无论是无缝管还是焊接管的生产都出现了很多新工艺和高效率设备。不锈钢产品生产的技术、产量、质量和品种均有不同程度的提高和增加。目前我国不锈钢生产在新产品研究开发上还存在一定的差距，考虑到不锈钢企业在国际市场上的竞争，本公司历年来在不锈钢管新产品、新工艺投入研发，目前针对海水淡化及海洋平台、深海工程用工况开发一款抗腐蚀性能高于或等于00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）的产品022Cr18Ni15Mo4N奥氏体不锈钢，加工及生产成本相比较，且降低了30％～40％左右，从使用工况、性能及经济效益分析，完全能够替代00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）。

022Cr18Ni15Mo4N不锈钢材料成分与性能

普通的奥氏体不锈钢在海水中的耐腐蚀性能并不理想，随着国内特殊钢冶炼新技术的进步，采用“炉外精炼+电渣重熔”工艺冶高镍、高铬、高钼以及高氮的不锈钢，可提高钢的纯净度，使海水工况使用的超级奥氏体不锈钢实现完全国产化成为可能。022Cr18Ni15Mo4N奥氏体不锈钢的主要特点是镍、铬、钼以及氮四种元素含量高，并具有稳定的奥氏体组织及高抗腐蚀性，按其质量计算，022Cr18Ni15Mo4N奥氏体不锈钢的化学成份为：C ≤ 0.02％，Si≤ 0.75％， Mn≤ 2％，P≤ 0.035％，S≤ 0.0153％， Ni=13.5-17％， Cr=16.5-19％，Mo=3.5-5％，Cu ≤ 0.75％，以及余量的Fe，N=0.10-0.25％。

通过实验测试022Cr18Ni15Mo4N奥氏体不锈钢不同使用温度下力学性能，如表1所示。

表1　022Cr18Ni15Mo4N不锈钢力学性能

通过金相显微镜对不锈钢进行金相组织观测，并进行材料耐腐蚀性能测试。

（1）成品钢管的组织主要为奥氏体和铁素体，其中铁素体的含量≤0.5％左右。

（2）通过全面腐蚀性实验，点腐蚀和缝隙腐蚀均优于316不锈钢、2205不锈钢，在15℃下，不管是否进行氯化处理，022Cr18Ni15Mo4N奥氏体不锈钢耐点腐蚀性优异；在40℃，当不加氯时，实验结果为，该类型不锈钢耐腐蚀性等同于00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L），比316不锈钢、2205不锈钢耐腐蚀性能高，此钢耐点腐蚀性能好。但与00Cr20Ni18Mo6CuN（254 SMO）超级奥氏体不锈钢比要低。

022Cr18Ni15Mo4N不锈钢管坯生产工艺

根据022Cr18Ni15Mo4N奥氏体不锈钢特点，委托第三方钢铁厂提供管坯，采用“电弧炉初炼+炉外精炼+电渣重熔”的工艺冶炼022Cr18Ni15Mo4N不锈钢。制定如下管坯开发工艺：

电弧炉初炼的普通奥氏体不锈钢，进行熔化、脱碳保铬；炉外精炼采用预脱氧和深脱氧的精炼工艺，并控制N元素含量，使N元素含量的目标值与实际值的误差在±5×10-3％；电渣重熔采用全程保护气氛，设计出最适宜的电渣重熔工艺，并以锻坯交货。按该冶炼工艺冶炼的022Cr18Ni15Mo4N奥氏体不锈钢管坯，其各项性能满足技术要求。

基于022Cr18Ni15Mo4N奥氏体不锈钢钢管的最终用途，进行化学成份优化设计，通过与904L不锈钢耐腐蚀性能对比，进行成分优化，添加0.01％～0.03％的La-Ce复合稀土，稀土元素原子通过在晶界上与其他合金元素交互作用，引起晶界结构重组、化学成分偏聚和能量势垒的变化，并最终影响各元素的扩散、形核及长大，从而优化不锈钢的性能。稀土元素还可以与不锈钢中夹杂物形成高熔点化合物从而消除低熔点夹杂导致的不锈钢高温性能的降低。

022Cr18Ni15Mo4N不锈钢无缝管制备工艺

根据加热、穿孔、固溶处理、酸洗钝化等工艺设计，并对022Cr18Ni15Mo4N奥氏体不锈钢钢管化学成份、机械性能及晶间腐蚀性能进行检测分析，确定其工艺的可行性，将其该工艺产生的经济效益与00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不锈钢钢管的生产工艺及制造成本进行对比分析。

注：虚线线框中为关键过程即创新点。

热挤压工艺

对于一般不锈钢钢管产品的研发和生产，我国传统工艺是采用“热穿孔+冷轧（拔）”路线，该工艺路线生产成本低、效率高。但对于022Cr18Ni15Mo4N不锈钢这种高氮无缝钢管，由于考虑到其组织结构、热塑性与一般不锈钢钢管产品不同，国际上通常采用热挤压工艺方式进行加工制造。通过热挤压工艺制造的挤压钢管，其表面质量、尺寸精度和钢管内部组织状态对后续进行管材冷加工的质量有十分重要的影响。生产022Cr18Ni15Mo4N不锈钢无缝管母管，其热挤压工艺为：

1）将钢棒加热到 1060℃～1080℃，保温2h；

接着立即将钢棒温度降低到990℃～1020℃，保温4h；

最后钢棒温度在1020℃时采用钼钉头对钢棒进行穿孔。

穿孔工艺

钼含量高会提高硬度，022Cr18Ni15Mo4N奥氏体不锈钢无缝管母管的含钼量高于3.5％，在传统工艺下穿孔温度远高于1020℃，因此，在热挤压工艺步骤1、2 中，对钢棒在高温环境下的两次保温处理是为了使钢棒充分固熔，经过两次固熔后钢棒物理和化学性能均得到提升，使穿孔工艺有条件在相对低温的1020℃实施，从而使步骤3的穿孔能够顺利实施，上述穿孔工艺一次穿孔数量最好是10根，每穿孔10根后钼顶头一般需要10min冷却。

热穿孔工艺技术是批量、稳定生产合格022Cr18Ni15Mo4N奥氏体不锈钢钢管的关键，也是难点之一。通过对热穿孔工艺技术参数，包括钢管坯料加热工艺（温度控制、时间控制等）、穿孔工艺（包括钼钻头和管坯压比控制、钻压时间控制、钻压速度控制及温差比计算）等的研究和摸索，已充分掌握批量生产022Cr18Ni15Mo4N奥氏体不锈钢无缝管母管的技术要点。

冷加工和内外表面处理

经过热穿工艺孔后，不锈钢母管还要经过多道冷加工和内外表面处理工艺才能得到最终的不锈钢产品。022Cr18Ni15Mo4N奥氏体不锈钢钢管冷、热加工性能较好，适宜的热加工温度为1000～1100℃，温度再高会使钢的热加工塑性降低，并导致表面氧化加重，此钢的冷加工硬化倾向较强，但并不影响此钢的冷加工性以及钢管的冷弯曲等冷成型，但是加工变形量大的时候需要及时进行中间软化热处理。经过多次冷拉冷拔后，每次都要进行1000～1100℃的固溶处理和酸洗钝化处理。

固溶处理和酸洗钝化处理

022Cr18Ni15Mo4N奥氏体不锈钢钢管热处理及钝化工艺是采用拥有独立自主知识产权的发明专利设备及工艺，将钢管加入到1050℃保温后利用带有重金属废水喷淋，使钢管急速快冷。该项工艺不仅能够增强钢管强度及钢管表面的耐腐蚀性能，同时还环保利用了工业废水资源，降低了工业废水中的重金属含量超标对环境的污染，循环利用过的废水，在排放时候，加上适量的片碱或石灰使酸碱中和后，其重金属Ni、Cr及氟化物含量远远低于国家工业废水一级排放标准值，实现了节能减排，有效利用废物资源。在市场中使022Cr18Ni15Mo4N奥氏体不锈钢钢管与00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不锈钢钢管相比更加具有可比性和竞争力。

结语

从022Cr18Ni15Mo4N奥氏体无缝不锈钢管的品质要求着手，对经过成分优化的钢坯经行冷、热穿孔、加工成型和热处理钝化后处理，研究了化学成份、力学性能、耐腐蚀性能的影响，研制出符合相应设计要求的高耐海水腐蚀性的022Cr18Ni15Mo4N奥氏体不锈钢无缝管。该不锈钢钢管的实物质量和性能与00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不锈钢钢管相当，且生产加工成本比00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不锈钢钢管低30％～40％，完全可以替代00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不锈钢钢管在海水淡化、海洋平台及深海工程上应用，可以为我国大型海洋工程项目提供管件配套和服务。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.036