酸性环境用低温无缝钢管(—50℃)的研制

涂露寒,孙立东,郭元蓉,胡茂会

(攀钢集团成都钢钒有限公司,四川成都610303)

酸性环境用低温无缝钢管(—50℃)的研制

涂露寒,孙立东,郭元蓉,胡茂会

(攀钢集团成都钢钒有限公司,四川成都610303)

从成分设计、冶炼、轧制及热处理工艺流程等方面,详细介绍了酸性环境用低温无缝钢管(—50℃)的生产过程。研发的钢管从冶金质量、化学成分、力学性能、无损检测等各项指标均满足ASTM/ASME相关规范的要求,且产品的低温(—50℃)冲击韧性和抗腐蚀性能达到石化工程的设计和使用要求,满足众多石化工程建设需要。

酸性环境;低温无缝钢管;—50℃;Gr.6;生产工艺

1 引言

随着我国石化工业的发展,大型石化项目增加,建设步伐加快,对炼油及石油化工行业的专用无缝钢管需求增加,尤其是低温酸性服役环境,当服役环境中的H2S分压达到0.000 3MPa时,对服役材料产生的腐蚀问题不容忽视[1],必须选择具备抗H2S腐蚀性能的材料。输送低温酸性服役介质的管道及管件,要求其既具有良好的低温冲击韧性,又必须具有适应酸性环境服役的抗H2S腐蚀性能[2—4]。故管道设计需考虑到二者兼备。

以下将重点介绍酸性环境用低温无缝钢管(—50℃)的研制开发情况。

2 酸性环境用低温无缝钢管(—50℃)的技术要求

2.1 化学成分和力学性能的要求

依据SH/T 3059—2012《石油化工管道设计器材选用规范》[5]、NACE MR0175—2003《油田设备用抗硫化物应力腐蚀断裂和应力腐蚀裂纹的金属材料》[6]标准要求及石化设计院的技术规格书要求,酸性环境用低温无缝钢管的化学成分要求见表1,力学要求见表2。

表1 酸性环境用低温无缝钢管(—50℃)的化学成分(质量百分数)要求

表2 酸性环境用低温无缝钢管(—50℃)的性能要求

2.2 抗腐蚀性能要求

(1)抗氢致开裂(HIC)试验采用NACE TM0284—2003标准:

试验溶液:A溶液;

试验温度:25±3℃;

试验时间:96h;

每个试件三个断面的平均值不超过下列指标:裂纹长度率(CLR)≤15%,裂纹厚度率(CTR)≤5%,裂纹敏感率(CSR)≤2%。

(2)抗硫化物应力腐蚀开裂(SSC)试验按ISO 7539—2或ASTM G39标准,采用四点弯曲试件:

试验溶液:NACE TM 0177 A溶液;试验温度:24±3℃;试验加载应力:90% SMYS;

试验时间:720h

试件的受拉伸面在低倍显微镜下放大10倍检查,试件受拉伸面无开裂。

3 生产工艺

3.1 工艺流程

通过分析石化装置用酸性环境的低温无缝钢管(—50℃)的质量要求,提出了以下生产工艺方案:采用LF+VD精炼工艺和控制低温管钢冶炼过程增碳和钢质纯净度的技术,保证其低碳、低硫、低磷、高纯净度的冶金质量要求[7];按规格组距优选轧管机组和变形工艺;优化热处理工艺,以获得满足酸性环境服役特殊要求的产品性能。按此思路设计的基本生产工艺流程:冶炼→精炼→连铸坯/钢锭→轧管→热处理→取样→表面精整→水压试验→无损检测→尺寸检查→成品包装。

3.2 关键技术

3.2.1 化学成分设计

在标准规定的Gr.6钢管成分框架下,重点设计对低温(—50℃)冲击有重要影响的P、C、V、Ti成分,对屈服强度和屈强比有影响的Mn、C含量,对抗腐蚀影响的S、Ni含量。

控制碳含量(C%),保持适量的珠光体组分,适当提高强度而降低屈强比。由于碳对低温韧性不利,故一般的低温管在满足拉伸性能指标的前提下,要求碳含量尽可能地低。但对于酸性环境用低温管,要求控制较低的屈强比,则需要兼顾低温韧性和强度指标,调整原来的“低碳设计”思路,适当提高碳含量、相对提高强度,从而实现控制屈强比目的。

Mn是低温管Gr.6的主要合金元素,它增加钢的淬透性并稳定奥氏体组织,有利于获得部分贝氏体,提高强度;但Mn又是碳化物的形成元素和强偏析元素,不利于提高组织的均匀性。因此Mn含量不宜过高。

严格控制有害元素S、P含量。S、P作为钢中的有害元素,均会恶化Gr.6的低温冲击韧性,必须加以严格限制:S≤0.003%,P≤0.010%,从而防止氢致裂纹的产生和氢致裂纹的扩展[8—9]。

微量的V、Ti元素有助于细化晶粒、提高低温冲击韧性,但过多的V、Ti碳化物在晶内的弥散将导致钢管韧性的降低,不利于低温环境服役,因此应慎用,而且必须严格控制范围。

3.2.2 冶炼工艺

针对酸性环境用Gr.6钢低碳、低硫(S≤0.003%)、低磷(P≤0.010%)钢冶炼技术和夹杂物变性技术要求,采用“电弧炉/转炉冶炼+LF精炼+VD真空精炼”的冶炼工艺,保证钢质纯净度;优化连铸工艺,解决低碳锰钢发生包晶反应导致铸坯坯壳不均匀,产生漏钢、凹陷及铸坯表面裂纹的问题;炉外精炼采用大渣量泡沫渣,中间包采用双层低碳覆盖剂,解决低温管钢冶炼过程的增碳问题[10]。

3.2.3 制管工艺

轧制酸性环境用Gr.6,控制适当的管坯加热温度和终轧温度,既能够保证轧管过程顺利,又可防止晶粒粗大和产生混晶,保证钢管性能既满足优良的低温管冲击韧性要求,又能按设计规定控制屈服强度和屈强比;钢坯的加热温度过高,不仅会造成原始晶粒粗大,同时也会导致钢管的终轧温度高,使轧后冷却至相变温度的时间较长、奥氏体晶粒长大充分,相变重结晶后形成的铁素体晶粒相对于加热温度低的晶粒粗大,存在不均匀的混晶组织,对低温冲击韧性非常不利;加热温度过低,轧制变形的负荷升高,增加工模具消耗,同时容易发生轧卡、断销等故障,影响变形过程顺利进行;同时若终轧温度过低,如完全进入两相区进行变形,除了铁素体晶粒细化提高屈服强度外,析出物也增加,并和先析出的铁素体经轧制形成变形织构(带状组织),对抗腐蚀性能不利,故管坯的加热温度通常控制在适当的范围内[11—12]。同时加强对工模具的润滑,保证钢管具有良好的表面质量。

3.2.4 热处理工艺

针对酸性环境用Gr.6低温无缝钢管既要具有良好的低温冲击韧性和较低的硬度及屈强比,同时也保证钢管具有理想的抗腐蚀性能的特点,设计适当的热处理工艺,保证其硬度和屈服强度指标规定;研究优化的低温管热处理工艺,控制钢管晶粒度和铁素体组织含量,满足产品性能设计指标和控制屈服强度/屈强比/硬度等特殊性能要求[13—14]。

4 产品性能检验结果

按酸性环境用低温管的设计要求和ASME SA 333/SA 333M标准[15]规定,对酸性环境用低温(—50℃)无缝钢管Gr.6进行化学成分、拉伸性能、冲击韧性、硬度、屈强比、组织、晶粒度及高倍夹杂物评级等项目的检验;分别按NACE TM0284—2003、NACE TM 0177标准进行了抗氢致开裂(HIC)试验和抗硫化物应力腐蚀开裂(SSC)试验。

4.1 化学成分

酸性环境用Gr.6低温无缝钢管的化学成分完全满足技术标准要求,有害元素的实际控制水平完全满足设计要求,而且优于技术规范要求,其中P≤0.010%,S≤0.003%。

4.2 常温力学性能

酸性环境用低温(—50℃)无缝钢管Gr.6力学性能检测结果分别见表3。结果表明:研制的酸性环境用低温(—50℃)无缝钢管Gr.6的力学性能以及低温冲击韧性稳定,指标优于标准和技术协议的规定。

表3 酸性环境用低温(—50℃)无缝钢管Gr.6代表规格力学性能

4.3 金相组织、晶粒度及非金属夹杂物评级

酸性环境用低温(—50℃)无缝钢管Gr.6高倍检验结果分别见表4和图1～3。结果表明:研制的酸性环境用低温(—50℃)无缝钢管Gr.6的非金属夹杂物级别优于技术协议规定,金相组织为均匀的铁素体+珠光体,铁素体含量控制在70%以上,有利于保证其屈强比低于0.75。典型金像组织见图1～3。

表4 酸性环境用低温(—50℃)无缝钢管Gr.6高倍检验结果

4.4 抗腐蚀检测

(1)抗氢致开裂(HIC)试验

采用NACE TM0284—2003标准,试验溶液:A溶液,试验时间:96h,试验温度:25± 3℃。一套抗氢致开裂(HIC)试验用试样含三个试件,每个试件三个断面的各个最大允许平均比率均符合下列验收极限:

裂纹长度率(CLR)=0,裂纹厚度率(CTR)=0,裂纹敏感率(CSR)=0。

目前,酸性环境用低温(—50℃)无缝钢管Gr.6已在国内中石化洛阳工程有限公司的哈萨克斯坦项目、中国石油云南炼化项目、中海石油宁波大榭石化加氢装置、神华宁夏煤业集团煤炭间接液化项目、中天合创鄂尔多斯煤炭深加工示范项目高压临氢装置等项目上进行了使用,以及出口到加拿大、韩国、伊朗等国外石化项目。这不仅满足了石化工业发展的需要,也提高了国产抗腐蚀低温管Gr.6的质量水平,其社会效益和经济效益显著。产品整体技术水平达到国际先进水平。

图1 Gr.6无缝钢管组织F(85%)+P(15%)F晶=7.5级

图2 Gr.6无缝钢管组织F(90%) +P(10%)F晶=8.0级

图3 无缝钢管组织F(90%)+P(5—10%) F晶=8.5～9.0级

[1] 全国石油钻采设备和工具标注化技术委员会. GB/T 20972.2—2008石油天然气工业_油气开采中用于含硫化氢环境的材料_第2部分:抗开裂碳钢、低合金钢和铸铁)要求[S].2008.

[2] 张勇,王家辉.石化设备湿硫化氢应力腐蚀失效及其防护[J].石油工程建设,1995,(6).

[3] 李明,李晓刚,陈华.在湿硫化氢环境中金属腐蚀行为和机理研究概述[J].腐蚀科学与防护技术,Mar.2005,17(2).

[4] 邱正华,张桂红,吴忠宪.低温钢及其应用[J].石油化工设备技术,2004,25(2):43—46.

[5] 中国石油化工集团公司.SH/T 3059—2012石油化工管道设计器材选用规范[S].2012.

[6] 美国腐蚀工程师协会.NACE MR0175—2003油田设备用抗硫化物应力腐蚀断裂和应力腐蚀裂纹的金属材料[S].2003.

[7] 陈坤,蒋世川.高酸性环境用超低硫管线钢冶炼工艺研究[J].钢管,2012,41(2):30—33.

[8] 张志远,穆瑞三.夹杂物对套管抗硫化氢应力腐蚀性能的影响[J].钢管,2014,46(6):18—23.

[9] 殷光虹,施青,孙元宁.管线用钢氢致裂纹(HIC)影响因素分析[J].钢管,2004,33(9): 20—26.

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[11]王有铭,李曼云,韦光.钢材的控制轧制和控制冷却[M].北京:冶金工业出版社,1995.37—47.

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[14]黄正,姚枚,范莹龙.铁素体形态和分布对低碳低温断裂行为的影响[J].金属学报,1987,23 (3):223—227.

[15]美国机械工程学会.ASME SA 106—2013低温用及其他规定缺口韧性用途的无缝和焊接公称钢管[S].2013.

Development of Low-temperature Seamless Steel Tube(—50℃)for Sour Service

TU Lu-han,SUN Li-dong,GUO Yuan-rong,HU Mao-hui

(Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.,Ltd.,Chengdu,610303,China)

Describing here is the manufacturing process of low-temperature seamless steel tubes (—50℃)for sour service in respect of composition design,smelting,rolling and heat treatment processes.The indexes of steel tubes developed comply with relevant specification in metallurgical quality,chemical composition,mechanical property,NDT,etc.The products meet the design and operating requirements of petrochemical engineering in low-temperature(—50℃) impact toughness and anti-corrosion performance,and also meet the demand for numerous petrochemical projects.

sour service;low-temperature seamless steel tube;—50℃;Gr.6; manufacturing process

1001—5108(2016)03—0021—05

TG142.79

A

涂露寒,学士,主要从事无缝钢管新产品开发工作。