加氢裂化装置大口径厚壁无缝钢管的技术要点和制造方式

罗志军

(中石化洛阳工程有限公司，河南 洛阳 471003)

加氢裂化工艺因其加工原料范围广(可加工的原料从石脑油到页岩油、煤焦油及渣油)[1]、产品质量好、品种多、液体产品收率高以及生产灵活性大等特点，越来越受到重视。

本文仅从设计的角度，以加氢裂化中有典型代表性的反应流出物的高压大口径厚壁(外径400 mm以上，外径与壁厚比为5.5～9.0)[2]不锈钢无缝钢管为例，结合介质特性对钢管特点、冶炼方法、加工方式及热处理方式进行探讨。

1 大口径厚壁无缝钢管的特点

由于加氢裂化装置反应流出物操作条件极其苛刻(操作温度为361～440℃，反应流出物操作压力为14.5～17.13MPa(g))[1]，同时还处于氢气、硫化氢、环烷酸及可能出现的连多硫酸等多重介质存在的苛刻操作工况中。

此外，相对于薄壁无缝钢管而言，加氢厚壁无缝钢管的生产工艺有自身的一些特点。

(1)由于厚壁无缝钢管处于高压操作工况，造成管道储能高，因此，要求可靠性也比较高。在高压条件下，管道的壁厚余量较少，同时由于其刚度大而导致热补偿困难，由此产生的二次应力也较高，必将导致对金属材料的缺口敏感性增加。

(2)由于厚壁无缝钢管处于高温操作工况，会引起金属一系列的变化，如化学稳定性的变化、金属组织稳定性的变化、热疲劳的发生及缺口敏感的增加等。

(3)当钢管壁厚较大时，若轧机的轧制力不够，会出现沿管道横截面金属组织不均匀和金属变形量不够的现象，从而导致材料性能下降，严重时，会导致二次变形开裂，并会带来一系列不利的影响。

(4)当钢管壁厚较大时，热处理条件发生很大变化，制造厂必须有足够的经验数据，并应根据不同的壁厚确定合理的热处理参数，并进行精确控温和控制加热时间。

由此可见，加氢裂化高压大口径厚壁无缝钢管不能采用普通的生产工艺进行制造，也不宜采用焊接钢管。

2 不锈钢的生产方法

对操作温度等于或高于200℃，介质中含有氢气的碳钢及合金钢管道，应根据API941的Nelson曲线选择合适的抗氢材料[3]，确定反应流出物管道材质为奥氏体不锈钢。但奥氏体不锈钢长期在400～850℃高温下时，会产生晶间腐蚀倾向。防止铬镍奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的办法有两个：一是降低钢材中的碳含量，以减少碳化物的析出；二是添加能形成稳定碳化物的元素(如钛或铌)，以防止碳化铬的析出。

对钢管质量影响较大的工序主要有冶炼方法、轧制方式和热处理。在化学成分满足标准的前提下，工程上最关注的是控制材料的纯净度，包括非金属夹杂物和有害元素。

2.1 冶炼方法

目前，世界上不锈钢冶炼方法分为一步法、二步法和三步法。

由于一步法有对原料要求苛刻、能耗高、冶炼周期长、生产率低和产品质量差等诸多缺点，因此很少采用。

1965年诞生的VOD(真空吹氧脱碳)精炼装置和1968年诞生的AOD(氩氧脱碳)精炼装置，对不锈钢生产工艺的变革起了决定性作用，将这两种精炼设施的任何一种与电炉相配合，形成了不锈钢的二步法生产工艺。

三步法是在二步法的基础上增加深脱碳(CC)的装备，对钢水进一步脱碳和调整成分。通常的三步法有初炼炉→AOD/VOD/电渣重熔→CC、初炼炉→MRP→AOD/VOD/电渣重熔→CC 等形式。

目前，高压临氢不锈钢管主要使用二步法生产。

2.2 AOD与VOD的主要特点2.2.1 AOD的主要特点

(1)AOD能够采用含碳1.5%以下的初炼钢水，因此，可以采用廉价的高碳FeCr、FeNi40以及35%的碳钢废钢进行配料，原料成本较低。

(2)AOD法可以一步将钢水中的碳脱到0.08%，延长冶炼时间或增加Ar量，还可进一步将钢水中的碳脱到0.03%以下。除超低碳、超低氮不锈钢外，95%的品种都可以生产。

(3)生产周期较短，灵活性较好。

2.2.2 VOD的主要特点

(1)降碳保铬效果好，通过控制真空度，可在铬几乎不被氧化的情况下脱碳。

(2)由于是在钢包中精炼，精炼后不吸收氮、碳，更适合冶炼超低碳、超低氮不锈钢。

(3)脱氧效果好。

(4)在真空条件下冶炼，钢的纯净度高，碳氮含量低，一般C+N<0.02%，而AOD 法则在0.03%以上，因此VOD 法更适宜冶炼C、N、O 含量极低的超纯不锈钢。

如前文所述，加氢裂化装置反应流出物管道的主要材料为TP321或TP347，ASME A312 标准中对TP321或 TP347不锈钢的碳含量规定为小于等于0.08%，同时，为保证TP321不锈钢的抗晶间腐蚀，规定钛含量应不低于5倍碳含量且不高于0.70%，对于TP347不锈钢来说，铌+钽含量应不低于10倍碳含量且不高于1.0%[4]，可见，降低碳的含量是提高抗晶间腐蚀的有效途径。通过上述AOD与VOD的主要特点可知，采用电炉+AOD的冶炼方式是比较适合工程装置的。

2.3 轧制方式

目前，国际上的轧管方法主要有连续轧管法、周期轧管法、顶管法、空心锻造、冷轧法、热扩法和冷拔法等。

2.3.1 连续轧管法

连续轧管方法是目前世界上应用最多的一种生产方法，其具有生产效率高、钢管尺寸精度高以及价格便宜等特点，但其轧制力比周期轧管小，仅用于φ406及以下的规格生产。另外，由于连轧机组更换模具耗时长，比较适合单规格、大批量的钢管生产，如油田专用钢管。而加氢裂化上使用的厚壁不锈钢管规格多，而且每种规格的量又不大。因此，连续轧管方法并不是生产加氢厚壁钢管的最佳方法。

2.3.2 周期轧管法

1891年诞生的周期轧管方法是一个最古老而且成熟的钢管生产方法，其特点为工件的运动并不是一直向前运动，而是进二退一。Reinhard教授[5]将轧机的此工作特点与朝圣者的步伐联系起来，因此称之为皮尔格分段轧管工艺。它可以纵轧，因为存在凸轮效应，每个周期内管坯还将受到冲击力，因此，它是“锻制+轧制”的结合。在轧制过程中，单道次壁厚可从80mm减到20mm(φ720轧机数据)，更容易使管道横截面金属组织变形均匀。此外，皮尔格轧机更换模具耗时较短。因此，更加适合加氢裂化大口径厚壁无缝钢管批量小、规格多的特点。

随着科学技术的发展，其他的轧管技术在很大程度上取代了周期轧管工艺。现今，周期轧管机组仅用来轧制厚壁大型无缝钢管[5]。

2.3.3 顶管法

1891年，艾哈德发明了方坯冲孔工艺，这是一种为解决更大口径(如DN600及以上)无缝钢管生产的加工方法。

但顶管法的成型过程实质上是热拔过程，没有碾压，更没有锻压作用，是对荒管内在缺陷放大的过程，金属的致密性也得以部分释放，因此，其产品要劣于连轧和周轧的产品性能。除此之外，顶管法生产出来的管子需要里镗外扒，还需切除下部管端的封头，使得钢管的材料所得率较低，因此造成钢管价格较高。

笔者建议，此类钢管仅用于DN600及以上、且壁厚小于等于SCH100的非临氢工况。

2.3.4 空心锻造法

空心锻造法目前算不上一种工业化生产无缝钢管的方法，其加工效率低，成材率也较低，与前面所说的三种方法生产出的产品相比，价格竞争力较低。但对于采用连轧机组和周期轧管机不能生产的无缝钢管，在批量比较小的情况下，采用空心锻造法生产无缝钢管也不失为一种选择，如笔者2018年参与的全球单套规模最大的蜡油加氢裂化装置中，DN600以上厚壁管道均采用空心锻造方法。

2.3.5 冷轧法

目前世界上最大的冷轧机，最大口径可达φ457，通常主流的不锈钢管冷轧机分为二辊式轧机和三辊式轧机。

三辊轧机延伸率一般不大于1.5，两辊轧机一般不大于2.8，所以从变形量角度讲，两辊大于三辊，三辊壁厚的尺寸公差较两辊轧机有所提高。应注意的是，三辊轧管机组在生产厚壁管时，较大的扩径穿孔率对保证壁厚精度不利，一般扩径率应控制在5 %以下[6]。

冷轧产品与同类热轧产品相比，其壁厚均匀、表面质量好、单支钢管长度长。轧制产品的理化指标高于同类热轧产品。

但对于加氢裂化大口径厚壁无缝钢管来说，随着壁厚增加，会出现增加轧制的难度、产生管道横截面金属组织变形不均匀的问题，将严重影响材料的化学性能和机械性能。

笔者建议，在加氢裂化装置中，不推荐冷轧法用于φ457及以上、且壁厚大于40mm的无缝不锈钢管生产。

2.3.6 热扩法

具有80多年历史的热扩法是，是生产大口径无缝钢管的一种古老而廉价工艺方法。热扩法分斜轧扩径、拉拔扩径和顶推扩径3种生产方法。

无论何种方法，热扩的过程是钢管内在缺陷放大的过程，且和扩径量与延伸率成正比。

笔者建议，热扩管(特别是拉拔扩径和顶推扩径的产品钢管)仅限用于管道级别为SHA3、SHA4 SHB及SHC类管道。当用于SHA3且设计压力大于4.0MPa时，还应加上临氢环境、有应力腐蚀开裂和低温环境应慎用的限制。

2.3.7 冷拔法

冷拔钢管则多用于小尺寸钢管的生产，这里不再赘述。

2.4 热处理

热处理是影响钢管最终质量的重要因素之一，尤其是对合金钢和不锈钢材料。最终的热处理会直接影响到材料的常温机械性能、高温机械性能、组织稳定性和化学稳定性等。

对于厚壁无缝钢管来说，随着壁厚的增加，热处理的难度加大，这就要求既要保证所有材料达到预期的热处理效果，又要防止晶粒长大。

这些都要求制造厂必须有一套成熟的热处理技术和足够的经验数据，以达到精确控温和控制加热时间。其核心包括制定合理的热处理参数、控制炉温偏差、保持加热均匀等。

就热处理炉型来说，电炉是比较好的选择，其优点为温度偏差小、加热较均匀及炉气氛中有害介质(如硫)较少等。对这些钢管建议采用电炉进行热处理，但这并不意味着非电炉不选。

3 结语

笔者认为，制造厂必须有针对性地了解加氢裂化的工艺介质特点，通过控制原材料的纯净度并采用电炉+AOD的冶炼方式，为下一步的锻造开坯并保证穿孔后的荒管质量奠定基础。

根据Biller博士“无缝钢管轧制工艺选择”一文中列出的轧管工艺设备的使用范围可知，当管径超过φ457时，特别是锅炉制造主要使用的直径小于φ711的厚壁管更是其他轧管工艺所不能代替的，周期轧管机是最佳的选择。据此，笔者认为，对于加氢裂化的大口径厚壁无缝钢管，周期轧管法是最好的轧制方法。