Φ720 mm 斜轧扩径机组生产薄壁P11 无缝钢管工艺探讨

高瑞全，赵庆权，何 彪，张俊萍，王立志

（天津钢管制造有限公司，天津 300301）

近年来，国内外新建和改扩建大型石化项目的快速发展，相继建设了大连长兴岛恒力石化、浙江舟山石化及连云港盛虹石化等项目，石化专用合金无缝钢管需求不断增长，其中高温用大直径薄壁P11 无缝钢管是典型品种之一。P11 为铁素体耐热钢，通过添加1.25%的Cr 及0.5%~1.0%的Si，使钢具有较强的抗氧化性能，同时通过添加0.5%左右的Mo，提高了该钢种的高温强度，可安全稳定应用于石油化工装备［1-2］。

由于石化用大直径薄壁P11 无缝钢管的壁径比S/D 小，且回火脆性敏感性系数（X-bar、J 值）要求严格，化学成分控制范围窄，造成冶炼以及轧制过程比较困难。对于大直径薄壁钢管，由于变形量大，国际上几乎没有适合轧制该产品的连轧管机组，而采用推制式扩管工艺生产大直径薄壁钢管，由于热扩变形过程中外表面没有约束力，钢管径向变形为拉应力变形，制管时会将母管的缺陷扩大，使原有轧制紧密的金相结构变得疏松，从而影响了钢管的安全使用［3］。采用该工艺生产的大直径无缝钢管，石化行业一般不建议在450 ℃以上的环境中使用。

这里介绍了采用连铸圆管坯，利用天津钢管制造有限公司（简称天津钢管）Φ720 mm 斜轧扩径工艺，生产出符合相关标准要求的Φ610 mm×14.27 mm 大直径薄壁P11 无缝钢管的过程。

1 大直径薄壁P11 钢管生产工艺

生产的P11 钢管规格为Φ610 mm×14.27 mm。生产工艺流程：EAF 电弧炉+LF 精炼炉+VD 真空精炼炉+连铸→环形炉加热+穿孔+Φ460 mm PQF 三辊连轧管+定径+探伤→坯管加热+Φ720 mm 斜轧扩径机组斜轧扩径+均整+定径+超声波探伤→热处理+性能检验+修磨+探伤+水压+人工检验+入库。

（1） 炼钢。采用优质废钢或返回料+铁水冶炼P11 原料，炼钢过程除精确控制合金元素外，尤其对S、P 以及五害元素进行严格控制，以满足回火脆性敏感性系数（X-bar、J 值）要求；同时对于VD的高真空脱气时间以及喂丝后的弱搅时间进行严格要求，保证钢中的夹杂物充分上浮。

（2） 轧管。国内外生产大直径薄壁钢管均存在困难，天津钢管结合自身特点，采用Φ460 mm PQF 热轧母管，再经Φ720 mm 斜轧扩径机组斜轧至成品规格。Φ720 mm 斜轧扩径机组的原材料管为Φ460 mm PQF 热轧坯管。坯管加热后，经过斜轧扩径、均整、定径三道次热变形后，轧制至成品钢管。由于该三道次变形外表面均有辊约束，因此钢管的径向变形为压应力变形，钢管组织更加致密，有益于钢管的高温使用性能。

（3） 热处理。步进梁式连续热处理炉采用独特的燃烧器布局，炉温控制均匀，且由于钢管旋转前进，管体受热也均匀，从而保证钢管管体及管端性能均匀性。经过前期小试样热处理数据分析，并结合炉况，将热处理工艺定为950 ℃正火+700 ℃回火。

2 产品性能分析

2.1 化学成分

经成品钢管化学成分分析，该批P11 钢管的化学成分符合ASTM A 335/A 335M—2018《高温用无缝铁素体合金钢公称管标准技术条件》要求；五害元素含量也较低，钢的纯净度好，检验结果见表1。

表1 P11 钢管化学成分（质量分数）检验结果 %

2.2 几何尺寸

对钢管进行了外径和壁厚偏差的测量，在抽取的钢管上进行了4 个截面的几何尺寸检测，P11 钢管外径检测结果见表2。从表2 可以看出，轧制后钢管的几何尺寸偏差完全满足标准要求。

2.3 室温力学性能及工艺性能

大直径薄壁P11 无缝钢管室温拉伸试样采用纵向试样，试验方法执行ASTM A 370—2017《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》。P11无缝钢管室温拉伸性能见表3。

表2 P11 无缝钢管外径检测结果

表3 P11 无缝钢管室温拉伸性能

ASTM A 335/A 335M 标准虽没有要求P11 钢管的冲击功、硬度，通过对Cr-Mo 钢研究认为，冲击功可表征夹杂物的控制水平，硬度可表征钢管性能均匀性。检测数据表明，P11 钢管冲击功高且稳定，硬度适中，说明钢管纯净度高，性能稳定。

2.4 金相组织、晶粒度、非金属夹杂物

非金属夹杂物对钢的断裂韧性、热脆性、塑性、抗疲劳性、耐腐蚀性尤其是高温性能有很大影响［4］，而合理的组织和晶粒度则保证了锅炉管长时间在高温下工作的安全性。

对天津钢管生产的P11 无缝钢管进行了夹杂物、组织及晶粒度分析。分析结果：A 类细系和D类细系非金属夹杂物级别均为0.5 级，其他夹杂物级别为0 级；钢管内、中、外组织均为铁素体+珠光体及少量贝氏体，晶粒度为7.5 级，并且无带状组织出现。P11 无缝钢管金相组织如图1 所示。

图1 P11 无缝钢管金相组织

2.5 韧脆转变温度

短时高温性能反映钢在一定温度下的抗变形能力，同时也反映钢的高温塑性，是衡量钢的另一重要指标。采用系列冲击的方法对产品P11 无缝钢管进行韧脆转变温度测定，测出韧脆转变温度为-43.5 ℃，P11 无缝钢管转变温度曲线如图2 所示。

图2 P11 无缝钢管韧脆转变温度曲线

2.6 持久强度试验

持久强度是石化高温高压部件设计的主要依据，是耐热钢最重要的性能指标之一。因此，按照GB/T 2039—1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》，在RD2-3 型试验机上对P11 无缝钢管进行了540 ℃下的持久强度试验［5-7］，各加载应力下的断裂时间见表4，持久强度外推曲线如图3 所示。通过采用Origin 软件进行持久强度σ 外推，其外推方程为：

通过计算，外推105h 的持久强度为66.1 MPa，具有很高的持久强度。

表4 不同应力下的断裂时间

图3 持久强度外推曲线

3 结 语

天津钢管采用Φ720 mm 斜轧扩径机组生产的大直径薄壁P11 无缝钢管的各项性能完全符合ASTM A 335/A 335M 标准要求，其显微组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体，组织均匀，钢质纯净度高，脆性转变温度为-43.5 ℃左右；Φ610 mm×14.27 mm P11 无缝钢管尺寸高于相关标准要求，实现了国产化，可广泛应用于各石化项目。