國產(chǎn)P9無縫鋼管的性能分析及應用

王起江，張清廉，樊志菁，劉耀恒

(1．寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海201900;2．上海交通大學，上海200240)

隨著我國石化工業(yè)高溫裂化設備逐步向大型化方向發(fā)展，以及進口高硫原油逐步增多，使石油化工設備腐蝕問題日趨嚴重。因此，迫切需要研制出更好的耐高溫、耐腐蝕材料，以滿足石油裂化設備快速發(fā)展的需要。為了適應這種需求，寶鋼于2005年開展石油裂化用P9鐵素體合金無縫鋼管的研制，其產(chǎn)品性能滿足美國材料與試驗學會標準ASTMA335的要求，可替代進口產(chǎn)品。

1 P9鋼化學成分及合金化原理

P9鋼的化學成分與傳統(tǒng)的石油裂化用無縫鋼管(如 P11，P12，P22，P5)相比，P9 中 Cr元素質(zhì)量分數(shù)更高，平均達到9.0%;Mo元素質(zhì)量分數(shù)平均達到1.0%，具體參數(shù)見表1。Cr含量高有利于提高材料抗高溫氧化腐蝕和熱強性能，其機理主要靠表面形成較致密的Fe3O4·Cr2O3膜或致密的Cr2O3膜，以減緩鋼件繼續(xù)氧化的速度［1］。Mo元素是提高固溶體基體再結(jié)晶溫度和提高熱強性的主要元素，溶解在固溶體后會發(fā)生強烈晶格畸變，并增加晶格原子鍵引力，提高α-鐵素體再結(jié)晶溫度［2］，有利于增強鋼的熱強性。C元素質(zhì)量分數(shù)小于0.15%，有利于焊接。Mn元素質(zhì)量分數(shù)在0.30%～0.60%時具有良好的脫氧去硫作用，有利于提高鋼質(zhì)。Si元素質(zhì)量分數(shù)在0.25%～1.00%時具有良好的脫氧能力，同時高溫下含硅的耐熱鋼表面會形成一層致密、保護性好的氧化膜，有利于提高鋼抗氧化性能。較低的S，P含量，有助于抗硫化氫應力腐蝕。因此，P9相對于 P11，P12，P22，P5具備更好的抗高溫氧化、抗硫化氫應力腐蝕性，以及具有較高熱強性等優(yōu)點，可在大型石化裝置中推廣使用。

表1 石油裂化用無縫鋼管化學成分Table 1 Chemical composition of Seamless steel pipes for petroleum cracking w，%

2 P9無縫鋼管性能評定

2.1 室溫拉伸性能

由于用戶應用工況不同，對P9無縫鋼管成品供貨組織狀態(tài)也有不同的要求。常用的交貨狀態(tài)一種是正火+回火，另外一種是等溫退火。兩種熱處理供貨狀態(tài)鋼管的室溫拉伸性能都要求滿足ASTM A335M標準要求，即:屈服強度大于205 MPa，抗拉強度大于415 MPa，延伸率大于30%。圖1～3是正火+回火171個樣本數(shù)與等溫退火態(tài)658個樣本數(shù)室溫拉伸性能比較。從對比中可以看出，正火+回火供貨狀態(tài)的鋼管屈服強度、抗拉強度均值分別是479.1 MPa和653.5 MPa，比等溫退火狀態(tài)鋼管屈服強度、抗拉強度均值高209.3 MPa和122.9 MPa，而正火+回火供貨狀態(tài)的鋼管延伸率均值是31.07%，比等溫退火狀態(tài)鋼管延伸率低4.71%。用戶可根據(jù)性能試驗數(shù)據(jù)選擇適合自己工況的產(chǎn)品。

圖1 兩種熱處理狀態(tài)鋼管屈服強度比較Fig．1 Yield strength comparison of pipe under two heat treatments

2.2 瞬時高溫拉伸性能

兩種熱處理狀態(tài)的鋼管高溫性能也是不同的，圖4是兩種熱處理狀態(tài)的鋼管瞬時高溫強度比較。從圖中可以看出，正火+回火熱處理狀態(tài)的鋼管高溫強度要明顯高于等溫退火狀態(tài)鋼管。兩種熱處理狀態(tài)的鋼管瞬時高溫強度都高于ASME標準D篇所給定的150℃至500℃標準值。

圖2 兩種熱處理狀態(tài)鋼管抗拉強度比較Fig．2 Tensile strength comparison of pipe under two heat treatments

圖3 兩種熱處理狀態(tài)鋼管延伸率比較Fig．3 Elogation comparison of pipe under two heat treatments

圖4 兩種熱處理狀態(tài)的鋼管瞬時高溫強度比較Fig．4 Instantaneous high temperature strength comparison of pipe under two heat treatments

圖5 兩種熱處理狀態(tài)的鋼管650℃持久蠕變性能對比Fig．5 Comparison of endurance creep properties at 650 ℃

2.3 高溫持久蠕變性能

按國標《金屬拉伸蠕變及持久試驗方法》GB/T 2039-1997，對P9鋼管沿縱向取φ10mm圓柱形標準試樣，在RD2-3型蠕變持久試驗機上進行650℃蠕變試驗，評估和試驗兩種熱處理狀態(tài)的鋼管高溫蠕變性能。圖5分別是兩種熱處理狀態(tài)的鋼管，在650℃高溫條件下持久蠕變性能和蠕變速率對比。從圖中可以看出，隨正火溫度的提高，高溫蠕變性提高，蠕變速率下降。表明采用較高的正火溫度有利于提高材料的高溫蠕變性能。

3 與進口管對比

3.1 微觀組織形貌

根據(jù)ASTM A335M標準要求，P9無縫鋼管成品兩種供貨狀態(tài)鋼管的金相照片見圖6。圖中呈現(xiàn)的等溫退火態(tài)交貨的組織為珠光體(P)+鐵素體(F)組織，而正火+回火狀態(tài)交貨組織是回火馬氏體(M)組織。

寶鋼石油裂化用P9鐵素體合金無縫鋼管自2005年開始研制以來，十分重視與國外進口管進行比較。表2是寶鋼P9產(chǎn)品主要化學成分與進口管比較，其中進口樣品和寶鋼樣品的樣本數(shù)分別為17，40。圖7是寶鋼P9產(chǎn)品高溫持久性能與進口管比較。從表和圖中可以看出，寶鋼P9產(chǎn)品P含量要略好于進口管，其它元素控制二者相當。在P9產(chǎn)品持久性能方面要好于進口管，尤其在高溫下。

圖6 兩種熱處理狀態(tài)的P9鋼管金相Fig．6 Microstructure of P9 under two heat treatments

表2 寶鋼P9產(chǎn)品主要化學成分與進口管比較Table 2 Comparison of chemical composition between Baosteel P9 and imported P9 w，%

4 應用業(yè)績

寶鋼石油裂化用P9鐵素體合金無縫鋼管自2007年形成批量化供貨能力以來，一直得到了國內(nèi)石化行業(yè)的青睞及應用。產(chǎn)品先后供給了中國石化集團茂名石油化工基地項目、中國石化上海石油化工股份有限公司0.6 Mt/a芳烴項目重整爐裝置，以及中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司延遲焦化爐改造項目等，替代了進口產(chǎn)品，受到了用戶好評。寶鋼P9產(chǎn)品在2011年還有450 t產(chǎn)品出口至新加坡和美國。

圖7 寶鋼P9產(chǎn)品高溫持久性能與進口管比較Fig．7 Comparison of high temperature stress rupture property between Baosteel P9 and imported P9

5 結(jié)語

(1)兩種熱處理工藝試驗數(shù)據(jù)表明，寶鋼產(chǎn)石油裂化用P9鐵素體合金無縫鋼管各項技術指標和性能均能符合ASTM A335M標準要求，說明研制和開發(fā)寶鋼P9產(chǎn)品所選擇的工藝設計是正確的。

(2)寶鋼產(chǎn)P9與進口產(chǎn)品比較，以及應用業(yè)績表明，寶鋼P9產(chǎn)品性能指標優(yōu)良，完全能夠滿足我國石化領域的要求，替代進口產(chǎn)品。

(3)寶鋼P9產(chǎn)品研制成功，有利地支撐了我國石油化工行業(yè)的發(fā)展，提高了我國大型化工裝置的制造能力和水平。

［1］ 束國剛，劉江南，石崇哲，等.超臨界鍋爐用T/P91鋼的組織性能與工程應用［M］.西安:陜西科學技術出版社，2006:20．

［2］ 趙欽新，朱麗慧.超臨界鍋爐耐熱鋼研究［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009:95．