加氫裂化裝置大口徑厚壁無(wú)縫鋼管的技術(shù)要點(diǎn)和制造方式

羅志軍

(中石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003)

加氫裂化工藝因其加工原料范圍廣(可加工的原料從石腦油到頁(yè)巖油、煤焦油及渣油)[1]、產(chǎn)品質(zhì)量好、品種多、液體產(chǎn)品收率高以及生產(chǎn)靈活性大等特點(diǎn)，越來(lái)越受到重視。

本文僅從設(shè)計(jì)的角度，以加氫裂化中有典型代表性的反應(yīng)流出物的高壓大口徑厚壁(外徑400 mm以上，外徑與壁厚比為5.5～9.0)[2]不銹鋼無(wú)縫鋼管為例，結(jié)合介質(zhì)特性對(duì)鋼管特點(diǎn)、冶煉方法、加工方式及熱處理方式進(jìn)行探討。

1 大口徑厚壁無(wú)縫鋼管的特點(diǎn)

由于加氫裂化裝置反應(yīng)流出物操作條件極其苛刻(操作溫度為361～440℃，反應(yīng)流出物操作壓力為14.5～17.13MPa(g))[1]，同時(shí)還處于氫氣、硫化氫、環(huán)烷酸及可能出現(xiàn)的連多硫酸等多重介質(zhì)存在的苛刻操作工況中。

此外，相對(duì)于薄壁無(wú)縫鋼管而言，加氫厚壁無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)工藝有自身的一些特點(diǎn)。

(1)由于厚壁無(wú)縫鋼管處于高壓操作工況，造成管道儲(chǔ)能高，因此，要求可靠性也比較高。在高壓條件下，管道的壁厚余量較少，同時(shí)由于其剛度大而導(dǎo)致熱補(bǔ)償困難，由此產(chǎn)生的二次應(yīng)力也較高，必將導(dǎo)致對(duì)金屬材料的缺口敏感性增加。

(2)由于厚壁無(wú)縫鋼管處于高溫操作工況，會(huì)引起金屬一系列的變化，如化學(xué)穩(wěn)定性的變化、金屬組織穩(wěn)定性的變化、熱疲勞的發(fā)生及缺口敏感的增加等。

(3)當(dāng)鋼管壁厚較大時(shí)，若軋機(jī)的軋制力不夠，會(huì)出現(xiàn)沿管道橫截面金屬組織不均勻和金屬變形量不夠的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致材料性能下降，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致二次變形開(kāi)裂，并會(huì)帶來(lái)一系列不利的影響。

(4)當(dāng)鋼管壁厚較大時(shí)，熱處理?xiàng)l件發(fā)生很大變化，制造廠必須有足夠的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并應(yīng)根據(jù)不同的壁厚確定合理的熱處理參數(shù)，并進(jìn)行精確控溫和控制加熱時(shí)間。

由此可見(jiàn)，加氫裂化高壓大口徑厚壁無(wú)縫鋼管不能采用普通的生產(chǎn)工藝進(jìn)行制造，也不宜采用焊接鋼管。

2 不銹鋼的生產(chǎn)方法

對(duì)操作溫度等于或高于200℃，介質(zhì)中含有氫氣的碳鋼及合金鋼管道，應(yīng)根據(jù)API941的Nelson曲線選擇合適的抗氫材料[3]，確定反應(yīng)流出物管道材質(zhì)為奧氏體不銹鋼。但奧氏體不銹鋼長(zhǎng)期在400～850℃高溫下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕傾向。防止鉻鎳奧氏體不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的辦法有兩個(gè)：一是降低鋼材中的碳含量，以減少碳化物的析出；二是添加能形成穩(wěn)定碳化物的元素(如鈦或鈮)，以防止碳化鉻的析出。

對(duì)鋼管質(zhì)量影響較大的工序主要有冶煉方法、軋制方式和熱處理。在化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提下，工程上最關(guān)注的是控制材料的純凈度，包括非金屬夾雜物和有害元素。

2.1 冶煉方法

目前，世界上不銹鋼冶煉方法分為一步法、二步法和三步法。

由于一步法有對(duì)原料要求苛刻、能耗高、冶煉周期長(zhǎng)、生產(chǎn)率低和產(chǎn)品質(zhì)量差等諸多缺點(diǎn)，因此很少采用。

1965年誕生的VOD(真空吹氧脫碳)精煉裝置和1968年誕生的AOD(氬氧脫碳)精煉裝置，對(duì)不銹鋼生產(chǎn)工藝的變革起了決定性作用，將這兩種精煉設(shè)施的任何一種與電爐相配合，形成了不銹鋼的二步法生產(chǎn)工藝。

三步法是在二步法的基礎(chǔ)上增加深脫碳(CC)的裝備，對(duì)鋼水進(jìn)一步脫碳和調(diào)整成分。通常的三步法有初煉爐→AOD/VOD/電渣重熔→CC、初煉爐→MRP→AOD/VOD/電渣重熔→CC 等形式。

目前，高壓臨氫不銹鋼管主要使用二步法生產(chǎn)。

2.2 AOD與VOD的主要特點(diǎn)2.2.1 AOD的主要特點(diǎn)

(1)AOD能夠采用含碳1.5%以下的初煉鋼水，因此，可以采用廉價(jià)的高碳FeCr、FeNi40以及35%的碳鋼廢鋼進(jìn)行配料，原料成本較低。

(2)AOD法可以一步將鋼水中的碳脫到0.08%，延長(zhǎng)冶煉時(shí)間或增加Ar量，還可進(jìn)一步將鋼水中的碳脫到0.03%以下。除超低碳、超低氮不銹鋼外，95%的品種都可以生產(chǎn)。

(3)生產(chǎn)周期較短，靈活性較好。

2.2.2 VOD的主要特點(diǎn)

(1)降碳保鉻效果好，通過(guò)控制真空度，可在鉻幾乎不被氧化的情況下脫碳。

(2)由于是在鋼包中精煉，精煉后不吸收氮、碳，更適合冶煉超低碳、超低氮不銹鋼。

(3)脫氧效果好。

(4)在真空條件下冶煉，鋼的純凈度高，碳氮含量低，一般C+N<0.02%，而AOD 法則在0.03%以上，因此VOD 法更適宜冶煉C、N、O 含量極低的超純不銹鋼。

如前文所述，加氫裂化裝置反應(yīng)流出物管道的主要材料為T(mén)P321或TP347，ASME A312 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)TP321或 TP347不銹鋼的碳含量規(guī)定為小于等于0.08%，同時(shí)，為保證TP321不銹鋼的抗晶間腐蝕，規(guī)定鈦含量應(yīng)不低于5倍碳含量且不高于0.70%，對(duì)于TP347不銹鋼來(lái)說(shuō)，鈮+鉭含量應(yīng)不低于10倍碳含量且不高于1.0%[4]，可見(jiàn)，降低碳的含量是提高抗晶間腐蝕的有效途徑。通過(guò)上述AOD與VOD的主要特點(diǎn)可知，采用電爐+AOD的冶煉方式是比較適合工程裝置的。

2.3 軋制方式

目前，國(guó)際上的軋管方法主要有連續(xù)軋管法、周期軋管法、頂管法、空心鍛造、冷軋法、熱擴(kuò)法和冷拔法等。

2.3.1 連續(xù)軋管法

連續(xù)軋管方法是目前世界上應(yīng)用最多的一種生產(chǎn)方法，其具有生產(chǎn)效率高、鋼管尺寸精度高以及價(jià)格便宜等特點(diǎn)，但其軋制力比周期軋管小，僅用于φ406及以下的規(guī)格生產(chǎn)。另外，由于連軋機(jī)組更換模具耗時(shí)長(zhǎng)，比較適合單規(guī)格、大批量的鋼管生產(chǎn)，如油田專(zhuān)用鋼管。而加氫裂化上使用的厚壁不銹鋼管規(guī)格多，而且每種規(guī)格的量又不大。因此，連續(xù)軋管方法并不是生產(chǎn)加氫厚壁鋼管的最佳方法。

2.3.2 周期軋管法

1891年誕生的周期軋管方法是一個(gè)最古老而且成熟的鋼管生產(chǎn)方法，其特點(diǎn)為工件的運(yùn)動(dòng)并不是一直向前運(yùn)動(dòng)，而是進(jìn)二退一。Reinhard教授[5]將軋機(jī)的此工作特點(diǎn)與朝圣者的步伐聯(lián)系起來(lái)，因此稱(chēng)之為皮爾格分段軋管工藝。它可以縱軋，因?yàn)榇嬖谕馆喰?yīng)，每個(gè)周期內(nèi)管坯還將受到?jīng)_擊力，因此，它是“鍛制+軋制”的結(jié)合。在軋制過(guò)程中，單道次壁厚可從80mm減到20mm(φ720軋機(jī)數(shù)據(jù))，更容易使管道橫截面金屬組織變形均勻。此外，皮爾格軋機(jī)更換模具耗時(shí)較短。因此，更加適合加氫裂化大口徑厚壁無(wú)縫鋼管批量小、規(guī)格多的特點(diǎn)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其他的軋管技術(shù)在很大程度上取代了周期軋管工藝?，F(xiàn)今，周期軋管機(jī)組僅用來(lái)軋制厚壁大型無(wú)縫鋼管[5]。

2.3.3 頂管法

1891年，艾哈德發(fā)明了方坯沖孔工藝，這是一種為解決更大口徑(如DN600及以上)無(wú)縫鋼管生產(chǎn)的加工方法。

但頂管法的成型過(guò)程實(shí)質(zhì)上是熱拔過(guò)程，沒(méi)有碾壓，更沒(méi)有鍛壓作用，是對(duì)荒管內(nèi)在缺陷放大的過(guò)程，金屬的致密性也得以部分釋放，因此，其產(chǎn)品要劣于連軋和周軋的產(chǎn)品性能。除此之外，頂管法生產(chǎn)出來(lái)的管子需要里鏜外扒，還需切除下部管端的封頭，使得鋼管的材料所得率較低，因此造成鋼管價(jià)格較高。

筆者建議，此類(lèi)鋼管僅用于DN600及以上、且壁厚小于等于SCH100的非臨氫工況。

2.3.4 空心鍛造法

空心鍛造法目前算不上一種工業(yè)化生產(chǎn)無(wú)縫鋼管的方法，其加工效率低，成材率也較低，與前面所說(shuō)的三種方法生產(chǎn)出的產(chǎn)品相比，價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力較低。但對(duì)于采用連軋機(jī)組和周期軋管機(jī)不能生產(chǎn)的無(wú)縫鋼管，在批量比較小的情況下，采用空心鍛造法生產(chǎn)無(wú)縫鋼管也不失為一種選擇，如筆者2018年參與的全球單套規(guī)模最大的蠟油加氫裂化裝置中，DN600以上厚壁管道均采用空心鍛造方法。

2.3.5 冷軋法

目前世界上最大的冷軋機(jī)，最大口徑可達(dá)φ457，通常主流的不銹鋼管冷軋機(jī)分為二輥式軋機(jī)和三輥式軋機(jī)。

三輥軋機(jī)延伸率一般不大于1.5，兩輥軋機(jī)一般不大于2.8，所以從變形量角度講，兩輥大于三輥，三輥壁厚的尺寸公差較兩輥軋機(jī)有所提高。應(yīng)注意的是，三輥軋管機(jī)組在生產(chǎn)厚壁管時(shí)，較大的擴(kuò)徑穿孔率對(duì)保證壁厚精度不利，一般擴(kuò)徑率應(yīng)控制在5 %以下[6]。

冷軋產(chǎn)品與同類(lèi)熱軋產(chǎn)品相比，其壁厚均勻、表面質(zhì)量好、單支鋼管長(zhǎng)度長(zhǎng)。軋制產(chǎn)品的理化指標(biāo)高于同類(lèi)熱軋產(chǎn)品。

但對(duì)于加氫裂化大口徑厚壁無(wú)縫鋼管來(lái)說(shuō)，隨著壁厚增加，會(huì)出現(xiàn)增加軋制的難度、產(chǎn)生管道橫截面金屬組織變形不均勻的問(wèn)題，將嚴(yán)重影響材料的化學(xué)性能和機(jī)械性能。

筆者建議，在加氫裂化裝置中，不推薦冷軋法用于φ457及以上、且壁厚大于40mm的無(wú)縫不銹鋼管生產(chǎn)。

2.3.6 熱擴(kuò)法

具有80多年歷史的熱擴(kuò)法是，是生產(chǎn)大口徑無(wú)縫鋼管的一種古老而廉價(jià)工藝方法。熱擴(kuò)法分斜軋擴(kuò)徑、拉拔擴(kuò)徑和頂推擴(kuò)徑3種生產(chǎn)方法。

無(wú)論何種方法，熱擴(kuò)的過(guò)程是鋼管內(nèi)在缺陷放大的過(guò)程，且和擴(kuò)徑量與延伸率成正比。

筆者建議，熱擴(kuò)管(特別是拉拔擴(kuò)徑和頂推擴(kuò)徑的產(chǎn)品鋼管)僅限用于管道級(jí)別為SHA3、SHA4 SHB及SHC類(lèi)管道。當(dāng)用于SHA3且設(shè)計(jì)壓力大于4.0MPa時(shí)，還應(yīng)加上臨氫環(huán)境、有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和低溫環(huán)境應(yīng)慎用的限制。

2.3.7 冷拔法

冷拔鋼管則多用于小尺寸鋼管的生產(chǎn)，這里不再贅述。

2.4 熱處理

熱處理是影響鋼管最終質(zhì)量的重要因素之一，尤其是對(duì)合金鋼和不銹鋼材料。最終的熱處理會(huì)直接影響到材料的常溫機(jī)械性能、高溫機(jī)械性能、組織穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等。

對(duì)于厚壁無(wú)縫鋼管來(lái)說(shuō)，隨著壁厚的增加，熱處理的難度加大，這就要求既要保證所有材料達(dá)到預(yù)期的熱處理效果，又要防止晶粒長(zhǎng)大。

這些都要求制造廠必須有一套成熟的熱處理技術(shù)和足夠的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以達(dá)到精確控溫和控制加熱時(shí)間。其核心包括制定合理的熱處理參數(shù)、控制爐溫偏差、保持加熱均勻等。

就熱處理爐型來(lái)說(shuō)，電爐是比較好的選擇，其優(yōu)點(diǎn)為溫度偏差小、加熱較均勻及爐氣氛中有害介質(zhì)(如硫)較少等。對(duì)這些鋼管建議采用電爐進(jìn)行熱處理，但這并不意味著非電爐不選。

3 結(jié)語(yǔ)

筆者認(rèn)為，制造廠必須有針對(duì)性地了解加氫裂化的工藝介質(zhì)特點(diǎn)，通過(guò)控制原材料的純凈度并采用電爐+AOD的冶煉方式，為下一步的鍛造開(kāi)坯并保證穿孔后的荒管質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)Biller博士“無(wú)縫鋼管軋制工藝選擇”一文中列出的軋管工藝設(shè)備的使用范圍可知，當(dāng)管徑超過(guò)φ457時(shí)，特別是鍋爐制造主要使用的直徑小于φ711的厚壁管更是其他軋管工藝所不能代替的，周期軋管機(jī)是最佳的選擇。據(jù)此，筆者認(rèn)為，對(duì)于加氫裂化的大口徑厚壁無(wú)縫鋼管，周期軋管法是最好的軋制方法。