摘要：分析了不锈钢无缝管在石化加氢装置中的应用环境和技术要求，系统研究并总结了冶炼和控制技术、塑性成型工艺、热穿孔工艺、冷轧管加工、固溶热处理等大口径厚壁不锈钢无缝管生产工艺关键技术特点及其对产品性能的影响，成功试制出UNSTP规格为Ф×59.54mm的大口径厚壁奥氏体不锈钢无缝管，试验结果表明，试制钢管的等各项技术指标均满足ASTMA标准和《钢管采购通用技术条件》要，满足了石化加氢装置用大口径厚壁不锈钢无缝管的需求。
关键词：大口径；厚壁；石化加氢；不锈钢管
引言
当前，国内石油化工和煤化工行业的转型发展，为追求最佳经济效益，装置的规模趋于大型化、规模化、炼化一体化、产业集群化并且持续发展。目前万吨炼油、万吨乙烯、万吨煤间接液化等大型化工装置已成为业内主流炼化设备。而炼化配套的加氢裂化、渣油加氢、催化裂化、加氢精制、催化重整等的加氢装置，是提高石油资源的利用率，促进重油高效转化以获取更多汽油和柴油等轻质油品，适应日益严格的排放标准，改善环境、治理雾霾等污染、促进绿色发展、应对全球气候变化的重要举措[1-3]。因此，加氢过程作为石化行业中一个特别重要的反应过程，是石油产品精制、改质和重油加工的核心环节，可以反映炼化水平的高低，是衡量一个国家石油、煤提炼技术发展水平的标志。
由于加氢工艺处理重油（渣油）的沸点高、馏分重、分子量大、H/C小，除含有固体物质外，胶质、沥青质、重金属、硫、氮含量和粘度都很高，必需经过高温、高压、临氢工艺条件下才能最大量地转化为高品质的油品[4-5]。而其服役的管道均要在湿H2S含量较高的环境中长期运行，恶劣的环境对装置所用基础管材的耐高温、耐高压、抗腐蚀等性能提出了较高要求。且随着石化加氢装置规模趋于大型化，在装置的大容量、高参数化倾向日趋显著的情况下，相关加氢装置用奥氏体合金无缝管各项性能指标及规格要求也不断提高，按单一的管材标准难以满足使用要求。通过对特殊使用工况条件下腐蚀失效机理研究对管材生产控制技术至关重要。为此，江苏武进不锈股份有限公司（以下简称“武进不锈”）开展了高压临氢装置用大口径不锈钢无缝管的产品研发和工艺研究，成功试制出规格为Ф×59.54mm的大口径厚壁奥氏体不锈钢无缝管，本文将重点介绍高压临氢装置用UNSTP冷轧不锈钢无缝管的试制。
1应用环境分析
随着高硫原油资源利用以及促进重（渣）油高效转化以获取更多汽油和柴油等轻质油品，重（渣）油加氢处理（RHT）技术及其与催化裂化（FCC）组合新工艺(RICP)等关键技术，显著提高了轻质油品收得率。加氢装置一般工作温度为℃左右，压力为10~15MPa，输送介质一般有重油（渣油）、各类催化剂、洗涤剂、氢气、废渣（硫化物、酸性水）等。加氢裂化装置需在高温、高压、临氢（较高比值的H2（H2S）、H2+油气（H2S））腐蚀介质条件下运行，在水溶液中会电离出H+、HS-和S2-，对不锈钢腐蚀是氢去极化过程。易引起氢致开裂（HIC）、硫化物应用腐蚀开裂（SSCC）和电化学腐蚀[6-11]；还伴随着CO2、NH4＋和CN-含量以及PH值等诸多条件变化[12-13]，从而引起管体破裂失效。因此，用于高温、高压、临氢环境中的UNSTP不锈钢管需要具备良好的力学性能、抗腐蚀性能。
2管材技术条件和要求
2.1化学成分
钢中影响H2S腐蚀的主要化学元素是C、Mn、P、S，C是形成M23C6相主要元素，随含量增加易产生碳化物偏析，造成偏析区与周围组织的硬度偏差，导致HIC腐蚀[14],在满足钢管性能时尽可能控制w（C）≤0.08％；S元素在钢中形成MnS、FeS非金属夹杂物，致使局部显微组织疏松，在湿H2S环境下诱发氢致开裂（HIC）或硫化物应用腐蚀开裂（SSCC），因此严格控制S含量，使其w（S）≤0.％；P能使奥氏体相区减小，与钢形成低熔点化合物，使其w（P）≤0.03％；Mn和Si是生成夹杂物的主要元素，美标ASTMA要求w（Mn）≤2.0％，w（Si）≤1.0％，实际含量控制更严些。
2.2非金属夹杂物
非金属夹杂物易引起局部氢富集形成分子氢，氢压升高易产生裂纹。因此，非金属夹杂物尤其是硫化物夹杂物含量降低、分散以及球化均可以提高钢在H2S介质中的稳定性[15]。按ASTME45中非金属夹杂物的标准：硫化物≤1.5级；硅酸盐≤1.5级；氧化铝≤1.5级；球化氧化物≤1.5级；总级别数≤5.0；没有尺寸大于E45标准中的2.5级的偏析和带状不均匀组织。
2.3尺寸偏差和外观质量
轧制管的壁厚允许偏差为±12.5％；单支长度不小于5.5m；钢管的弯曲度不大于2mm/m；钢管的不圆度和壁厚不均应分别不超过外径和壁厚公差的80％。钢管内、外表面无裂纹、折叠、结疤、轧折、离层等缺陷。
2.4拉伸性能
随着不锈钢的强度逐步提高，氢脆敏感性就越增加；大量实验分析认为钢不发生SCC的最高硬度值在HRC20~27之间，工程上将HRC22作为临界硬度值[16]。进行室温和℃高温拉伸试验，室温力学性能和高温力学性能要求如表1所示。
表1力学性能要求
2.5晶粒度和晶间腐蚀
原始奥氏体晶粒度要求4~7级；晶间腐蚀试验合格。
3生产工艺
不锈钢的冶炼方式较多，有EAF+VOD或AOD冶炼。武进不锈与永兴新材料通过产业链上、下游企业协同技术攻关，控制产品化学成分和钢纯净度，保证产品的室温和高温力学性能指标；按大口径厚壁冷轧管工艺，保证钢管尺寸精度、表面质量、晶粒度等。
试制钢管的生产工艺流程：EAF→AOD精炼→模铸钢锭→热锻→轧制→精整→热穿孔→酸洗→检验修磨→冷轧→去油→固溶热处理→精整→酸洗→成品检验和试验→包装→入库（成品）。
3.1冶炼与控制技术
冶炼中碳当量控制较低值，严格控制P、S含量，降低钢中的非金属夹杂物，提高钢的纯净度。同时对五大低熔点有害元素Sn、As、Sb、Bi、Pb进行控制；关键技术是①EAF电弧炉初炼时，对合金成分进行调控，不断调整O2/Ar比例，在脱碳同时，严格控制氧含量[17]；②AOD精炼采用双渣法工艺，合理的炉渣配比，提高炉渣吸附上浮夹杂物的能力；合适的炉底吹氩工艺，使钢液中的夹杂物充分上浮，大幅度提高钢水的纯净度，降低钢的氢致开裂敏感性。
3.2塑性成型技术
建立了锻造和热轧加热制度：加热过程中使坯料温度缓慢上升，提高坯料表面与中心温度一致性。在锻造时考虑到温降、变形方式以及加热的火次，特别是终锻温度≥℃，避免温度过低引起不完全再结晶，导致形成晶粒大小不均的混合晶粒组织；锻造过程中控制加热温度和变形量，破碎铸锭表面柱状晶，锻造压缩比≥3，以便获得均匀的晶粒组织。
3.3热穿孔工艺
因热穿孔过程中析出NbC对晶界及位错运动起钉扎作用，阻碍晶内位错运动和晶界运动，产生沉淀强化，变形抗力相对较大[18]。对圆钢加热制度进行调整优化，揭示了大口径厚壁不锈钢在大辗角斜轧穿孔温度演变与金属流线、界面状态、多要素间的相互作用及关联规律，对加热制度、热穿孔速度及热变形量等各参数调整优化，掌握了大口径不锈钢热穿孔过程的缺陷产生机理与调控方法[19-21]，从而解决了荒管内裂、翘皮、分层及外表开裂等质量问题。
3.4冷轧管工艺
大口径厚壁不锈钢管表面质量会直接影响抗腐蚀性能，轧管工艺除决定钢管尺寸精度、表面质量外，变形量的大小直接决定细晶强化工艺中的晶粒度的等级。因此，冷轧管变形工艺及工艺参数设计是制造难点和重点。
在企业拥有大型冷轧管机组的基础上，基于大口径不锈钢冷轧钢管过程奥氏体晶粒尺寸、形貌、再结晶等调控和变形行为，掌握了轧制—固溶—一体化冷加工的强韧性调控技术和最优的工艺制度，通过合适的变形参数，减径率达40~65％，减壁率达到60~75％，使大变形冷轧缩径、减壁量更充分，保证钢管晶粒度的同时，使外观表面和尺寸公差更精准。实际生产过程中，轧制前对中间品管进行内、外表面修抛，提高大口径不锈钢管表面粗糙度等级；同时，增加工模具表面质量、内外壁强制润滑等工艺措施，使钢管表面质量和尺寸精度提高。
3.5固溶热处理工艺
高压加氢装置的湿H2S腐蚀环境，对大口径不锈钢无缝管的强度、硬度、显微组织和晶粒度、晶间腐蚀等有严格要求。固溶热处理作为保证成品管组织性能的关键工序，除消除冷加工应力外，还直接影响管子的强度、耐腐蚀性能、微观组织等综合性能[22-23]。在固溶热处理时根据大口径不锈钢无缝管特点，采取延长升温时间，足够保温时间，使碳化物完全回溶并在常温下保持于奥氏体组织中，促进元素的均匀分布，获得较低的晶间腐蚀敏感性。TP热处理温度控制在~℃，提高冷却水流量和速率，使高温管子快速冷却通过敏化区间，避免晶间腐蚀倾向，满足管材综合性能要求。
4性能检测结果
UNSTP不锈钢无缝管的检验，按美标ASTMA/AM-17及相关技术协议的化学成分、力学性能、尺寸公差、晶粒度以及成品超声波、水压无损检测等进行检验。
4.1化学成分
TP不锈钢无缝管的成品化学成分的检验结果如表2所示，可以看出化学成分达到美标ASTMA/AM-17标准要求。
4.2几何尺寸
本次试制TP不锈钢无缝管的规格为Фmm×59.54mm×L，其几何尺寸公差按ASTMA/AM-17要求执行，如表3所示。测量表明：试制钢管的外径、壁厚尺寸满足标准要求，钢管尺寸精度高、均匀性好，单支管子长度≥6m。
表3TP不锈钢无缝管的几何尺寸
4.3非金属夹杂物
材料的纯净度关系到材料使用中的耐腐蚀性能。按ASTME45-10《钢中夹杂物含量测定的标准试验方法》，在试验材料的端部取样，其非金属夹杂物级别符合标准要求，如表4所示。
表4TP不锈钢无缝管非金属夹杂物检验结果
44.4室温和高温力学性能
TP不锈钢无缝管力学性能试验方法，分别按照ASTME8/E8M-11《金属材料拉伸试验方法》和ASTME21-《金属材料高温拉伸试验方法》的标准执行（试验温度℃），具体结果如表5所示，试验结果满足ASTMA/AM-17标准和《钢管采购通用技术条件》要求。
表5TP不锈钢无缝管室温力学试验性能
4.5晶间腐蚀性能
按照ASTMA-14《奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感性的测定》中的E方法检测，试样内、外表面未发现晶间腐蚀裂纹如图1所示，TP不锈钢无缝管的晶间腐蚀性能合格。
图1弯曲后晶间腐蚀形貌
4.6晶粒度
按照ASTME-《平均晶粒度测定的试验方法》进行晶粒度测定，晶粒度为5.5级，符合标准中晶粒度4~7级的要求，如图2所示。
图2试样晶粒形貌（X）
4.7压扁性能
按照ASTMA-《特种碳素钢及合金钢管一般要求》标准的要求，在电液伺服万能材料试验机WE-C上进行试验，内、外表面和端面没有可见裂纹，符合ASTMA/AM-17标准和《钢管采购通用技术条件》要求，如图3所示。
图3压扁试验
4.8浸蚀试验
按照ASTME-17标准进行浸蚀试验，材质均匀无有害夹层、裂纹以及类似有害相缺陷，如图4所示，TP不锈钢无缝管浸蚀试验合格。
图4钢管浸蚀试验
4.9水压试验、超声波探伤、渗透探伤
按照ASTMA标准以及《钢管采购通用技术条件》的要求在SYD-（0-35MPa）水压试验机上试验，符合要求；按照ASTMA/AM-17标准和《钢管采购通用技术条件》要求在CTB-超声波探伤机上进行无损检测，符合要求；渗透探伤按ASTME方法B和《钢管采购通用技术条件》要求对钢管坡口进行检验，标准要求在管子外表面及坡口部位检测，符合要求。
5结束语
（1）分析了石化高压临氢装置用大口径厚壁不锈钢无缝管的应用环境、管材技术条件和要求，系统研究了冶炼和控制技术、塑性成型工艺、热穿孔工艺、冷轧管加工、固溶热处理等关键技术，建立了基本的大口径不锈钢无缝管工业化生产工艺技术和流程。
（2）研制的UNSTP不锈钢无缝钢管几何尺寸、化学成分、非金属夹杂物、室温和高温力学性能、晶间腐蚀性能、晶粒度、压扁试验、浸蚀试验、水压试验、超声波探伤、渗透探伤均满足相关标准要求。
（3）研制的石化加氢装置用大口径厚壁不锈钢无缝管性能指标和质量控制达到和超过国际同类产品水平，已应用于国内多个石油炼化、煤制油工程。
作者:江苏武进不锈股份有限公司：
翟丽丽，陆训伟，高虹，吴冰，刘涛，常春
资料来源:第二届中国不锈钢管大会
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