低溫用不銹鋼管在各個領域的應用情況,分析了國內外標準對低溫用不銹鋼管要求的異同,提出在當前的市場情況下,國產化美標低溫用不銹鋼管更有利于我國產品推向國際市場。

近年來由于全球能源緊張,一些嚴寒地區天然氣、深海石油、甚至于頁巖氣等項目的逐步開展,帶動能源運輸、存儲等相關產業的發展,由此引發了對包括不銹鋼管在內的各類鋼鐵產品,提出了更好的低溫性能、更高的強度、更好的焊接性能以及更低的成本等一系列要求。在工業中,低溫不銹鋼管主要應用于低溫輸送流體管道、低溫壓力容器、石化設備及高壓鍋爐以及低溫結構用管等領域,各個領域的低溫用不銹鋼管自材料到性能都是經過無數慘痛的事故才逐漸發展成熟,隨之成熟的是相關的標準要求,標志著該領域的發展成熟。

為降低高昂的Ni成本,國內自主設計的低溫鋼多選用以Mn代Ni的思路,如GB3521-2008《低溫壓力容器用合金鋼鋼板》中給出的16MnDR、15MnNiDR以及09MnNiR這3種,其規定服役溫度為-20~-70℃。GB150.2-2011《壓力容器第2部分:材料》給出了07MnNiCrMoBDR鋼種,可在-40℃時得到47J以上的沖擊功。低溫不銹鋼管主要用于以石油、化工、天然氣和煤炭為原料的乙烯、丙烯、尿素、合成氨、N-P-K復合化肥及醫藥工業中的洗滌、凈化、脫硫和脫脂等生產,以及深冷設備制造業、超低溫冷庫、輸送超低溫液化氣體管道及其管部件。國際上低溫不銹鋼管體系以ASTMA333/A333M-2011《低溫作業用無縫和焊接鋼管》為代表,適用于低至-196℃的低溫環境。本文就國內外低溫運輸管道對低溫不銹鋼管的標準要求進行綜述性評論。

1各領域低溫用不銹鋼管概述

1.1低溫運輸管道用不銹鋼管

管線鋼是在近30年經歷了無數惡性事故后進行安全可靠性研究,在低合金高強度鋼的基礎上發展起來的,為了全面滿足油氣輸送管線對鋼材的要求,在成分設計和冶煉、加工成型工藝上采取了許多措施,從而自成體系。管線鋼已成為低合金高強度鋼和微合金鋼領域最富有活力、最具研究成果的一個重要分支。在成分設計上,大體上都是低碳(超低碳)Mn-Nb-Ti系或Mn-Nb-V(Ti)系,有的還加入Mo、Ni、Cu等元素。

目前,商用管線鋼按組織狀態分類,主要有鐵素體+珠光體(包括少珠光體)型和貝氏體(含針狀鐵素體)型兩類。X100和X120管線鋼的組織,各廠商的差別較大,一般為超低碳貝氏體+馬氏體型,日本新日鐵公司提供的Exxon MobilX120鋼級試驗段的UOE焊管則為下貝氏體組織。鐵素體-珠光體鋼的基本成分是C-Mn系,這是20世紀60年代以前管道鋼的基本組織形態,一般采用熱軋和正火處理。當要求較高強度時,加入微量Nb、V。管線鋼技術要求隨時間的變化見表1。

鋼的各種強化手段中,晶粒細化是唯一能夠既提高強度又提高韌性的強化手段??剀埧乩洌?/span>TMCP)可以使微合金化管道鋼的鐵素體晶粒細化到5um,而對TMCP工藝進行改進,實施形變誘導鐵素體相變(DIFT),可以進一步使鐵素體晶粒細化到1~2um。

1.2低溫壓力容器用不銹鋼管

低溫壓力容器用不銹鋼管用低溫鋼,是我國為緩解能源壓力,建設液化天然氣(Liquid Natural Gas)儲罐所必需的重要基礎原材料。大容量的LNG貯罐在超低溫狀態下工作(-162℃),除此之外,各種液化石油氣、液氮、液氧等生產、存儲容器和輸送管道以及在寒冷地區服役的設備等都對低溫鋼有大量需求。

1.3石化工業用不銹鋼管

通常將各種液化石油氣、液氨、液氧、液氮等生產、儲存容器和輸送管道以及在寒冷地區服役的設備,稱為低溫容器,制造這些容器所用的鋼,統稱為低溫鋼。低溫鋼一般分為無鎳鋼和有鎳鋼,無鎳鋼是指細晶粒鋼和低溫高強度鋼,其使用溫度在-60℃以上;有鎳鋼是指在鋼中加入合金元素鎳,使其固溶于鐵素體,使基體的低溫韌性得到顯著改善,改變體心立方晶格的金屬材料共有的低溫轉脆現象,其使用溫度可以達到-196℃以下。

石化工業是國民經濟建設中重要的基礎工業之一。隨著我國經濟的發展,石油化工產品的消耗將進一步增長。不銹鋼管是石化行業工廠建設、設備制造和運營維護中的主要原材料。石化用不銹鋼管的主要工作環境特點是高溫(或低溫)、高壓和高腐蝕性,接觸介質往往是有毒、有害、易燃和易爆等危險品。

2各領域低溫用不銹鋼管國內外標準要求

2.1低溫運輸管道用不銹鋼管

2003年全國鋼標準化技術委員會發布了GB/T189842003《低溫管道用不銹鋼管》標準,其使用溫度為-45~-100℃,至此我國-100℃以上鋼管可采用國內材料生產。目前國際上低溫不銹鋼管的生產和驗收多采用美標,國內設計也多參照美標,因而國產化美標低溫管是大勢所趨,不僅符合國內設計需求,實現國產替代,更有利于產品推向國際市場。

2.2低溫壓力容器用不銹鋼管

國家標準規定的無鎳低溫鋼為16MnDR。此鋼是制備-40℃低溫設備用的既經濟又成熟的鋼種,主要用于制備液氮設備等。含鎳低溫鋼有15MnNiDR和09MnNiDR,均具有良好的低溫韌性和焊接性,工作溫度分別為-45℃和-70℃。09MnNiDR鋼已在乙烯、化肥、城市煤氣和二氧化碳等低溫裝置中得到廣泛應用,成功制造了氨分離器(-28℃)、高壓氮氣儲罐(-28℃)、二氧化碳低溫儲罐(-50℃)和乙烯低溫儲罐(-60℃)等低溫設備。

輸送LNG的管道均采用奧氏體不銹鋼鋼管,該材料具有良好的低溫性能、耐腐蝕性和可獲得性。輸送用不銹鋼不銹鋼管標準主要有GB13296-2007《鍋爐熱交換器用不銹鋼不銹鋼管》和GB/T14976-2002《流體輸送用不銹鋼不銹鋼管》,國外常用LNG工程用不銹鋼鋼管標準主要有ASTMA312/A 312M Standard Specification or Seamless,Welded,and Heavily Cold Worked Austenitic Stainless Steel Pipes(《奧氏體低溫用不銹鋼不銹鋼管焊接鋼管標準》)。GB13296-2007、GB/T14976-2002兩個標準對不銹鋼鋼管化學成分要求完全相同,對Si、Mn、S要求與ASTMA312/A312M相同,以典型9-Ni鋼為例,不同標準要求情況見表2。

2.3石化工業用不銹鋼管

2.3.1國家標準

我國GB150-1998標準中給出了低于-20℃,且鋼材標準抗拉強度下限值大于540MPa條件下對低溫壓力容器用鋼管的成分及性能要求。此外低溫壓力容器用鋼管在不同使用溫度下有不同的許用應力,此處不加以贅述。鋼材試驗溫度下的沖擊功指標按照標準抗拉強度下限值確定。GB150-1998標準對低溫壓力容器用鋼要求見表3。

GB/T 18984-2003規定了低溫管道用不銹鋼管的分類、代號、尺寸等信息。熱軋或熱擴鋼管的代號為WH,DG分別是“低溫”和“鋼管”的拼音首字母。所列鋼種有16MnDG、10MnDG、09DG、09Mn2VDG、06Ni3MoDG等5種,它們的成分和性能要求見表4~5。

此外還對產品要求進行液壓試驗、彎曲試驗、低倍組織檢驗、非金屬夾雜物檢驗、無損檢驗等一系列檢驗的規定。

2.3.2美國標準

ASTMA333規定了Grl、Gr3、Gr4、Gr6、Gr7、Gr8、Gr9、Grl0、Grl1等9個鋼級,具體成分和性能要求見表6~7。

3結論

1)低溫用鋼主要應具有如下的性能:①韌脆轉變溫度低于使用溫度;②滿足設計要求的強度;③在使用溫度下組織結構穩定;④良好的焊接性和加工成型性;⑤某些特殊用途還要求極低的磁導率、冷收縮率等。

2)我國低溫用不銹鋼管發展水平已有極大進步,但在當前的市場情況下,國內外鋼管市場更多采用美標,因此立足于我國實際情況,國產化美標低溫管,更有利于我國產品推向國際市場。