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不锈钢管在石油石化中的应用

不锈钢管在石油石化中的应用

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1  不锈钢在石油石化中的应用

不锈钢最为常用的分类是按照钢的组织来分类,一般可分为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。在石油石化应用中主要以奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢以及双相不锈钢所占比例较大。


铁素体不锈钢一般Cr含量在13%-30%之间,C含量一般低于0.25%。一般来说,铁素体不锈钢的耐腐蚀性低于奥氏体不锈钢及双相钢,但高于马氏体不锈钢。但由于其相比于其他不锈钢生产成本低,因此,在化工和石油化工应用领域中,对于耐腐蚀介质和强度要求不高的领域应用范围较广。


马氏体不锈钢一般Cr含量在13%-17%之间,C含量较高,在0.1%-0.7%之间,其具有较高的强度、硬度及耐磨性,但耐腐蚀性较低。其在石油石化领域主要应用在腐蚀性介质不强的环境中,如要求较高韧性和冲击负荷的构件,像汽轮机叶片,螺栓及其他相关的零部件等。


奥氏体不锈钢Cr含量在17%-20%之间,Ni含量在8%-16%之间,C含量一般低于0.12%,主要通过添加Ni元素扩大奥氏体相变区域,从而在室温下得到奥氏体组织。奥氏体不锈钢的耐腐蚀性、塑性、韧性、加工成型性能、焊接性能、低温性能等相比其他不锈钢都较为优异,因此其在各个领域的应用也最为广泛,其使用量约占所有不锈钢总量的70%左右。在石油石化领域中,对于强腐蚀介质、低温介质中,奥氏体不锈钢优势较大。


双相不锈钢是在单相不锈钢的基础之上发展起来的,其Ni含量一般为奥氏体不锈钢Ni含量的一半左右,降低了合金成本。奥氏体不锈钢具有优良的耐腐蚀性能和较高的综合性能,它解决了铁素体及马氏体不锈钢耐腐蚀性弱、奥氏体不锈钢强度及耐磨性不足的缺点。在石油石化领域主要应用于耐海水腐蚀的海洋石油平台,酸性部件及设备,特别是耐点蚀的构件之中。


沉淀强化不锈钢主要通过沉淀强化机理来得到高强度性能,它同时牺牲了自身的耐腐蚀性能,因此在腐蚀介质中应用较少,一般应用于石化机械开采等行业。


2  不锈钢管在石油石化中的应用

近20年来,不锈钢钢管无论是无缝管还是焊接管在生产技术水平上都有了较大的提高。国内部分厂家生产的不锈钢管已达到完全可以替代进口产品的水平,实现了钢管的国产化。


在石油石化中,不锈钢管主要应用于管道输送系统,包括高压炉管,配管,石油裂化管,流体输送管,换热管等。要求不锈钢在湿、酸服役情况下要有良好的表现。


2.1  大口径厚壁高压临氢用不锈钢无缝管的应用

为适应加工低质量原油和满足环保的要求,国内炼化企业不断优化炼油装置处理结构和调整产品结构,其中加氢裂化和加氢处理等高压加氢装置近年来发展较快,装置的加工能力也在不断提高。临氢管道主要特点为直径大,管壁厚。


对于高压临氢材料的选择,由于其高温高压的工况,国内外一般使用TP321/H、TP347/H等作为高压临氢管的选材,上述两者不锈钢材料,由于加入了Ti、Nb等稳定化元素,具有较高的耐高温腐蚀性能及高温力学性能


目前,国内大口径厚壁的临氢管道主要采用热穿孔+冷轧/冷拔的方式进行制造生产。


采用热穿孔+冷轧/冷拔制造的管材与其他方式制造的钢管相比,具有表面好,尺寸精度高,管壁组织均匀的特点。


对于高压临氢钢管,由于其工况介质的特殊性,因此对于钢管原材料的要求较高,因此设计院对于高压临氢管道的要求是:S≤0.015%,P≤0.030%,非金属夹杂A、B、C、D类不高于1.5级。对于成品管要求进行超声波检验,人工对比缺陷不大于管材公称壁厚的5%等。


2.2  低温LNG用不锈钢焊接钢管的应用

由于社会的发展,人们的环境保护意识提高,清洁能源越来越受到重视。LNG是一种清洁、高效的能源,在国民生产生活中扮演着重要的角色,因此LNG接收站,LNG运输船等如雨后春笋般涌现出来。LNG是在常压下将气态的天然气冷却至-162℃,使之凝结成液体。因此,LNG输送用的管道必须具有较高的低温性能。


对于低温LNG输送管,国内外多半采用超纯净、低碳、低硫、低磷的不锈钢进行制造。近几年,双牌号的不锈钢很受LNG用户欢迎,其中TP304/304L、TP316/316L等应用尤为广泛。双证钢不仅拥有了L级别的耐腐蚀性和低温性能,同时又拥有较高的力学性能。


目前,国内外主流的低温LNG用焊接不锈钢钢管一般都是采用自动机组焊接成型工艺、UOE成型工艺以及JCO成型工艺进行加工。


自动焊接机组是在壁厚不厚的情况下采用的一种快捷、高效、自动化的焊管生产方式,目前,大部分采用排辊对板材进行成型,然后在线进行焊接、热处理等,部分焊接机组还集成了板材在线超声波、在线焊缝超声波、焊缝自动跟踪技术等先进工艺技术,能够为满足LNG长距离管线制造提供高效率的制造作业,减少制造厂家的生产期限。


UOE成型技术是目前世界上应用最多、最成熟、质量最被认可的一种低温LNG焊管生产工艺,其主要的工艺技术已经定型。


JCO成型工艺是近年来一种新鲜的成型工艺,这种成型技术是步进式预弯和管体数控折弯的有机结合。


对于LNG不锈钢焊接管,由于其使用环境是在-162℃的低温环境中,因此对于LNG用管,必须要有较高的低温冲击性能。目前,大部分设计院、科研院所、制造厂商要求LNG用管的低温冲击性能不低于80J,侧向膨胀量根据ASME B 31.3不低于0.38mm。


对于不锈钢焊接管,焊缝作为管材的薄弱环节,焊缝质量的高低直接影响管道乃至输送管线的安全。焊接系数是评价焊缝质量的重要因素之一,对于低温LNG焊接管,焊接系数为Ej=1.0,焊接接头必须为全焊透接头。焊接接头完成后,所有焊缝必须进行100%射线检验,焊缝必须没有未焊透、无焊缝夹杂、无咬边、无裂纹等缺陷,以保证低温状态下焊接接头的稳定性。


3  展望

石油管道是消耗不锈钢管材的大头,在石油行业的设备制造、采油、炼油以及运输中,不锈钢管材扮演着重要的角色。近年来,国家加大了对石油资源的开发,同时作为全世界最大的石油净进口国家,随着石油刚性需求的提升,与石油相关的产业将进一步发展,对不锈钢管道的需求量也会继续增加。2017年,中国钢铁产业已出现回暖迹象,国内不锈钢管材龙头企业纷纷加大了与中石油及中石化之间相关石油管道的合作,借以提升市场份额。同时国内钢管企业也纷纷与国外石油企业开展活动,将中国不锈钢管制造推向世界平台。





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