低温用不锈钢管在各个领域的应用情况,分析了国内外标准对低温用不锈钢管要求的异同,提出在当前的市场情况下,国产化美标低温用不锈钢管更有利于我国产品推向国际市场。

近年来由于全球能源紧张,一些严寒地区天然气、深海石油、甚至于页岩气等项目的逐步开展,带动能源运输、存储等相关产业的发展,由此引发了对包括不锈钢管在内的各类钢铁产品,提出了更好的低温性能、更高的强度、更好的焊接性能以及更低的成本等一系列要求。在工业中,低温不锈钢管主要应用于低温输送流体管道、低温压力容器、石化设备及高压锅炉以及低温结构用管等领域,各个领域的低温用不锈钢管自材料到性能都是经过无数惨痛的事故才逐渐发展成熟,随之成熟的是相关的标准要求,标志着该领域的发展成熟。

为降低高昂的Ni成本,国内自主设计的低温钢多选用以Mn代Ni的思路,如GB3521-2008《低温压力容器用合金钢钢板》中给出的16MnDR、15MnNiDR以及09MnNiR这3种,其规定服役温度为-20~-70℃。GB150.2-2011《压力容器第2部分:材料》给出了07MnNiCrMoBDR钢种,可在-40℃时得到47J以上的冲击功。低温不锈钢管主要用于以石油、化工、天然气和煤炭为原料的乙烯、丙烯、尿素、合成氨、N-P-K复合化肥及医药工业中的洗涤、净化、脱硫和脱脂等生产,以及深冷设备制造业、超低温冷库、输送超低温液化气体管道及其管部件。国际上低温不锈钢管体系以ASTMA333/A333M-2011《低温作业用无缝和焊接钢管》为代表,适用于低至-196℃的低温环境。本文就国内外低温运输管道对低温不锈钢管的标准要求进行综述性评论。

1各领域低温用不锈钢管概述

1.1低温运输管道用不锈钢管

管线钢是在近30年经历了无数恶性事故后进行安全可靠性研究,在低合金高强度钢的基础上发展起来的,为了全面满足油气输送管线对钢材的要求,在成分设计和冶炼、加工成型工艺上采取了许多措施,从而自成体系。管线钢已成为低合金高强度钢和微合金钢领域最富有活力、最具研究成果的一个重要分支。在成分设计上,大体上都是低碳(超低碳)Mn-Nb-Ti系或Mn-Nb-V(Ti)系,有的还加入Mo、Ni、Cu等元素。

目前,商用管线钢按组织状态分类,主要有铁素体+珠光体(包括少珠光体)型和贝氏体(含针状铁素体)型两类。X100和X120管线钢的组织,各厂商的差别较大,一般为超低碳贝氏体+马氏体型,日本新日铁公司提供的Exxon MobilX120钢级试验段的UOE焊管则为下贝氏体组织。铁素体-珠光体钢的基本成分是C-Mn系,这是20世纪60年代以前管道钢的基本组织形态,一般采用热轧和正火处理。当要求较高强度时,加入微量Nb、V。管线钢技术要求随时间的变化见表1

钢的各种强化手段中,晶粒细化是唯一能够既提高强度又提高韧性的强化手段。控轧控冷(TMCP)可以使微合金化管道钢的铁素体晶粒细化到5um,而对TMCP工艺进行改进,实施形变诱导铁素体相变(DIFT),可以进一步使铁素体晶粒细化到1~2um

1.2低温压力容器用不锈钢管

低温压力容器用不锈钢管用低温钢,是我国为缓解能源压力,建设液化天然气(Liquid Natural Gas)储罐所必需的重要基础原材料。大容量的LNG贮罐在超低温状态下工作(-162℃),除此之外,各种液化石油气、液氮、液氧等生产、存储容器和输送管道以及在寒冷地区服役的设备等都对低温钢有大量需求。

1.3石化工业用不锈钢管

通常将各种液化石油气、液氨、液氧、液氮等生产、储存容器和输送管道以及在寒冷地区服役的设备,称为低温容器,制造这些容器所用的钢,统称为低温钢。低温钢一般分为无镍钢和有镍钢,无镍钢是指细晶粒钢和低温高强度钢,其使用温度在-60℃以上;有镍钢是指在钢中加入合金元素镍,使其固溶于铁素体,使基体的低温韧性得到显著改善,改变体心立方晶格的金属材料共有的低温转脆现象,其使用温度可以达到-196℃以下。

石化工业是国民经济建设中重要的基础工业之一。随着我国经济的发展,石油化工产品的消耗将进一步增长。不锈钢管是石化行业工厂建设、设备制造和运营维护中的主要原材料。石化用不锈钢管的主要工作环境特点是高温(或低温)、高压和高腐蚀性,接触介质往往是有毒、有害、易燃和易爆等危险品。

2各领域低温用不锈钢管国内外标准要求

2.1低温运输管道用不锈钢管

2003年全国钢标准化技术委员会发布了GB/T189842003《低温管道用不锈钢管》标准,其使用温度为-45~-100℃,至此我国-100℃以上钢管可采用国内材料生产。目前国际上低温不锈钢管的生产和验收多采用美标,国内设计也多参照美标,因而国产化美标低温管是大势所趋,不仅符合国内设计需求,实现国产替代,更有利于产品推向国际市场。

2.2低温压力容器用不锈钢管

国家标准规定的无镍低温钢为16MnDR。此钢是制备-40℃低温设备用的既经济又成熟的钢种,主要用于制备液氮设备等。含镍低温钢有15MnNiDR和09MnNiDR,均具有良好的低温韧性和焊接性,工作温度分别为-45℃和-70℃。09MnNiDR钢已在乙烯、化肥、城市煤气和二氧化碳等低温装置中得到广泛应用,成功制造了氨分离器(-28℃)、高压氮气储罐(-28℃)、二氧化碳低温储罐(-50℃)和乙烯低温储罐(-60℃)等低温设备。

输送LNG的管道均采用奥氏体不锈钢钢管,该材料具有良好的低温性能、耐腐蚀性和可获得性。输送用不锈钢不锈钢管标准主要有GB13296-2007《锅炉热交换器用不锈钢不锈钢管》和GB/T14976-2002《流体输送用不锈钢不锈钢管》,国外常用LNG工程用不锈钢钢管标准主要有ASTMA312/A 312M Standard Specification or Seamless,Welded,and Heavily Cold Worked Austenitic Stainless Steel Pipes(《奥氏体低温用不锈钢不锈钢管焊接钢管标准》)。GB13296-2007、GB/T14976-2002两个标准对不锈钢钢管化学成分要求完全相同,对Si、Mn、S要求与ASTMA312/A312M相同,以典型9-Ni钢为例,不同标准要求情况见表2

2.3石化工业用不锈钢管

2.3.1国家标准

我国GB150-1998标准中给出了低于-20℃,且钢材标准抗拉强度下限值大于540MPa条件下对低温压力容器用钢管的成分及性能要求。此外低温压力容器用钢管在不同使用温度下有不同的许用应力,此处不加以赘述。钢材试验温度下的冲击功指标按照标准抗拉强度下限值确定。GB150-1998标准对低温压力容器用钢要求见表3

GB/T 18984-2003规定了低温管道用不锈钢管的分类、代号、尺寸等信息。热轧或热扩钢管的代号为WH,DG分别是“低温”和“钢管”的拼音首字母。所列钢种有16MnDG、10MnDG、09DG、09Mn2VDG、06Ni3MoDG等5种,它们的成分和性能要求见表4~5

此外还对产品要求进行液压试验、弯曲试验、低倍组织检验、非金属夹杂物检验、无损检验等一系列检验的规定。

2.3.2美国标准

ASTMA333规定了Grl、Gr3、Gr4、Gr6、Gr7、Gr8、Gr9、Grl0、Grl1等9个钢级,具体成分和性能要求见表6~7

3结论

1)低温用钢主要应具有如下的性能:①韧脆转变温度低于使用温度;②满足设计要求的强度;③在使用温度下组织结构稳定;④良好的焊接性和加工成型性;⑤某些特殊用途还要求极低的磁导率、冷收缩率等。

2)我国低温用不锈钢管发展水平已有极大进步,但在当前的市场情况下,国内外钢管市场更多采用美标,因此立足于我国实际情况,国产化美标低温管,更有利于我国产品推向国际市场。