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            中國國家標準與美國ASTM標準低溫無縫管的對比

            從化學成分、縱向拉伸性能、低溫沖擊韌性等方面對中國國家標準和美國ASTM標準低溫無縫管進行了對比分析;國標尚未形成低至-196℃的低溫無縫管體系,目前僅達到-100℃,應加強更低使用溫度鐵素體型低溫管的研發;國內多采用美標設計,應加強美標低溫管的國產化;為提高認可度,建議開展國標低溫無縫管入美標的審定。

            低溫管主要用于生產乙烯、丙烯、尿素、合成氨、復合化肥等的裝置和醫藥工業中的洗滌、凈化、脫硫、脫脂等工藝裝備,以及深冷設備制造業、超低溫冷庫、輸送超低溫液化氣體的管道及其管部件,如石油氣深冷分離設備、空氣分離設備等。低溫管用材主要有奧氏體型和鐵素體型兩大類,晶體結構的差異決定了奧氏體型低溫管在低溫區間內沒有脆性轉變溫度,一般不需驗證其低溫沖擊韌性就可使用,但GB150-2011規定當使用溫度不低于-196℃(低溫區間)時,可免做沖擊試驗,當使用溫度位于-196~-253℃(超低溫區間)時需按設計文件規定執行。鐵素體型低溫管具有明顯的低溫脆性轉變溫度,有其適用的低溫區間。盡管世界各國對低溫鋼的溫度界限規定略有差異,如英國、德國/日本、中國、美國/俄羅斯定義的溫度界限分別為0,-10,-20,-30℃,但是實際工業環境可低至-253℃(液氫)不止,如圖1所示。低溫實現技術的不斷拓展以及工業發展的持續需求,不斷促進了在更低環境溫度下使用的鐵素體型低溫鋼的研發。另外,有些研究者從現有鋼種的性能改進入手對其進行優化,如對A333Gr.6鋼進行微合金化處理,將其由碳鋼體系提升為低合金鋼體系;或者對熱處理工藝進行優化,都可在不同程度上提高低溫性能(詳見后續介紹)。再者,總體上鐵素體型低溫鋼比奧氏體型低溫鋼更具價格優勢,這也促使其成為研發熱點。

            到目前為止,僅僅是以ASTMA333Gr.8和Gr.11鋼管為代表的使用溫度低至-196℃的鐵素體型低溫無縫管成功實現了商業化,如圖1所示。出于安全考慮,各國對鐵素體型低溫管的生產和使用制定了專門的標準,如EN10216-4和GB/T18984。從用途上講,低溫管主要有低溫管道和低溫熱交換器管,相比于國標和歐標只制定單一標準來說,日本和美國針對用途分別制定了不同的標準,如針對低溫管道的JISG3460和ASTMA333,以及針對低溫換熱器管的JISG3464和ASTMA334。國際上低溫無縫管的生產和驗收多采用美標,國內設計也多參照美標(引進的軟件包),因而按美標生產低溫管是大勢所趨,這不僅有利于適合國內采用美標設計需求,實現國產替代,更有利于產品直接出口走向國際市場。為方便相關人員較全面了解國標和美標低溫無縫管,作者重點從化學成分、縱向拉伸性能、低溫沖擊韌性等方面對它們進行了對比分析,從市場需求等因素出發討論了中國國家標準(國標)、美國ASTM標準(美標)低溫無縫管的品種及其溫度體系差異的原因,并提出解決建議。

            1化學成分

            低溫管美標主要有《低溫用無縫和焊接公稱鋼管》(ASTMA333和ASMESA333)和《低溫用無縫或焊接碳鋼和合金鋼管》(ASTMA334和ASMESA334),前者包括Gr.1、Gr.3、Gr.4、Gr.6~Gr.11,共計9個牌號,后者僅有Gr.1、Gr.3、Gr.6~Gr.9、Gr.11,共計7個牌號。此外,《大氣和低溫用無縫碳鋼管》(ASTMA524和ASMESA524)也包含2個牌號。這里側重以牌號全面的ASTMA333—2011為基礎討論美標低溫無縫管。如圖1所示,美標低溫管使用溫度分為-45,-60,-75,-100,-196℃,共5個等級。相比于2010版及以前版本,2011版在化學成分上僅對Gr.6進行了調整,其余8個牌號未作變動,如表1所示。表1中除Gr.6*為2010版的成分外,其余全為2011版成分,新舊版中對于Gr.6均要求當碳含量低于0.30%(質量分數,下同)時,每降低0.01%,則錳在1.06%的基礎上增加0.05%,最高至1.35%。在保留碳、硅、錳、磷和硫等元素及其含量不變的基礎上,Gr.6中增加了鉻、鎳、鉬、銅、釩和鈮等元素,且新增元素均給出了含量的上限,即Gr.6由碳-錳系碳鋼提升為低合金鋼。從元素對低溫韌性的作用來看,一般認為碳、硅、磷、硫、氮等為有害元素,尤其是磷的危害最大;錳和鎳等為有益元素。因此,舊標準主要依靠錳元素來提高Gr.6的低溫性能,而新標準則借助新添加的鎳及釩、鈮等的合金化作用來進一步增強其低溫性能。從成分體系上來劃分,Gr.1為碳-錳系碳鋼,Gr.4、Gr.6和Gr.10等為微合金化低合金鋼,其余5個牌號主要是依靠增加鎳含量來實現耐低溫性能,如Gr.7和Gr.9為2Ni合金鋼,Gr.3、Gr.8和Gr.11分別為3.5Ni、9Ni和36Ni鋼。因為據統計鎳含量每增加1%,脆性臨界轉變溫度可降低約20℃,但相應元素成本升高的幅度更大,故從性價比來看,Gr.1和Gr.6在使用溫度同為不低于-45℃的情況下,碳鋼體系的Gr.1比低合金鋼體系的Gr.6性價比高;盡管Gr.3和Gr.4的使用溫度同為不低于-100℃,但Gr.4中的鎳含量低至0.44%~0.98%,僅分別為Gr.3、Gr.7和Gr.9的17.4%、26.5%和31.8%(均以中間值計算,下同),而Gr.7和Gr.9的使用溫度為不低于-75℃,因而在不低于-100℃的低溫環境中Gr.4的性價比最高;在Gr.8和Gr.11使用溫度同為不低于-196℃的情況下,因Gr.8中的鎳含量僅為Gr.11的25.0%,因而Gr.8的性價比高于Gr.11的?梢,無論從成分體系上,還是使用溫度上,美標牌號均無規律可循,呈現為隨機性,而且缺少Gr.2和Gr.5兩個牌號。低溫管的溫度級別越低,合金含量越高,生產難度就越大,相應附加值也就越高,設備材料成本也隨之增加。

            低溫管的國標主要有GB/T18984《低溫管道用無縫鋼管》和GB150《壓力容器》,TSGR0004《固定式壓力容器安全技術監察規范》(以下簡稱《固容規》)中沒有具體牌號,僅根據最低抗拉強度限定磷和硫的含量。表2為國產低溫無縫管的牌號及成分,包含適用于4個溫度等級的7個牌號,均為低合金體系無縫管。如圖1所示,16MnDG、10MnDG和09DG適用于使用溫度不低于-45℃的環境,09MnD適用于用溫度不低于-50℃的環境,09Mn2VDG和09MnNiD適用于溫度不低于-70℃的環境,與Gr.3鎳含量相近的06Ni3MoDG適用于溫度不低于-100℃的環境。相比于美標低至-195℃的使用環境,更低溫度級別的自主牌號無縫管還有待研發。在成分體系上,國標牌號均是結合富錳的國情研發的,除16MnDG是碳-錳系碳鋼外,其余均為低合金鋼系列。具體來講,采用以錳代鎳,以及添加可生成碳氮化物的釩、鈮等元素,降低碳、氮等有害元素的作用,達到細化晶粒和提高低溫韌性的目的。

            GB/T18984為推薦標準,為改善鋼的性能,可向16MnDG、09DG和10MnDG中加入0.01%~0.05%的鈦,向09Mn2VDG中加入0.01%~0.10%的鈦或0.015%~0.060%的鈮,雖然10MnDG和06Ni3MoDG對酸溶鋁(Als)含量有要求,但不作為交貨條件。GB150為強制性標準,酸溶鋁含量是作為交貨條件的。作為鋼中無法避免的有害元素,磷和硫的含量必須嚴格控制,因為二者分別易于產生冷脆和熱脆。在GB/T18984-2008中,低溫管均為高級優質鋼(A級),其磷含量和硫含量均不大于0.025%,而在GB150-2011中,低溫管中的磷含量和硫含量分別不大于0.020%和0.010%,比特級優質鋼(E級)都還低0.005%,僅為GB/T18984-2003對應含量的80%和40%。另外,按照《固容規》的要求,對于設計溫度低于-20℃的碳素鋼和低合金鋼,當其標準抗拉強度下限值小于540MPa時,磷含量和硫含量必須分別不大于0.025%和0.012%,當其標準抗拉強度下限值大于等于540MPa時,磷含量和硫含量必須分別小于0.020%和0.010%,因此在GB150-2011中低溫管的磷含量和硫含量也相應提高到了國內低溫用鋼的最嚴標準要求,即符合《固容規》中低溫用鋼的磷和硫的控制要求。

            2縱向拉伸性能

            GB/T18984中有管段試樣(外徑≤30mm)和弧形截面條狀試樣(>30mm),但當壁厚t>16mm時,可取圓形截面試樣[12],而美標則采用縱條試樣(t≥8mm)、全截面試驗的小尺寸試樣以及圓試樣[5-6]。對于屈服強度和抗拉強度,GB/T18984中僅16MnDG以t=16mm為界(表3),壁薄的強度高于壁厚的,其余牌號同美標(表4所示)一樣不計壁厚的影響,但GB150中09MnD和09MnNiD的壁厚僅限于t≤8mm[4]。對于伸長率,當t<8mm時,美標中的伸長率隨壁厚的減薄而依次遞減,并且可以根據實際壁厚進行計算[5-6],當t≥8mm時,如國標中的所有規格一樣,美標也不再計入壁厚的影響。

            對于承壓管道,屈強比也是一個重要指標。因為從安全角度考慮,屈強比越大,表明塑性變形能力越小,應力再分配能力就越低,從而易發生脆性斷裂。以屈服強度和抗拉強度下限計算的屈強比如表3,4所示,所有牌號的屈強比均不超過壓力容器鋼要求的上限0.9。在計算屈強比時,屈服強度和抗拉強度均取下限。

            3低溫沖擊性能

            美標和國標中沖擊試樣的標準尺寸均為10mm×10mm×55mm?紤]到壁厚的實際情況,如表5所示,美標和國標還各有5種和3種小比例試樣(《固容規》中只有2種)可供選擇,對應沖擊功的下限也相應調整,而且美標中間值允許線性內插,而國標中則沒有相關規定。為了便于比較,在試驗溫度相同的前提下,各規格試驗結果可以按線性或非線性換算成標準試樣結果。相比而言,線性結果大于非線性的,但常規是按線性進行換算的。在平行試樣和結果評估上,美標每組需要3個,且對平均值和僅1個最低值均有要求,盡管《固容規》也要求3個平行試樣,但結果僅限于平均值,對最小值沒有要求,而國標取樣數量為1~3個均可,相應提出3個試樣的平均值、2個試樣的各自值和1個試樣的最低值的要求,其中前2種是相等的,后1種相對偏小。整體上講,GB18984嚴于美標,尤其是GB150中09MnD和09MnNiD(表3所示,僅限于t<8mm)在相應試驗溫度下的沖擊功提高到了47J(表6所示),是GB18984標準規格試樣的2.24~3.13倍,實際上因實際壁厚t<8mm而無法獲得標準規格試樣,則需把沖擊功實測值換算成標準規格試樣再進行比較,該比值將更大,即GB150還要嚴于GB18984。

            基于彈性失效設計準則及其與屈服強度的對應性,GB150對性能的要求在直觀上表現為強度,而實質上為韌性,尤其是塑性儲備量,因而其規定隨著標準抗拉強度下限值的提高,沖擊韌性的下限值也需相應提高(如表7所示),而客觀上隨強度的提高,其沖擊韌性相應降低,因而高品質材料是強度和韌性的綜合平衡,GB150要求原則上不用進行調質處理。

            在表5中,試樣尺寸的第二個數字“10,7.5,

            67,5,3.3,2.5”代表試樣缺口的寬度。

            另外,《固容規》中規定直徑和厚度僅能制備缺口寬度X為5mm的小尺寸沖擊試樣時,按照設計要求的沖擊試驗溫度下的V型缺口沖擊功(Kv2)應符合表7的規定。3個平行試樣(X=10mm)中只允許一個試樣的沖擊功低于表7所列數值,且不能低于其值的70%。X=7.5,5mm時分別按75%和50%線性折算原則,相應最低沖擊功如表7所示?傊,相比于美標,國標對其包含的低溫管提出了更嚴的要求。

            低溫脆性轉變溫度是衡量鐵素體低溫鋼的重要技術指標,如圖1所示,美標和國標低溫無縫管都有其特定的試驗溫度,相應地也決定了其使用溫度。當采用小尺寸沖擊試樣并且X<0.8t時,美標要求應根據X和t共同確定沖擊試驗溫度降低值ΔT,即ΔT=ΔTX-ΔTt(ΔTX和ΔTt分別為缺口寬度X和壁厚t引起的溫度降低值,詳見表8)。國標尚未提供類似的修正依據,自主開發的國標低溫管打入國際市場還需基礎研究的支撐。另外,事實證明同種材料的薄壁管比厚壁管具有更高的低溫沖擊韌性,究其原因可能是生產過程中薄壁管的變形量較大,尤其是小管坯的整體質量比大管坯的好,而且小試樣的微觀缺陷概率要比大試樣少。但需要注意的是盡管美標規定了Gr.8的試驗溫度,但并沒有規定其沖擊功合格值,即不按表5對Gr.8的低溫沖擊性能進行驗收,而是限定其側向膨脹值不小于0.38mm,沖擊功和剪切斷面率不作要求,僅存檔備查。

            4討論

            到目前為止,我國低溫鋼還沒有形成一個完整的體系,而且在品種、規格尺寸等方面還不能滿足使用要求,需大量進口,而海洋鋼結構等下游行業更需要超低溫環境下的品種。具體到管材,GB150和GB/T18984中的低溫無縫管全部是我國自主開發的,與眾多國標低溫板材相比,低溫無縫管的品種相對較少,且僅限于在不低于-100℃的溫度區域使用,即二者品種不完全匹配,尤其是沒有能用在低于-100℃溫度區域的無縫管。從研發水平上講,我國已成功開發5Ni(-170℃)、9Ni(-196℃)等系列低溫鋼,甚至早在20世紀70年代就已開發出以15Mn26Al4(-253℃)為代表的超低溫鋼(即深冷鋼),但時至今日國標中尚未有相應的無縫管。因此,在自主研發低溫鋼的基礎上,開發相應的無縫管產品能有效拓展我國無縫管低溫體系至-196℃,甚至是-253℃的超低溫體系,從而形成領先于國際的低溫體系無縫管。因為不僅是在-253℃下,即使是在低于-196℃(高于-253℃)的較高溫度下和寬的溫度區域內,奧氏體型低溫管也會發生馬氏體相變而變脆,即圖1所示的在液氫環境下不能使用奧氏體不銹鋼。此點也許是GB150對不銹鋼在超低溫下應用時需要驗證的依據。相比于國標-100℃的最低使用溫度,美標則低至-196℃,因而國標中使用溫度低于-100℃的低溫無縫管還有待開發。

            GB/T18984是供需雙方采購時的推薦技術標準,而GB150是石化、鍋爐等行業設計時執行的強制性標準,即使已納入GB/T18984中的5個牌號的低溫無縫管,也不能適用于按GB150設計的設備,因為原則上只有GB150已有牌號才被認可在石化等行業應用,即設計師能無責采用,但目前GB150中僅有2個品種的低溫無縫管,最低使用溫度僅為-70℃(09MnNiD),且全部是壁厚t≤8mm的規格。為拓展GB/T18984中低溫無縫管的使用領域,應啟動其進入GB150甚至ASTMA333/A334的審定,以及拓展GB150已有低溫管的壁厚規格。

            國內市場上,尤其是石油化工行業,以乙烯裝置為代表的高端裝備初期基本上是整套進口,如自1976年起相繼建成的燕山、大慶、齊魯、揚子、上海、茂名等30萬t乙烯工程[19]。國內若不能解決所需的各種低溫鋼(包括板/無縫管),將會制約大型乙烯裝置的國產化。直至20世紀90年代,尤其是“九五”期間我國才陸續對上述裝置進行國產化產能的提升改造,因為當時的原成都無縫鋼管廠已能生產-45~-101℃等級的低溫壓力容器用無縫管(執行企標,國產替代牌號,非美標)。近年來,以丙烷脫氫制丙烯(簡稱PDH)為代表的新興產業對低溫管材形成了新的強勁需求。據初步統計,目前國內擬在建的PDH項目年產能高達約975萬t,約占世界擬在建產能的85%,并且世界上單套產能最大的裝置已在國內建成投產。國內某在建PDH項目在采購Gr.6時,外商開出了高于8000美元/t的報價,比奧氏體不銹鋼還要高,說明國產化美標或自主研發的低溫無縫管還有很大的市場價值。不斷響應下游行業的市場需求,不僅促進了美標低溫管的國產化,還將促進國標低溫管溫度體系的拓展。據查,僅在美歐市場Gr.6的年需求量在20000t以上。因此,一定程度上,美標和國標彼此所面對的市場需求不同客觀上導致了二者溫度體系的差異。

            鎳作為提高鋼低溫韌性最有效的元素,形成了0.5Ni、1.5Ni、3.5Ni、5Ni、9Ni等系列鎳系低溫鋼以及如A333中Gr.3、Gr.4、Gr.7~Gr.9和Gr.11等系列鎳系管材,并被許多國家納入各自的國標,但未被納入GB18984和GB150。3.5Ni是其中最典型的代表,自美國成功開發后,德國、法國、比利時和日本等也納入各自國標中?山梃b上述國家的模式,把國際上產業化的低溫管牌號納入GB150和GB/T18984是拓展我國無縫管低溫體系至-196℃的最行之有效和最快捷的途徑。另外,下游行業對美標低溫鋼在國內的應用也進行了有益探索,F實中,隨著石化大型成套裝置國產化水平的持續提高,尤其是成套裝置的陸續出口,均需國產化美標低溫管或國標低溫管納入美標的支撐,尤其迫切需要拓展國標低溫無縫管體系。我國鋼鐵裝備和技術水平的不斷提高也具備國產化美標低溫管的基礎,開展超標極限評估和非標適用性評價,不僅有利于證明國產化美標低溫無縫管的優良品質,還可探索其極限使用溫度和擴展用途。除寶鋼在2004年產業化外,廣鋼和華菱鋼鐵等公司也均實現Gr.6的國產化,但除寶鋼符合2011版要求外,廣鋼的仍是碳鋼體系,而華菱的盡管是低合金體系,但錳含量與美標相比僅有0.06%的重合度,且鉬含量上限比A333中的高0.03%。另外,國內市場上,多數經銷商以碳鋼無縫管冒替原碳-錳體系的Gr.6。寶鋼早在2009年就已產業化Gr.3,而天鋼2012年才試制成功,且目前市場上鮮見天鋼產品。寶鋼的Gr.3和Gr.6不僅實現了國產替代,還成功出口至海外。

            5結語

            綜上所述,GB18984和GB150中僅納入了部分完全自主創新研發的低溫管品種,以及未按照國際慣例把國際低溫管品種納入體系是國標與美標存在差異的主觀原因,而國內下游用戶高端設備研發及制造水平、國內鋼鐵工業水平和美標低溫管國產化水平是造成二者差異的客觀原因。通過對比分析,得出的結論和提出的建議如下:

            (1)國標尚未因應工業需求形成低至-196℃的低溫無縫管體系,通過加強與國標低溫鋼相匹配的無縫管品種的研發,亦或按照國際慣例納入國際低溫無縫管品種,來豐富或拓展國標低溫無縫管體系,甚至是研發低至-253℃液氫環境的超低溫無縫管進一步把國標拓展到超低溫無縫管體系。即使研發成熟的國標低溫無縫管,還需拓展壁厚8mm以上產品納入GB150的評定。

            (2)國內設備多采用美標設計,無論從規格還是品種上,以及直接亦或借道石化裝備進軍國際市場,都應加強美標低溫管的國產化。

            (3)為提高認可度,建議開展國標低溫無縫管入美標的審定。

            文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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