中国国家标准与美国ASTM标准低温无缝管的对比

从化学成分、纵向拉伸性能、低温冲击韧性等方面对中国国家标准和美国ASTM标准低温无缝管进行了对比分析;国标尚未形成低至-196℃的低温无缝管体系,目前仅达到-100℃,应加强更低使用温度铁素体型低温管的研发;国内多采用美标设计,应加强美标低温管的国产化;为提高认可度,建议开展国标低温无缝管入美标的审定。

低温管主要用于生产乙烯、丙烯、尿素、合成氨、复合化肥等的装置和医药工业中的洗涤、净化、脱硫、脱脂等工艺装备,以及深冷设备制造业、超低温冷库、输送超低温液化气体的管道及其管部件,如石油气深冷分离设备、空气分离设备等。低温管用材主要有奥氏体型和铁素体型两大类,晶体结构的差异决定了奥氏体型低温管在低温区间内没有脆性转变温度,一般不需验证其低温冲击韧性就可使用,但GB150-2011规定当使用温度不低于-196℃(低温区间)时,可免做冲击试验,当使用温度位于-196~-253℃(超低温区间)时需按设计文件规定执行。铁素体型低温管具有明显的低温脆性转变温度,有其适用的低温区间。尽管世界各国对低温钢的温度界限规定略有差异,如英国、德国/日本、中国、美国/俄罗斯定义的温度界限分别为0,-10,-20,-30℃,但是实际工业环境可低至-253℃(液氢)不止,如图1所示。低温实现技术的不断拓展以及工业发展的持续需求,不断促进了在更低环境温度下使用的铁素体型低温钢的研发。另外,有些研究者从现有钢种的性能改进入手对其进行优化,如对A333Gr.6钢进行微合金化处理,将其由碳钢体系提升为低合金钢体系;或者对热处理工艺进行优化,都可在不同程度上提高低温性能(详见后续介绍)。再者,总体上铁素体型低温钢比奥氏体型低温钢更具价格优势,这也促使其成为研发热点。

到目前为止,仅仅是以ASTMA333Gr.8和Gr.11钢管为代表的使用温度低至-196℃的铁素体型低温无缝管成功实现了商业化,如图1所示。出于安全考虑,各国对铁素体型低温管的生产和使用制定了专门的标准,如EN10216-4和GB/T18984。从用途上讲,低温管主要有低温管道和低温热交换器管,相比于国标和欧标只制定单一标准来说,日本和美国针对用途分别制定了不同的标准,如针对低温管道的JISG3460和ASTMA333,以及针对低温换热器管的JISG3464和ASTMA334。国际上低温无缝管的生产和验收多采用美标,国内设计也多参照美标(引进的软件包),因而按美标生产低温管是大势所趋,这不仅有利于适合国内采用美标设计需求,实现国产替代,更有利于产品直接出口走向国际市场。为方便相关人员较全面了解国标和美标低温无缝管,作者重点从化学成分、纵向拉伸性能、低温冲击韧性等方面对它们进行了对比分析,从市场需求等因素出发讨论了中国国家标准(国标)、美国ASTM标准(美标)低温无缝管的品种及其温度体系差异的原因,并提出解决建议。

1化学成分

低温管美标主要有《低温用无缝和焊接公称钢管》(ASTMA333和ASMESA333)和《低温用无缝或焊接碳钢和合金钢管》(ASTMA334和ASMESA334),前者包括Gr.1、Gr.3、Gr.4、Gr.6~Gr.11,共计9个牌号,后者仅有Gr.1、Gr.3、Gr.6~Gr.9、Gr.11,共计7个牌号。此外,《大气和低温用无缝碳钢管》(ASTMA524和ASMESA524)也包含2个牌号。这里侧重以牌号全面的ASTMA333—2011为基础讨论美标低温无缝管。如图1所示,美标低温管使用温度分为-45,-60,-75,-100,-196℃,共5个等级。相比于2010版及以前版本,2011版在化学成分上仅对Gr.6进行了调整,其余8个牌号未作变动,如表1所示。表1中除Gr.6*为2010版的成分外,其余全为2011版成分,新旧版中对于Gr.6均要求当碳含量低于0.30%(质量分数,下同)时,每降低0.01%,则锰在1.06%的基础上增加0.05%,最高至1.35%。在保留碳、硅、锰、磷和硫等元素及其含量不变的基础上,Gr.6中增加了铬、镍、钼、铜、钒和铌等元素,且新增元素均给出了含量的上限,即Gr.6由碳-锰系碳钢提升为低合金钢。从元素对低温韧性的作用来看,一般认为碳、硅、磷、硫、氮等为有害元素,尤其是磷的危害最大;锰和镍等为有益元素。因此,旧标准主要依靠锰元素来提高Gr.6的低温性能,而新标准则借助新添加的镍及钒、铌等的合金化作用来进一步增强其低温性能。从成分体系上来划分,Gr.1为碳-锰系碳钢,Gr.4、Gr.6和Gr.10等为微合金化低合金钢,其余5个牌号主要是依靠增加镍含量来实现耐低温性能,如Gr.7和Gr.9为2Ni合金钢,Gr.3、Gr.8和Gr.11分别为3.5Ni、9Ni和36Ni钢。因为据统计镍含量每增加1%,脆性临界转变温度可降低约20℃,但相应元素成本升高的幅度更大,故从性价比来看,Gr.1和Gr.6在使用温度同为不低于-45℃的情况下,碳钢体系的Gr.1比低合金钢体系的Gr.6性价比高;尽管Gr.3和Gr.4的使用温度同为不低于-100℃,但Gr.4中的镍含量低至0.44%~0.98%,仅分别为Gr.3、Gr.7和Gr.9的17.4%、26.5%和31.8%(均以中间值计算,下同),而Gr.7和Gr.9的使用温度为不低于-75℃,因而在不低于-100℃的低温环境中Gr.4的性价比最高;在Gr.8和Gr.11使用温度同为不低于-196℃的情况下,因Gr.8中的镍含量仅为Gr.11的25.0%,因而Gr.8的性价比高于Gr.11的。可见,无论从成分体系上,还是使用温度上,美标牌号均无规律可循,呈现为随机性,而且缺少Gr.2和Gr.5两个牌号。低温管的温度级别越低,合金含量越高,生产难度就越大,相应附加值也就越高,设备材料成本也随之增加。

低温管的国标主要有GB/T18984《低温管道用无缝钢管》和GB150《压力容器》,TSGR0004《固定式压力容器安全技术监察规范》(以下简称《固容规》)中没有具体牌号,仅根据最低抗拉强度限定磷和硫的含量。表2为国产低温无缝管的牌号及成分,包含适用于4个温度等级的7个牌号,均为低合金体系无缝管。如图1所示,16MnDG、10MnDG和09DG适用于使用温度不低于-45℃的环境,09MnD适用于用温度不低于-50℃的环境,09Mn2VDG和09MnNiD适用于温度不低于-70℃的环境,与Gr.3镍含量相近的06Ni3MoDG适用于温度不低于-100℃的环境。相比于美标低至-195℃的使用环境,更低温度级别的自主牌号无缝管还有待研发。在成分体系上,国标牌号均是结合富锰的国情研发的,除16MnDG是碳-锰系碳钢外,其余均为低合金钢系列。具体来讲,采用以锰代镍,以及添加可生成碳氮化物的钒、铌等元素,降低碳、氮等有害元素的作用,达到细化晶粒和提高低温韧性的目的。

GB/T18984为推荐标准,为改善钢的性能,可向16MnDG、09DG和10MnDG中加入0.01%~0.05%的钛,向09Mn2VDG中加入0.01%~0.10%的钛或0.015%~0.060%的铌,虽然10MnDG和06Ni3MoDG对酸溶铝(Als)含量有要求,但不作为交货条件。GB150为强制性标准,酸溶铝含量是作为交货条件的。作为钢中无法避免的有害元素,磷和硫的含量必须严格控制,因为二者分别易于产生冷脆和热脆。在GB/T18984-2008中,低温管均为高级优质钢(A级),其磷含量和硫含量均不大于0.025%,而在GB150-2011中,低温管中的磷含量和硫含量分别不大于0.020%和0.010%,比特级优质钢(E级)都还低0.005%,仅为GB/T18984-2003对应含量的80%和40%。另外,按照《固容规》的要求,对于设计温度低于-20℃的碳素钢和低合金钢,当其标准抗拉强度下限值小于540MPa时,磷含量和硫含量必须分别不大于0.025%和0.012%,当其标准抗拉强度下限值大于等于540MPa时,磷含量和硫含量必须分别小于0.020%和0.010%,因此在GB150-2011中低温管的磷含量和硫含量也相应提高到了国内低温用钢的最严标准要求,即符合《固容规》中低温用钢的磷和硫的控制要求。

2纵向拉伸性能

GB/T18984中有管段试样(外径≤30mm)和弧形截面条状试样(>30mm),但当壁厚t>16mm时,可取圆形截面试样[12],而美标则采用纵条试样(t≥8mm)、全截面试验的小尺寸试样以及圆试样[5-6]。对于屈服强度和抗拉强度,GB/T18984中仅16MnDG以t=16mm为界(表3),壁薄的强度高于壁厚的,其余牌号同美标(表4所示)一样不计壁厚的影响,但GB150中09MnD和09MnNiD的壁厚仅限于t≤8mm[4]。对于伸长率,当t<8mm时,美标中的伸长率随壁厚的减薄而依次递减,并且可以根据实际壁厚进行计算[5-6],当t≥8mm时,如国标中的所有规格一样,美标也不再计入壁厚的影响。

对于承压管道,屈强比也是一个重要指标。因为从安全角度考虑,屈强比越大,表明塑性变形能力越小,应力再分配能力就越低,从而易发生脆性断裂。以屈服强度和抗拉强度下限计算的屈强比如表3,4所示,所有牌号的屈强比均不超过压力容器钢要求的上限0.9。在计算屈强比时,屈服强度和抗拉强度均取下限。

3低温冲击性能

美标和国标中冲击试样的标准尺寸均为10mm×10mm×55mm。考虑到壁厚的实际情况,如表5所示,美标和国标还各有5种和3种小比例试样(《固容规》中只有2种)可供选择,对应冲击功的下限也相应调整,而且美标中间值允许线性内插,而国标中则没有相关规定。为了便于比较,在试验温度相同的前提下,各规格试验结果可以按线性或非线性换算成标准试样结果。相比而言,线性结果大于非线性的,但常规是按线性进行换算的。在平行试样和结果评估上,美标每组需要3个,且对平均值和仅1个最低值均有要求,尽管《固容规》也要求3个平行试样,但结果仅限于平均值,对最小值没有要求,而国标取样数量为1~3个均可,相应提出3个试样的平均值、2个试样的各自值和1个试样的最低值的要求,其中前2种是相等的,后1种相对偏小。整体上讲,GB18984严于美标,尤其是GB150中09MnD和09MnNiD(表3所示,仅限于t<8mm)在相应试验温度下的冲击功提高到了47J(表6所示),是GB18984标准规格试样的2.24~3.13倍,实际上因实际壁厚t<8mm而无法获得标准规格试样,则需把冲击功实测值换算成标准规格试样再进行比较,该比值将更大,即GB150还要严于GB18984。

基于弹性失效设计准则及其与屈服强度的对应性,GB150对性能的要求在直观上表现为强度,而实质上为韧性,尤其是塑性储备量,因而其规定随着标准抗拉强度下限值的提高,冲击韧性的下限值也需相应提高(如表7所示),而客观上随强度的提高,其冲击韧性相应降低,因而高品质材料是强度和韧性的综合平衡,GB150要求原则上不用进行调质处理。

在表5中,试样尺寸的第二个数字“10,7.5,

67,5,3.3,2.5”代表试样缺口的宽度。

另外,《固容规》中规定直径和厚度仅能制备缺口宽度X为5mm的小尺寸冲击试样时,按照设计要求的冲击试验温度下的V型缺口冲击功(Kv2)应符合表7的规定。3个平行试样(X=10mm)中只允许一个试样的冲击功低于表7所列数值,且不能低于其值的70%。X=7.5,5mm时分别按75%和50%线性折算原则,相应最低冲击功如表7所示。总之,相比于美标,国标对其包含的低温管提出了更严的要求。

低温脆性转变温度是衡量铁素体低温钢的重要技术指标,如图1所示,美标和国标低温无缝管都有其特定的试验温度,相应地也决定了其使用温度。当采用小尺寸冲击试样并且X<0.8t时,美标要求应根据X和t共同确定冲击试验温度降低值ΔT,即ΔT=ΔTX-ΔTt(ΔTX和ΔTt分别为缺口宽度X和壁厚t引起的温度降低值,详见表8)。国标尚未提供类似的修正依据,自主开发的国标低温管打入国际市场还需基础研究的支撑。另外,事实证明同种材料的薄壁管比厚壁管具有更高的低温冲击韧性,究其原因可能是生产过程中薄壁管的变形量较大,尤其是小管坯的整体质量比大管坯的好,而且小试样的微观缺陷概率要比大试样少。但需要注意的是尽管美标规定了Gr.8的试验温度,但并没有规定其冲击功合格值,即不按表5对Gr.8的低温冲击性能进行验收,而是限定其侧向膨胀值不小于0.38mm,冲击功和剪切断面率不作要求,仅存档备查。

4讨论

到目前为止,我国低温钢还没有形成一个完整的体系,而且在品种、规格尺寸等方面还不能满足使用要求,需大量进口,而海洋钢结构等下游行业更需要超低温环境下的品种。具体到管材,GB150和GB/T18984中的低温无缝管全部是我国自主开发的,与众多国标低温板材相比,低温无缝管的品种相对较少,且仅限于在不低于-100℃的温度区域使用,即二者品种不完全匹配,尤其是没有能用在低于-100℃温度区域的无缝管。从研发水平上讲,我国已成功开发5Ni(-170℃)、9Ni(-196℃)等系列低温钢,甚至早在20世纪70年代就已开发出以15Mn26Al4(-253℃)为代表的超低温钢(即深冷钢),但时至今日国标中尚未有相应的无缝管。因此,在自主研发低温钢的基础上,开发相应的无缝管产品能有效拓展我国无缝管低温体系至-196℃,甚至是-253℃的超低温体系,从而形成领先于国际的低温体系无缝管。因为不仅是在-253℃下,即使是在低于-196℃(高于-253℃)的较高温度下和宽的温度区域内,奥氏体型低温管也会发生马氏体相变而变脆,即图1所示的在液氢环境下不能使用奥氏体不锈钢。此点也许是GB150对不锈钢在超低温下应用时需要验证的依据。相比于国标-100℃的最低使用温度,美标则低至-196℃,因而国标中使用温度低于-100℃的低温无缝管还有待开发。

GB/T18984是供需双方采购时的推荐技术标准,而GB150是石化、锅炉等行业设计时执行的强制性标准,即使已纳入GB/T18984中的5个牌号的低温无缝管,也不能适用于按GB150设计的设备,因为原则上只有GB150已有牌号才被认可在石化等行业应用,即设计师能无责采用,但目前GB150中仅有2个品种的低温无缝管,最低使用温度仅为-70℃(09MnNiD),且全部是壁厚t≤8mm的规格。为拓展GB/T18984中低温无缝管的使用领域,应启动其进入GB150甚至ASTMA333/A334的审定,以及拓展GB150已有低温管的壁厚规格。

国内市场上,尤其是石油化工行业,以乙烯装置为代表的高端装备初期基本上是整套进口,如自1976年起相继建成的燕山、大庆、齐鲁、扬子、上海、茂名等30万t乙烯工程[19]。国内若不能解决所需的各种低温钢(包括板/无缝管),将会制约大型乙烯装置的国产化。直至20世纪90年代,尤其是“九五”期间我国才陆续对上述装置进行国产化产能的提升改造,因为当时的原成都无缝钢管厂已能生产-45~-101℃等级的低温压力容器用无缝管(执行企标,国产替代牌号,非美标)。近年来,以丙烷脱氢制丙烯(简称PDH)为代表的新兴产业对低温管材形成了新的强劲需求。据初步统计,目前国内拟在建的PDH项目年产能高达约975万t,约占世界拟在建产能的85%,并且世界上单套产能最大的装置已在国内建成投产。国内某在建PDH项目在采购Gr.6时,外商开出了高于8000美元/t的报价,比奥氏体不锈钢还要高,说明国产化美标或自主研发的低温无缝管还有很大的市场价值。不断响应下游行业的市场需求,不仅促进了美标低温管的国产化,还将促进国标低温管温度体系的拓展。据查,仅在美欧市场Gr.6的年需求量在20000t以上。因此,一定程度上,美标和国标彼此所面对的市场需求不同客观上导致了二者温度体系的差异。

镍作为提高钢低温韧性最有效的元素,形成了0.5Ni、1.5Ni、3.5Ni、5Ni、9Ni等系列镍系低温钢以及如A333中Gr.3、Gr.4、Gr.7~Gr.9和Gr.11等系列镍系管材,并被许多国家纳入各自的国标,但未被纳入GB18984和GB150。3.5Ni是其中最典型的代表,自美国成功开发后,德国、法国、比利时和日本等也纳入各自国标中。可借鉴上述国家的模式,把国际上产业化的低温管牌号纳入GB150和GB/T18984是拓展我国无缝管低温体系至-196℃的最行之有效和最快捷的途径。另外,下游行业对美标低温钢在国内的应用也进行了有益探索。现实中,随着石化大型成套装置国产化水平的持续提高,尤其是成套装置的陆续出口,均需国产化美标低温管或国标低温管纳入美标的支撑,尤其迫切需要拓展国标低温无缝管体系。我国钢铁装备和技术水平的不断提高也具备国产化美标低温管的基础,开展超标极限评估和非标适用性评价,不仅有利于证明国产化美标低温无缝管的优良品质,还可探索其极限使用温度和扩展用途。除宝钢在2004年产业化外,广钢和华菱钢铁等公司也均实现Gr.6的国产化,但除宝钢符合2011版要求外,广钢的仍是碳钢体系,而华菱的尽管是低合金体系,但锰含量与美标相比仅有0.06%的重合度,且钼含量上限比A333中的高0.03%。另外,国内市场上,多数经销商以碳钢无缝管冒替原碳-锰体系的Gr.6。宝钢早在2009年就已产业化Gr.3,而天钢2012年才试制成功,且目前市场上鲜见天钢产品。宝钢的Gr.3和Gr.6不仅实现了国产替代,还成功出口至海外。

5结语

综上所述,GB18984和GB150中仅纳入了部分完全自主创新研发的低温管品种,以及未按照国际惯例把国际低温管品种纳入体系是国标与美标存在差异的主观原因,而国内下游用户高端设备研发及制造水平、国内钢铁工业水平和美标低温管国产化水平是造成二者差异的客观原因。通过对比分析,得出的结论和提出的建议如下:

(1)国标尚未因应工业需求形成低至-196℃的低温无缝管体系,通过加强与国标低温钢相匹配的无缝管品种的研发,亦或按照国际惯例纳入国际低温无缝管品种,来丰富或拓展国标低温无缝管体系,甚至是研发低至-253℃液氢环境的超低温无缝管进一步把国标拓展到超低温无缝管体系。即使研发成熟的国标低温无缝管,还需拓展壁厚8mm以上产品纳入GB150的评定。

(2)国内设备多采用美标设计,无论从规格还是品种上,以及直接亦或借道石化装备进军国际市场,都应加强美标低温管的国产化。

(3)为提高认可度,建议开展国标低温无缝管入美标的审定。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

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