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展利讲述我国高镍合金无缝管需求

文章出处:郑州展利不锈钢材料有限企业    编辑:展利不锈钢    人气:     发表时间:2017-01-04
高镍合金无缝管在航空航天、核工程、能源动力、交通运输、石油化工和冶金等领域起着至关重要的作用。这得益于其相对较高的抗氧化和抗腐蚀能力。Cr作为提高合金抗氧化耐腐蚀性能的主要元素,其含量的高低格外重要。近些年来,一些Cr含量超过30%的高铬基合金开始走进人们的视野,并迅速兴起。
(一)需求行业应用趋势情况
1.用于石油炼化炉管的高镍合金
石油炼化炉蒸馏塔一般用Alloy625,规格φ25-325mm,年需求量在1620吨左右。
石油行业是仅次于建筑行业的钢管消费大户,三十年来,我国特钢行业为石油工业发展做出了巨大贡献,石油工业所需的油井管、油气输送管、石油矿场机械用钢和海洋石油工程用钢年消耗钢材总量约350万吨,其中特钢行业生产的合金无缝钢管、焊管占有很大比重。
从20世纪50年代蒸汽裂解工艺和蒸汽转化工艺商品化以来,石油化学工业得到极大的发展,管式裂解炉和转化炉是该工艺的中心。作为加热炉最重要零部件的炉管及其配件用量大、性能要求苛刻,因而引起人们极大的关注。炉管材料作为抗高温氧化、高温渗碳以及蠕变断裂强度要求高的高合金材料,得到了广泛的研究和发展,以乙烯发展为例,早期为小容量水平管式炉,操作温度低,用304SS钢管作为裂解管。随设备扩大,工艺温度提高,310SS和Incoloy800引入石化装置炉管制造。60年代早期和中期,工艺向更深度裂解方向发展,工艺参数提高(高温、短停留时间),装置规模更大型化,要求炉管强度更高,此时,强度更高而且价格较低的离心铸造材料HK.40得以使用。60年代到70年代初,立式炉逐渐代替了卧式炉,停留时间进一步缩短,管金属壁温进一步提高,对金属在更高温度下的抗氧化、渗碳以及高温强度要求更高。从70年代到90年代期间,盘管出口工艺气温度提高了150℃(3000F),与此相应,炉管合金相应有HK.40向HP以及它们的各种改良型合金转变。这些改良合金主要是在HK和HP成分基础上单独或复合加入少量Mo、W、Nb、Co等元素;许多炉管供应商也提供了一些微量合金化改良型号,向合金中加入少量Ti或zr以及稀土元素.更进一步,为了提高合金的高温强度和氧化.渗碳抗力,对炉管合金进一步合金化,提高Cr、Ni含量到35Cr.45Ni水平,并对其微量合金化,35/45.Nb.Ti.Si合金作为裂解炉管材料,工作温度可达1150℃,且同时具备优良的抗高温腐蚀.高温强度的最佳组合。
2.690合金管逐步在国内外的核电站中得到应用
核岛设备长期在高温高压及辐照等十分苛刻的条件下运行,要求制造材料具有优异的耐腐蚀性能、良好的强度、高韧性、耐疲劳性能,以确保核电站长期安全可靠运行。蒸汽发生器是压水堆核电站的关键设备,其传热管和管板是最为薄弱的环节之一,应力腐蚀破裂等问题十分突出。因此,蒸汽发生器用材料的研究生产和应用一直受到高度重视。核电工业是不锈钢和高镍合金管的一大用户。据统计,一座100万kW的核电站,需用各种钢管1255t,其中蒸汽发生器U型传热管就达200t。而一座130万kW的压水堆核电站,需用各种钢管2850t,其中不锈钢和高镍合金管达850t。
大型压水堆核电站的蒸汽发生器U型传热管采用的材料一般是:Inconel 690、Incoloy 800和Inconel 600,其典型规格为:φ19.05mm×1.09mm×~36000和φ22 mm×1.2mm×~28000mm。
镍基耐蚀材料是应用于核反应堆核岛主设备的关键材料。从核电站的历史和发展趋势来看,镍基耐蚀材料在核容器中所占的比例在不断增加,材料类型也在不断变化和改进。60年代以来,蒸汽发生器耐蚀材料多采用600镍基合金或800铁镍基合金(00Cr20Ni32Fe);近年来,开始采用抗晶问腐蚀和应力腐蚀性能更好的690镍基合金。一座30万和60万kW核电站有两台蒸发器;100万kW有3台蒸发器,每台蒸发器用Inconel 690镍基合金管(U 形)8350 支,长度不等,平均每支12kg,所以100 万kW 蒸发器用U 形管量:3×8350×12=300.600t全部进口。今后我国每年将有2~4台百万kW机组开工建设,约需要600t以上,进口费用每吨100万元人民币。
表1  核电站用管部分牌号主要化学成分(%)
牌号
C
Mn
Si
S
P
Cr
Ni
Fe
其他
Inconel-800
≤0.03
0.4
0.3
≤0.015
≤0.002
20
32
Bal.
Ti
 
 
1
0.7
35
35
Inconel-690
0.015
0.5
0.5
≤0.003
≤0.015
28.5
≥58
9
 
 
0.025
31
11
 
Inconel-600
0.025
1
0.5
≤0.010
≤0.015
15
≥72
6
Cu≤0.5
 
0.05
17
10

 

表2  一座100kW的核电站需用钢管牌号(合金钢)、数量及主要规格
名称
钢种(材料)
外径/mm
数量/t
燃料包套管
Zirealoy-4
Φ9.5
4万支
堆内结构管
AISI316
Φ101.6-203.2
9
控制棒用管
AISI410
 
10
蒸发器用管
Inconel-600
Φ22.2
200
Inconel-800
主管道用管
STPT49
Φ457.2
86
冷却水管
SISI304
Φ3.2-406.4
320
冷却水管
STPT42
Φ6.3-457.2
350
冷却水加热器
AISI304
Φ15.9-19.1
230
辅助热交换器
AISI304
Φ12.7-19.1
50

 

中国市场前景:
运营核电站:
广东大亚湾核电站(2×98万kW)1994.2运行(法)
广东岭奥1期核电站(2×99万kW)2002.9运行(法)
浙江秦山1期核电站(1×30万kW)1994运行
浙江秦山2期核电站(2×65万kW)2004运行
浙江秦山3期核电站(2×72万kW)2003.7运行(加)
江苏连云港田湾核电站(1×106万kW)2006.5运行(俄)
在建核电站:
江苏连云港田湾核电站2号机(1×106万kW)
广东岭奥2期核电站(2×100万kW)计划2011.8运行
浙江秦山2期核电站(扩建) (2×65万kW)2012.1运行
已批核电站:
辽宁大连红沿河核电站(2×100万kW)计划2011运行
广东阳江核电站(6×100万kW)计划2012运行
浙江三门健跳核电站(6×100万kW)计划运行
规划核电站:
浙江三门扩搪山核电站(4×100万kW)
福建莆田核电站(4×100万kW)
浙江秦山4期核电站(2×100万kW)
江苏连云港核电站(4×100万kW)
广东台山核电站(2×100万kW)
广西白龙核电站(6×100万kW)
山东海阳核电站(2×100万kW)
山东乳山核电站(2×100万kW)
山东荣成核电站(2×100万kW)
吉林白山核电站(2×100万kW)(非沿海地区)
今后15 年里要建设至少30 台百万kW 的核电机组,每年至少有4 台机组开工、2~3 台核电机组投产发电。
3.航空工业行业对高镍合金无缝管的需求
每架C919 用高镍合金无缝管0.2吨,每年交付量为50架,则对应的高镍合金无缝管需求为每年10吨。
平均每架飞机对钛及钛合金无缝管的使用量0.2吨,2010-2028年新增飞机29000架,对应的高镍合金无缝管需求量5800吨。平均每年需求高镍合金无缝管需求量约为644吨。
 
随着我国飞机制造业的不断发展和飞机综合性能的快速提高,不锈钢精密管的需求量将会有较大幅度的增加,需要使用的不锈钢管大体包括:精密不锈钢管和高温合金管、波纹金属软管等,年使用量大约5000吨左右。主要是高镍合金不锈钢管和600系不锈钢管,如630/631材质等。
纳入我国新机研制中应用的国产化新型高性能结构钢不锈钢材料,包括16Co14Ni10Cr2Mo、23Co14Ni12Cr3Mo、TM210A、16Cr3NiWMoVNb、0Cr13Ni8Mo2Al、1Cr15Ni4Mo3N、0Cr15Ni5Cu2Ti、0Cr16Ni6、0Cr14Ni6Cu2MoNbTi。
表3 中国商飞高镍合金无缝管需求情况
企业名称
需求部位
需求量(吨)
中国商飞
机体
20
发动机
5
航电、主飞控、电源、燃油和液压系统
8
APU、环控、起落架、照明、防火、机电综合、氧气和高升力等系统
2
材料/标准件
10
钨、钼含量较高的GH3044、GH536镍基高温合金有较高的热强性,热加工成形较困难.用传统的热穿孔和热挤压工艺无法制成荒管及成品管.采用热轧棒镗孔冷轧新工艺,已成功交货10多种不同规格的无缝管,全部符合技术标准并满足用户需要。
新近引进和研制的航空发动机急需各种规格的GH3044和GH536合金无缝燃油导管,其工作温度在900℃左右。GH3044合金相当于俄罗斯的9H868,GH536合金相当于美国的Hastolloy—X,两合金有较高的w、Mo含量,由于w、Mo熔点很高,与基体原子的半径相差很大,因此有较大的高温强化效应,另外由于热穿孔或热挤压过程中产生的热应力,加上合金本身塑性变形区温度很窄,热穿孔时荒管很容易出现裂纹甚至破碎。
因此,目前为止,GH3044、GH536合金无缝管无成功的生产工艺。为了试制用户急需的GH3044和GH536合金无缝管,在传统的热穿孔和热挤压工艺生产高温合金荒管坯的基础上,采用热轧棒镗孔冷轧新工艺,根据现有的设备情况,合理制订热轧棒的直径和长度,镗孔的壁厚和光洁度,冷轧道次和变形量,坯料退火和成品热处理等工艺,试制成功了10余种不同规格的GH3044和GH536合金无缝管,组织性能的一次性检验合格率和探伤合格率较高,无缝管的成材率比较稳定。采用该工艺生产难变形高温合金无缝管,所需设备简单,产品质量稳定,为难变形高温合金无缝管的生产开创了一种新工艺。
(1)试验方法
GH3044合金采用非真空感应炉+真空自耗双联工艺冶炼;GH536合金采用非真空感应炉+电渣重熔双联工艺冶炼。钢锭开坯成方坯一中间坯进行探伤研磨一热轧棒一机加工成管坯一冷轧或冷拔至成品一固溶处理一探伤一检验入库。试样的化学成分见下表。
(2)试验结果及分析讨论
该管经800℃长期时效后的室温拉伸性能看到:GH3044和GH536合金无缝管的力学性能均符合技术标准的要求,并且强度的富裕量较大,可适当降低固熔强化元素W、Mo的含量,以便改善冷加工塑性和提高拉伸塑性指标,使其综合性能更合理。
GH3044合金无缝管经800℃×(100~1000)小时长期时效后其室温拉伸性能稳定。GH3044合金和GH536合金无缝管的显微组织见图2,可见它们的晶粒度均匀细小,能满足技术标准的要求。
(3) 结论
采用热轧棒镗孔冷轧新工艺生产的GH3044合金和研为36合金无缝管,各项技术指标均符合技术标准的要求。该工艺设备简单、产品质量稳定可靠。
4.高镍合金无缝管在高压锅炉行业的应用
根据相关资料,建设火电机组平均装机容量每l万千瓦需用高镍合金无缝管为0.06吨,2009年全国火电新增装机6000万千瓦,则高镍合金无缝管需求总量为360吨,主要规格是φ31~146*3~20mm、φ273~711*20~130,其余则为一些特殊用管。
5.G3合金无缝管制管工艺研究
天然气是洁净、环保、安全的能源。随着国际能源市场价格攀升和我国经济发展对能源的旺盛需求,使得天然气资源开发具有良好的经济性和战略意义。但是,在开采现场,越来越多的高酸性气田对采气材料提出了更高的要求。随着油气井中温度、H2S、C02、C1.及地层压力的升高,镍基合金在油气田的应用越来越被人们所重视。镍基合金G3以其优良的机械性能和抗蚀能力广泛用于高H2S、C02、Cl等酸性环境的油井管道,多年来,我国高腐蚀性油气井用G3油气井管全部依靠进口,随着我国高腐蚀性油气井对G3管材需求量日益增加,国外企业也趁机抬高价格,以求获取更大的经济利益。面对G3日益高涨的进口价格我国石油部门不得不采用性能较低的钢材替代,由此大大降低了高腐蚀性油气井安全生产的可靠性,一次次腐蚀泄漏,导致了多次严重安全事故的教训,也敦促大家应该尽快开发生产这种我国油气田急需的管材品种。
对于G3合金管材的生产及工艺研究,国内外所见报道比较少。从国外相关G3技术要求看,该合金的冶炼、锻制不是开发中的难点,而其在成管过程中的热变形是该合金管材量产的瓶颈。

(二)未来5年供需趋势预测分析 
目前,国内高镍合金无缝管的需求数量约5000吨,未来需求预测如下:
表12  2012-2016年我国高镍合金无缝管的需求预计(单位:吨)
 
年份
需求量
2012
7000
2013
8000
2014
8500
2015
9000
2016
10000

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