JFE不同能源环境下钢材品种的开发

钢材在能源工业设施和装备中发挥着至关重要的作用。近年来,JFE钢铁公司(以下简称JFE)顺应世界能源需求增长的形势,针对能源用钢的特殊性质和极高的安全要求,开发了符合能源开采、运输、生产和使用各阶段的能源用钢。

不同使用环境对钢管性能要求各异

石油工业用钢管(OCTG)。JFE的耐腐蚀石油用管独具特色,其中一类是应用于CO2环境下的高强度高耐蚀性油井管,另一类是应用于H2S环境下的抗硫腐蚀油气用管。JFE还销售OCTG的优质管接头。除API标准级钢管外,JFE还生产高抗压溃性油井用管和用于寒冷环境下的高低温韧性油井管,可用作配管和套管。

JFE生产的高强度、高耐蚀性石油用管的鲜明特点是马氏体不锈钢系列钢管。除常规的13%Cr钢管外,该公司还提供一系列满足各种服役环境要求的产品,如更高强度和耐蚀性的JFE-HP1-13CR钢管、JFE-HP2-13CR钢管和适用于传统双相不锈钢使用环境的JFE-UHP-15CR钢管等。

深油气井中使用的螺纹管接头必须具有高强度和高密封性。JFE开发出拥有自主知识产权的螺纹接头FOX和JFEBEAR钢种。为减少连接螺纹接头时含有环境污染物润滑剂的溢出,该公司还开发了“CLEARRUN”接头润滑系统。

输油气管线用钢管。JFE有无缝钢管、UOE钢管和电焊钢管生产线,形成了不同用途和规格钢管的完整体系。

其管线钢管产品包括远距离大口径输送用高强度管线管、适用多震带和永冻带地区的高变形性钢管HIPER、性能优于传统电焊管的MightSeam焊管、适用腐蚀性环境的马氏体不锈钢管等。

目前,输油气管线的铺设向环境恶劣的地域发展,对于在地震带和不连续冻土带铺设的管线来说,必须具有足够的变形能力,才能在地基发生变动导致管线变形时,不至于发生局部屈曲和环焊缝处断裂事故。因此,JFE研究生产了高变形性管线钢管HIPER(UOE)。

随着输油气管线向高压输送和大口径化的方向发展,X80级等高强度管线钢管也要求实现厚壁化。为满足管线钢管进一步高强度化的要求,JFE于2002年在世界上率先进行商业化生产CSA690级高强度管线钢管(CSA是加拿大标准协会,CSA690级相当于APIX100级)。2004年冬季,CSA690级高强度管线在加拿大北部极寒地区铺设,显示出该钢管良好的母材性能、焊接区性能和焊接施工性。

目前,世界范围内X100管线的应用尚存在局限性,但JFE正在努力开发有关的管线设计技术、应用技术和评价技术,X100管线的推广应用值得期待。

输油气管线与油气井的情况一样,也有因为H2S的存在发生氢致裂纹的现象。为防止氢致裂纹的产生,他们采用对钢中的S含量和硫化物进行特殊控制的抗硫腐蚀管线钢管。钢管的强度目前达到X65级,但该公司正在推进X70级等强度更高抗硫腐蚀管线钢管的开发工作。

鉴于石油和天然气的生产和运输环境越来越恶劣,JFE大力开发管线电焊钢管用材制造技术和焊缝的无损检验技术,并开发出管线用电焊钢管新产品MightySeam,使电焊钢管的可靠性得到极大提高,从而可以充分利用电焊钢管高尺寸精度、高韧性的特点进行管线设计。

截至目前,双相不锈钢一直用作耐腐蚀管线钢管的材料。虽然双相不锈钢具有优良的耐蚀性,但成本昂贵,并且焊接线能量输入难以控制,还因具有过度防蚀性能而容易产生裂纹。而马氏体不锈钢不仅具有优良的耐CO2腐蚀性,而且成本低于双相马氏体不锈钢。在此背景下,JFE利用先进的炼钢技术,通过调整添加元素的成分,降低C和N含量,开发出焊接性和耐蚀性俱佳的管线用马氏体不锈钢无缝钢管。

锅炉和热交换器用钢管。JFE开发并生产出的铁素体合金钢管,具有优良的高温强度、耐氧化性和焊接性能。

改良型9%Cr-1%Mo钢管(T91/P91钢管)。JFE利用曼内斯曼轧制工艺生产ASME(美国机械工程师学会)SA231和SA335标准规定的改良型9%Cr-1%Mo钢管(T91/P91钢管)。该类钢管具有以下特点:属于超级耐火钢管,外径和壁厚尺寸精度高;可制造余热锅炉用22米长左右的超长钢管;可制造主蒸汽管和集汽管用壁厚为50mm的特厚中口径钢管。

含钨2.25%Cr钢管(T23/P23钢管)。该钢种的规范于2001年纳入ASMESA213标准,牌号为T23。它是一种添加大量W的2.25%Cr-Nb-V钢,具有很高的高温强度和蠕变强度。JFE开发出低C、低Al、低N的T23钢管,具有优秀的高温强度、良好的焊接性和抗HAZ裂纹性能,应用于废热回收锅炉的过热器和再热器。

含钨9%Cr钢管(T92/P92钢管)。高温强度和蠕变强度优于T91/P91钢管的T92/P92钢管于2004年纳入ASME标准。该钢管是添加大量W的9%Cr-Nb-V钢,适用于主蒸汽管、过热器和再热器。

钢板生产追求高强度和安全性

高强度钢板。高强度钢板不仅用于建筑、桥梁、工业机械等领域,也用于能源设备。高强度钢板的合理应用取决于对其强度级别、焊接性和低温韧性等性能的具体要求。为提高材料的焊接韧性,JFE开发出EWEL焊接技术。

低温用钢板。为保证严寒地区钻井平台和采油平台的安全性,必须使用有严格低温韧性要求的钢板。钻井平台使用的是船级社标准中的DH36、EH36、FH36等高屈服点钢,其中自升式钻井平台的桩腿及其周围结构使用的是高抗拉强度钢,而齿条则是用HT80特厚钢板。因为自升式钻井平台有时要在严寒区域移动和钻探,所以有时需要具有-60℃的低温韧性。JFE开发出严寒地区平台齿条和钢索用JFE-HITEN780ML钢。

在采油平台方面,导管架式平台、张力腿式平台(TLP)顶层和桩柱、深水浮筒平台顶层使用的是API2W50和API2W60(屈服点为355MPa和410MPa级)的TMCP(热机械轧制)高强度钢。这些钢板的焊接接头要求满足应用环境温度下的CTOD值(一种严格的断裂机械规范)。

球罐用低温钢有JFE-HITEN的L系列钢种,还有可在更低温度下使用的2.5%Ni、3.5%Ni、9%Ni系列低温用钢板。

抗氢致裂纹(HIC)钢板。JFE对球罐用高强度钢板的SSCC问题和含H2S天然气输送钢管的HIC问题进行了积极的研究,开发出适用于H2S环境的抗氢致裂纹钢板JFE-AH1和JFE-AH2。

不锈钢复合钢板。涂镀钢板是基材钢板与不锈钢镀层钢板的复合板。这种复合式钢板既有结构钢板的强度(基材),同时又具有耐热性、耐蚀性等功能(镀层),并且与全不锈钢板相比价格低廉。因此,复合钢板广泛用于压力容器、船舶、海水淡化装置等许多行业。

虽然复合钢板的制造方法有很多,但JFE采用的是轧制方法。JFE的复合钢板具有良好的接合性、稳定的性能、可制造宽幅长尺钢板、尺寸精度高和交货及时等优点。不锈钢板和复合钢板还用于水坝排水闸管道等,而且具有优良耐腐蚀性的复合钢板广泛应用于炼油设备。

造船用钢板。油轮、集装箱船、散装货船等各种船舶的轻量化、高速化、长寿化和造船高效率化是JFE一直关注的课题。TMCP(热机械轧制)可使造船用钢板的抗拉强度和焊接性能得到大幅提高。JFE开发出新一代TMCP技术,即Super-OLAC,并将之投入到工业应用,现在该公司高强度船用钢板都是利用这种技术制造的。

液化石油气船储仓的冷却温度达到-45℃~-50℃,由于焊缝很长,需要高效率焊接,因此要求钢板和焊接热影响区具有优良的韧性。为了满足这一需求,JFE开发出EWEL焊接技术,保证焊接热影响区的优良韧性,已应用于许多液化石油气(LPG)轮船。

原油运输船的储油仓底板有时会发生严重的点腐蚀。为此,JFE开发出原油运输船用耐腐蚀钢板JFE-SIP-OT。

反应堆安全壳用钢板。在核电领域,反应堆的钢制安全壳采用的是SGV480和高强度钢SPV490,压力容器使用的是特厚大单重的SQV2钢。JFE以严格的质量管理制造出大量此类钢板。