陳冬強(qiáng)

(中石化國(guó)際事業(yè)寧波有限公司， 浙江 寧波 315040)

石油化工工藝設(shè)備一般都在一定溫度和壓力的工況下使用，碳鋼由于資源豐富且價(jià)格較為便宜而被廣泛應(yīng)用于石化設(shè)備中。隨著原油的不斷劣質(zhì)化，尤其是進(jìn)口高硫原油的加工量不斷上升，對(duì)石化工藝設(shè)備的防腐蝕提出了更高的要求,普通碳鋼材料已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際需要，設(shè)備材料逐步轉(zhuǎn)向不銹鋼和鎳基合金等高等級(jí)材料。由于合金材料稀缺，導(dǎo)致設(shè)備成本大幅上升,交貨周期延長(zhǎng)。復(fù)合鋼板成本較低，同時(shí)具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，能夠滿足石化工藝設(shè)備的防腐蝕要求，具有重大的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

復(fù)合鋼板是指鋼板基材被另外一種材料包覆，兩者的結(jié)合面金相組織完全熔合形成的一種新的金屬材料，兼具基材的力學(xué)性能和復(fù)材的特殊性能[1-2]。復(fù)合鋼板按照其生產(chǎn)工藝的不同主要分為焊接復(fù)合、軋制復(fù)合和爆炸復(fù)合三種。目前復(fù)合鋼板已經(jīng)廣泛應(yīng)用于油氣輸送、煉油化工和精細(xì)化工等領(lǐng)域，而且可以根據(jù)不同的工況選擇基材和復(fù)層，基材一般為普通碳鋼或高強(qiáng)度低合金鋼材料，復(fù)層材料大多為奧氏體不銹鋼，也有少量鐵素體不銹鋼、鎳基合金、銅基合金和鈦材等材料。

1 復(fù)合鋼板的生產(chǎn)工藝

1.1 焊接復(fù)合

在石化領(lǐng)域中采用的焊接復(fù)合方式主要為堆焊，多用于無(wú)法進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)的設(shè)備和部件，如加氫反應(yīng)器和小型接管等。與其他兩種生產(chǎn)方式相比，堆焊生產(chǎn)效率較低,焊接熱影響大,且生產(chǎn)成本較高。

1.2 軋制復(fù)合

軋制復(fù)合分為熱軋復(fù)合和冷軋復(fù)合。由于國(guó)外對(duì)環(huán)保的要求較為嚴(yán)格，因此目前國(guó)外鋼廠生產(chǎn)的復(fù)合鋼板基本均為軋制復(fù)合板，其成本居中，能夠批量生產(chǎn)，不受環(huán)境和天氣的影響，復(fù)層表面質(zhì)量好，其厚度可以小于等于1 mm。但是軋制復(fù)合板的不足之處在于其價(jià)格比國(guó)產(chǎn)爆炸復(fù)合板的價(jià)格高30%～40%，而且交貨期較長(zhǎng)。

1.3 爆炸復(fù)合

在石油化工行業(yè)內(nèi)，大部分復(fù)合板均通過(guò)爆炸復(fù)合的方式生產(chǎn)，與前兩種生產(chǎn)方式相比，爆炸復(fù)合的成本最低，而且交貨周期最短，能夠滿足國(guó)內(nèi)石化項(xiàng)目工期要求，但是也存在生產(chǎn)受天氣影響、表面質(zhì)量容易出現(xiàn)缺陷等不足之處，且復(fù)層材料厚度一般不能小于3 mm。

2 復(fù)合鋼板在防腐領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 油氣輸送領(lǐng)域

在油氣輸送領(lǐng)域，普遍采用鎳基合金等耐蝕合金材質(zhì)管道。鎳基合金材料國(guó)產(chǎn)化時(shí)間短，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，交貨期長(zhǎng)，原材料仍大量依賴進(jìn)口,因此直接使用高合金材料，不僅造成經(jīng)濟(jì)成本顯著增加，而且嚴(yán)重影響項(xiàng)目的建設(shè)和投產(chǎn)周期。通過(guò)使用復(fù)合管材，不僅可以降低鎳基高合金材料的使用比例，而且可以提升管道的綜合性能。目前雙金屬?gòu)?fù)合管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，并在普光氣田等酸性氣田上廣泛使用。

2.2 煉油化工領(lǐng)域

在煉油化工領(lǐng)域，復(fù)合鋼板已經(jīng)廣泛應(yīng)用于常減壓塔和焦炭塔等石化核心設(shè)備，逐步替代原有的碳鋼設(shè)備。隨著使用年限的增加，這些碳鋼設(shè)備開(kāi)始出現(xiàn)鼓包和裂紋等局部失效，給設(shè)備的日常檢維修增加難度，也給安全生產(chǎn)帶來(lái)了很多隱患。隨著單套煉油化工裝置的大型化和加工原油的劣質(zhì)化，這些碳鋼設(shè)備已經(jīng)不能滿足實(shí)際需求，因此需要將其部分或全部升級(jí)為復(fù)合鋼板材料。

2.3 精細(xì)化工領(lǐng)域

在制鹽和制堿工業(yè)中,母液蒸罐和真空制鹵的蒸發(fā)室等設(shè)備已經(jīng)普遍采用復(fù)合鋼板替代傳統(tǒng)的高合金材料。另外，高壓釜、結(jié)晶器和儲(chǔ)藏槽等精細(xì)化工設(shè)備也逐步使用復(fù)合鋼板材質(zhì)[3]。

3 復(fù)合鋼板的經(jīng)濟(jì)價(jià)值

3.1 節(jié)約合金資源

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年國(guó)內(nèi)進(jìn)口純鎳高達(dá)151.5 kt，而國(guó)內(nèi)鎳產(chǎn)量?jī)H為150 kt，即純鎳的消費(fèi)一半以上依賴進(jìn)口。在鋼鐵冶金行業(yè)中，鎳主要用于生產(chǎn)不銹鋼和各種高合金鋼。通過(guò)使用復(fù)合鋼板大量替代純不銹鋼或更高等級(jí)合金材料，不僅可以節(jié)省大量合金資源，而且可以為國(guó)家節(jié)省大量外匯。

3.2 降低設(shè)備制造成本

復(fù)合鋼板材料兼具基材優(yōu)異的力學(xué)性能和復(fù)層耐腐蝕、耐高溫、耐磨等特殊性能。與傳統(tǒng)的不銹鋼材料相比，通過(guò)將高強(qiáng)度的碳鋼材料作為基層板材可以大大提高板材整體強(qiáng)度。普通304L材料屈服強(qiáng)度不小于205 MPa，316L材料屈服強(qiáng)度不小于170 MPa，而Q345R材料屈服強(qiáng)度大于345 MPa。對(duì)于同等設(shè)計(jì)壓力的設(shè)備，采用復(fù)合鋼板替代不銹鋼板，其厚度可以減少約1/3，能夠顯著降低成本。在酸性氣田中一般使用鎳基合金管，若采用雙金屬?gòu)?fù)合管進(jìn)行替換，其復(fù)層厚度僅需約3 mm，可將高合金材料的使用占比降低至1/3以下，大大節(jié)省項(xiàng)目投資。Arcelor Mittal公司做過(guò)一個(gè)成本計(jì)算，對(duì)于設(shè)計(jì)壓力為3 MPa的壓力容器，若采用Incoloy 825鎳基合金復(fù)合鋼板替代純Incoloy 825鎳基合金板材，僅主體板材一項(xiàng)就可以降低成本37%。

3.3 簡(jiǎn)化設(shè)備制造工藝

復(fù)合鋼板的焊接分為基層材料焊接和復(fù)層材料焊接兩步，焊接工藝簡(jiǎn)單，操作方便[4]。大部分高合金材料在焊接時(shí)由于熔融金屬黏度大、流動(dòng)性差，且鎳和鎳的氧化物存在熔點(diǎn)相差較大等特點(diǎn)，導(dǎo)致焊接難度大大增加。采用復(fù)合鋼板設(shè)備替代傳統(tǒng)的不銹鋼或高合金襯里設(shè)備，可以簡(jiǎn)化設(shè)備制造工藝，降低設(shè)備制造成本，縮短交貨周期。

3.4 降低設(shè)備全生命周期使用成本

將普通碳鋼設(shè)備材質(zhì)升級(jí)為復(fù)合鋼板，雖然會(huì)增加單次投資成本，但是卻能顯著降低設(shè)備全生命周期使用成本，其原因在于：一方面，由于表層復(fù)合材料的使用，可以不再考慮設(shè)備的腐蝕裕量，設(shè)備總體采購(gòu)成本增加不多；另一方面，通過(guò)使用新的基材和復(fù)材可以充分降低設(shè)備的日常使用及維護(hù)成本，消除安全隱患，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。國(guó)內(nèi)早期常減壓塔和焦炭塔等石化設(shè)備主要采用碳鋼材質(zhì)，一般在使用10年左右便會(huì)出現(xiàn)裂紋和鼓包等安全隱患，而使用復(fù)合鋼板后可將設(shè)備的穩(wěn)定使用年限延長(zhǎng)至20年以上。隨著石油化工行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，原油質(zhì)量不斷劣質(zhì)化，提升裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性能夠?yàn)槠髽I(yè)創(chuàng)造更大的價(jià)值。

3.5 其他經(jīng)濟(jì)價(jià)值

復(fù)合鋼板國(guó)產(chǎn)化程度高、供應(yīng)穩(wěn)定、交貨周期短，能夠滿足現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)石油化工行業(yè)的發(fā)展需求。

4 復(fù)合鋼板的發(fā)展方向

4.1 生產(chǎn)方式向更加環(huán)保型發(fā)展

國(guó)內(nèi)石油化工行業(yè)普遍采用爆炸復(fù)合的方式生產(chǎn)復(fù)合鋼板，其優(yōu)點(diǎn)在于生產(chǎn)設(shè)備投入成本低、生產(chǎn)靈活、工藝控制簡(jiǎn)單。國(guó)外采用軋制復(fù)合的方式生產(chǎn)復(fù)合鋼板，其原因在于：一方面,國(guó)外對(duì)環(huán)保的要求較為嚴(yán)格;另一方面,軋制復(fù)合鋼板的質(zhì)量穩(wěn)定,復(fù)層表面質(zhì)量好，同時(shí)其生產(chǎn)也不會(huì)受天氣等因素影響。目前國(guó)內(nèi)如寶鋼、濟(jì)鋼等企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始批量生產(chǎn)各種規(guī)格的軋制復(fù)合鋼板，復(fù)合鋼板的生產(chǎn)會(huì)逐步向更加環(huán)保的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。

4.2 產(chǎn)品類型向更加多樣化發(fā)展

隨著技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，復(fù)合鋼板的種類從普通碳鋼不銹鋼復(fù)合開(kāi)始，逐步向鈦鋼復(fù)合、銅鋼復(fù)合、鎳鋼復(fù)合、鈦銅復(fù)合、鋁鋼復(fù)合等類型發(fā)展，并出現(xiàn)了雙面復(fù)合的方式。為了滿足各個(gè)領(lǐng)域的需求，復(fù)合鋼板的復(fù)層厚度可以小于等于1 mm。

4.3 應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)展

雖然復(fù)合鋼板的大規(guī)模使用始于石油化工行業(yè)，但是隨著復(fù)合鋼板的優(yōu)異性能逐漸被人們認(rèn)識(shí)，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐步從石油化工擴(kuò)展到了電力、水利、建筑和公共設(shè)施等領(lǐng)域。

5 結(jié)束語(yǔ)

在石化防腐蝕領(lǐng)域，復(fù)合鋼板具有重大的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。復(fù)合鋼板不但結(jié)合了基材優(yōu)異的力學(xué)性能和復(fù)層耐腐蝕、耐高溫及耐磨等特殊性能，還能夠節(jié)約合金資源，降低設(shè)備制造成本，簡(jiǎn)化設(shè)備制造工藝和降低設(shè)備全生命周期使用成本。復(fù)合鋼板的生產(chǎn)方式將向更加環(huán)保的方式發(fā)展，產(chǎn)品類型向更加多樣化發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)展。