石化关键装备用金属材料的开发和应用进展

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1、石化关键装备用金属材料的开发和应用进展石化关键装备用金属材料的开发和应用进展本文由 suhang1969 贡献pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。石化关键装备用金属材料的开发和应用进展张汉谦 刘孝荣 陆匠心 （宝山钢铁股份有限公司，上海 201900）摘要本文简单介绍石化装备和所用金属材料，回顾了石化装备国产化历程，以对大型原油储罐、乙烯球罐用钢、临氢设备用钢、PTA 装置用材等为例，介绍所用材 料的开发和应用进展，提出了目前形势下的大型石化关键装备国产化工作思路的建 议。 关键词：石化设备 金属材料 国产化 进展 1.前言 从广义上讲，

2、石化行业包括石油和天然气开采业、石油加工及炼焦业、化学原料 及制品制造业、化学纤维制造业、橡胶制造业、塑料制造业等。石化行业是我国经济 的支柱产业。在国家经济发展和提高人民生活水平上有着举足轻重的地位，石油被称 为“工业的血液” ，化工产品称为“工业的粮食” 。我国已经成为石化产品的生产和消 费大国。2008 年，我国原油加工量为 3.42 亿吨，成品油产量 2.08 亿吨和乙烯产量为 1026 万吨。在“十一五”规划中，到 2010 年，原油加工能力达到 3.7 亿吨，轻油 收率达到 74%，2020 年达到 5 亿吨，轻油收率 76%，实现成品油满足国内需求；乙烯 生产能力达到 17001

3、800 万吨/年，产量 1450 万吨，乙烯自给率达到 58%，2020 年达 到 2600 万吨，自给率提高到 60%。 石油、天然气、煤等化工原料，通常要经过钻探、开采、输送、储存、加工、转 化、产品储存等多个环节， 每个环节又通过不同工艺和特定的装备来完成。 因此， 石化产品种类繁多，石化加工设备种类同样众多。石化的生产靠工艺，工艺靠装备完 成，装备主要又由满足运行工况的金属材料制造而成。依产品的不同，所用装置按照 其生产工艺、中间或最终产品的特点，所用的金属材料的又明显不同。所用材料不仅 要满足设备的服役条件，还要满足装备的制造工艺需求。本文以大型原油储罐、临氢 设备用钢、大型乙烯低温

4、球罐用钢等石化关键设备所用的金属材料进行归纳和总结， 说明其开发和应用进展，以期为这些设备进一步大型化和其他关键设备用金属材料的 国产化提供有益的借鉴。12.石化装备种类 石化装备通常分为专用设备、通用设备和仪器仪表。石化专用设备包括工业炉、 反应设备、换热设备、塔器、储运设备、以及专用机械，如过滤机械、分离机械、干 燥机械、造粒机械和包装机械等。石化通用设备包括气体压缩机组、泵、阀门等。仪 器仪表包括控制仪表、测量仪表、在线分析仪器等 。 按生产工艺流程中工艺装置来分，包括单元设备、主工艺管道系统、蒸汽、压缩 空气和水等管道系统，电控系统、自动化仪表控制系统、以及其他辅助系统等。 也可按关键

5、工序的装置功能来分， 如炼油工序的常减压蒸馏装置、 催化裂化装置、 催化重整装置、加氢裂化装置、焦化装置等。百万吨级大型乙烯成套装置 80 万100 万吨/年乙烯裂解装置、 万60 万吨/年聚乙烯装置、 万60 万吨/年聚丙烯装置， 40 40 以及辅助配套设施如空分装置、热电站、空气压缩站、水循环系统、污水处理系统等。 石化设备和仪器的特点是成套性和配套性强，品种多、规格杂、通常需要单件小 批量生产。 目前，我国将锅炉、压力容器和承压管道统称为承压类特种设备。石化专用和通 用设备，多数属于承压设备，其设计、选材、制造、安装、检验、使用、管理等需要 严格按照有关法律、规程和标准执行。对于大型石

6、化装备，还必须考虑运输和吊装、 现场组焊和检验等。3.石化设备所用的金属材料 石油、石化设备和装置，主要在高温、高压、低温、易燃、易腐蚀的条件下服役， 这些特点就决定了石化不同装置要采用不同的材质的材料来制造。既有金属材料，也 有非金属材料。金属材料既包括黑色金属，如铸铁、碳钢、低合金钢、不锈钢，又包 括有色金属，如镍和镍合金、铜和铜合金、铝及铝合金，还包括活性金属，如钛及钛 合金、锆及锆合金、钽及其合金等。对石化设备所采用金属材料，涉及到不同的形状 板材、棒材、锻材、丝材等。这些材料由钢铁企业和设备制造厂生产，涉及到冶金行 业的各种主要生产工艺，如铸造、锻材、轧材、烧结。根据材料的特性，有的

7、材料需 要整体热处理、表面处理改性处理，或将不同金属材料复合在一起。 从温度来讲，不同石化工艺的介质温度从-196超低温到 1100高温。对于 -196-20 低温，主要选用不锈钢、Ni 合金低温钢、低合金低温钢等；对于-20 99常温区间，通常选用低合金钢、碳钢（热轧、正火、调质钢板）等；对于 1002400中温区间，通常选用 Cr-Mo 耐热钢、不锈钢；对于 400800高温区间，通 常选用高合金 Cr-Mo 钢、Cr-Ni 钢不锈钢等；800 以上超高温，通常选用镍基高温 合金。 石油化工和化工装置要在高温、高压、低温、易腐蚀条件下长时间运行。大型炼 油、石化装置的连续生产状态要求达到

8、35 年才能大修。这对所用的金属材料也提 出更高要求。 石化装备设计时，选择材料要结合设备的服役环境和运行条件，考虑介质、服役 温度、压力、流体速度、材料的加工工艺性（重点使材料焊接性和消除焊接应力热处 理特性） 、成本（材料采购成本、加工工艺成本等） 。当出现多种材料同时可以满足设 备的服役要求的情况，综合考虑材料的成本、加工难易、设备寿命等。 目前，国内钢铁企业经过几十年的发展，从石化装备所用金属材料种类以及加工 工艺来讲，已经完全可以生产。现在主要问题是金属材料的系列化上不能完全满足石 化装备的需求，尤其是随着石化设备大型化，所用金属材料的单重、厚度、强度、腐 蚀性能等不能满足需求设备的

9、制造要求。冶金企业解决材料的单重、厚度等问题，也 需要通过设备和工艺改造才能实现。 焊接材料作为设备制造时必不可少的工艺材料，起着举足轻重的作用。有些关键 设备的国产化进程中， 最后的难点往往就是焊接材料。 在大型设备难以整体热处理时， 焊缝金属作为铸态组织直接服役，其均匀性和性能决定着接头的服役寿命。 对于石化通用设备，设备制造商与冶金企业联合设计选材，提高设备的可靠性和 运行周期，对于重大关键设备，设计、制造企业，向冶金企业交底，生产出满足设计 要求的优质金属材料，保证关键设备的可靠性。对于关键重大装备，科研、设计、制 造和业主单位，与冶金企业联手攻关，加速国产化。期间，也要考虑解决好石化

10、单件 设备用材量小，不适合冶金企业批量大生产问题。4.石化重大装备的国产化促进着金属材料开发和应用 自二十世纪八十年代早期，为了促进石化工业的发展，在国务院、政府部门、装 备制造企业、石化企业、设计、科研院所、高校等通力合作下，在石化成套装置引进 的基础上，不断地消化和创新， 致力于石化设备的国产化，取得了令人注目的成绩。 经过近六十年的积累和发展54321，我国已经初步建立了较完善的石油化工和化工3设备设计、制造、运行和改造经验，尤其是近二十年来，大型石化关键设备的国产化 不断取得标志性成就。 我国大型炼油装备的国产化率已经达到 90%左右， 化工设备国产化率已经达到 70% 左右。我国石化

11、装备总体上与国外的先进水平相比仍存在一定的差距。主要是石化装 备的可靠性和稳定性还有待提高，石化装备的集成能力还较差，专业化和系列化程度 较低；装备制造业的发展跟不上石化技术发展及装备大型化的要求，对引进技术和装 备的消化、吸收、再创新能力不足等 。 石化行业多项关键设备，如乙烯成套装置等，一直处于引进国产化再引 进再国产化的循环中。为此，国内有识之士不断地呼吁实现石化重大装备的国产 化 ，并全力推进国产化进程2111 019876 6。自 1983 年以来，国家和行业也适时推出了相关方案和政策措施。1995 年前，政府牵头，企业联合攻关，推进着关键设备用金 属材料的国产化。如临氢设备用 Cr

12、-Mo 钢锻件实现了国产化。1500 立方米大型乙烯球 罐 CF-62 钢板的国产化等。1995 年后，行业牵头，企业间主动参与、配合、协作，推 进着关键设备和装置的国产化。如 30 万吨乙烯装置改造和国产化为龙头的石化装备， 实现了 30-45 万吨乙烯装置的国产化。近年来，更是从规划和政策上，加强不断地推 进大型成套关键设备的国产化。如国务院关于印发实施国家中长期科学和技术发 展规划纲要（2006-2020） 若干配套政策的通知 国务院关于加快振兴装备制造业 、 的若干意见 （国发（2006）8 号） 、2009 年 5 月国务院发布的装备制造业调整和振 兴规划等。 在推进大型石化装置国内

13、制造过程中，也促进着部分金属材料和焊接材料的国产 化。 在追求低成本推动下，随着工艺技术、工程技术和设备制造技术的进步，石油化 工装置加速趋向大型化和规模化 。如委内瑞拉的帕拉瓜炼油中心的炼油能力达到 4700 万吨/年。石化装置的大型化，不是简单的设备外形的放大。需要重新设计、计 算，考虑多种因素，如选材、加工制造、检验、运输、现场安装、检验等。这要求掌 握大型化装置的设计技术，搞清楚现有的制造装备和工艺技术能否满足装备的制造要 求，了解所用材料的研发和生产能力等。石化装置的大型化，对材料的单重、厚度和 性能均匀性等提出了更为苛刻的要求，增加材料的生产难度，尤其是所用大单重、大 壁厚的锻件和

14、板材，以及特殊材质材料等生产。装置大型化后，原来已经国产化的金431属材料必须提出新的开发目标。尚未国产的装置用金属材料国产化难度进一步加大。 根据以往重大装备的国产化经验，有效的协调和组织是加快国产化进度的关键。 2004 年 7 月，国家发改委牵头，中石化组织，相关企业、研究单位、行业协会、业主 和施工企业共同参与，2006 年底基本上实现了 10 万立方米大型原油储罐用高强度钢 板的国产化，是一个成功例子。在此基础上，宝钢与国内设计、业主等密切合作，实 现了 15 万立方米大型原油储罐钢板和建造技术的国产化。5.几种石化关键设备用金属材料开发和应用进展 5.1 大型原油储罐用高强度钢的开

15、发和应用进展 原油储存一是应对能源危机，保证石油和供应的前提。二是满足成品油和石化 产线连续生产要求。2004 年前，我国原油储备主要是企业生产性用油储备。2004 年 7 月，国家正式启动石油战略储备计划，首期建造 164 台工程容积 10 万立方米的大型 钢制浮顶原油储罐。储罐的罐底边缘板和下部数圈主要采用高强度钢板制造、上部壁 板和浮顶板采用低合金钢或碳钢钢板和热卷板。对于 10 万立方米大型原油储罐来说， 关键金属材料就是高强度钢板。 日本大型原油储罐施工中，引进高效率的气电立焊，提高了储罐焊接效率，使 储罐主体施工周期从一年缩短两个月以内。为此，日本钢厂开发的高强度钢板具有了 耐大热

16、输入焊接的高强度钢板 SPV490Q。我国 1986 年从日本引进 10 万立方大型原油 储罐的设计和建造技术，其所用的高强度钢板主要从日本进口。武钢 2000 年开发了 与 SPV490Q 相当的钢板，首次在国内采用该钢板建造了 5 台 10 万立方米原油储罐。 为了满足国内石油储备迅速发展的需要，2004 年 7 月，国家发改委组织国内石 化设计、研究、施工、业主和国内钢厂、焊材企业等单位，开展联合了大型原油储罐 用高强度钢板国产化攻关。到 2006 年底，武钢、舞钢、鞍钢、宝钢、济钢等具备了 大型原油储备用钢板的生产资质，基本上实现了 10 万立方大型原油储罐国产化。目 前， 国内规模建设 10 万立方米原油储罐用高强度钢板几乎全部采用国产钢板。 2007 到 年底，宝钢开发和生产的大型原油储罐用大热输入焊接 B610E 高强度钢板，以裂纹敏 感系数低，力学性能指标高，实物力学性能稳定，耐大热输入优良、表面质量和板型 好、工程应用稳定，成为国内最大的高强度钢板供应