石油石化用钢应用现状及未来展望

石油与天然气是国家战略储备物资，随着油气田勘采逐步转向海洋深水、陆地深层和非常规的“两深一非”接替资源开发，对油气用高端特殊钢的应用也提出了更高要求。

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国内石油石化装备用钢应用现状

1.1 锅炉和压力容器用钢标准简介

国内石油石化装备用材料均采用锅炉和压力容器用钢标准，国内锅炉和压力容器用钢板（包括钢-钢复合板）、锻件和管材的主要标准见表1。

随着锅炉和压力容器用钢性能指标的不断提高，特别是要求良好的强韧性配合以及在保证强度的前提下降低碳含量有利于压力容器用钢的焊接性能，目前锅炉和压力容器用钢的标准（如GB/T713）均要求采用炉外精炼工艺，对一些特殊材料（如铬钼钢）还需要增加真空脱气处理。采用炉外精炼和真空脱气工艺技术脱磷、脱碳，大幅降低了钢中H、O、N的含量，去除了钢中的夹杂物，提高了钢的洁净度，保证了锅炉和压力容器用钢优良的综合性能。

锅炉和压力容器用钢板的制造方法主要有两种，连铸坯轧制和模铸开坯轧制，这两种制造方法均规定轧制比不低于3，目前国内大部分钢厂轧机的连铸坯开口高度为320-480mm，钢板生产厚度约在150mm以下，对于大于150mm厚的钢板，国内部分钢厂采用钢锭锻造后开坯轧制的制造方法，可生产钢板厚度达到200-250mm，采用这种方法生产的220mm的Q345R和198mm的12Cr2MoR钢板已在实际工程中应用。

热处理是钢板生产中重要的工艺技术，也是最终决定钢板组织形态和性能的关键工序。锅炉和压力容器用钢板的交货状态主要有热轧、正火、控轧、调质（淬火+回火）和固溶热处理（奥氏体不锈钢）。对于铬钼钢和其他材质的大部分厚钢板可采用正火（允许加速冷却）加回火的热处理工艺。这种热处理工艺可保证厚钢板心部的淬透性，达到厚度方向组织的均匀性，目前这种热处理工艺技术已经应用于大部分压力容器用钢板。通常压力容器用钢板采用离线热处理工艺，现在只有原油储罐用Q490RW可采用在线热处理技术。

1.2 国内压力容器用材料的技术水平

2000-2020年，石油化工和煤化工等领域快速发展，由此推动压力容器产品趋向于大型化和高参数化，耐高温、高压和耐腐蚀材料的研制、开发和应用在这一段时间结出了丰硕成果，国产CrMo钢厚钢板及大型厚壁锻件、镍基合金NS1402、双相钢、9%Ni低温钢等石化装备用重要材料相继开发成功并应用于工程项目。综合来看，我国压力容器用材料的综合技术水平已达到世界先进水平，这主要体现在以下几方面：

1）较低的P、S含量和较高的纯净度

压力容器用材料通常都要求较低的P、S含量和较高的纯净度，现在国内大部分钢厂都具有炉外精炼和真空脱气工艺，部分钢厂还具备电渣重熔工艺，可以通过采用不同组合的冶炼方式满足不同性能的钢板和锻件的生产，而且通过电磁搅拌、轻压下量和钢水浇筑过程中的全程氩气保护等工艺措施，实际S含量可达到0.001%（wt%，下同），P含量可达到0.005%以下，夹杂物含量可控制到较低水平，钢板的头尾、长度、宽度和厚度方向的成分和性能相差不大，目前，石化装备实际供货的高端铬钼钢和低温镍合金钢P、S含量的实际水平为：P≤0.005%，S≤0.003%。

2）良好的综合力学性能和满足用户的特殊附加要求

石化装备用钢普遍技术要求较高，对某些工艺场合，设计单位提出材料和制造的附加要求，如增加材料的模拟焊后热处理、提供材料10万小时持久强度数据等，这些附加要求不但要求钢厂从材料的冶炼、轧制、热处理等各道工艺程序严格控制，而且要保证材料具有良好的综合力学性能，才能提供具有既能满足标准规定的交货态性能，又能达到模拟条件下用户规定的各项力学性能，对比同时期进口的国外同类材料，国内钢厂生产的这类材料已达到世界钢铁行业的先进水平。

3）适应于低温到高温材料性能的要求

近十年来，随着国家清洁能源政策的实施，国内液化气体特别是液化天然气（LNG）的低温储存技术得到了快速发展，带动国内钢厂在系列低温钢生产技术的进步，现在，0.5%Ni、3.5%Ni、5%Ni、7%Ni、9%Ni镍系低温钢和400型高锰钢均已纳标，部分产品质量水平达到国际领先水平，满足了我国大型低温储罐工程建设的需要。

石化装备用加氢反应器长期在400℃以上操作，对材料的高温性能和长时间持久性能有严格要求，加氢反应器用材料的生产和设备制造代表了一个国家制造业的先进技术水平。截止目前，我国钢厂已经形成了厚度200mm级以下的2.25Cr-1Mo、1.25Cr-0.5Mo材料的实际生产能力、实现了铬钼钢特厚钢板的国产化，也可提供最大外径达6800-7500mm、最大单重约250吨，壁厚400mm以下2.25Cr-1Mo-0.25V锻件的生产能力，在加氢反应器用材料生产、制造、检验和工程应用方面走在了世界前列。

4）满足石化用钢品种和规格的多样性需求

石化能源用钢的品种繁多、规格多样，板材、锻件和管材（接管、换热管和管道）均需配套才能满足工程设计的使用，近20年来，不仅是用于压力容器、大型常压低温和常温储存的钢板标准、品种、性能得到了快速发展，配套的锻件和管材以及爆炸和轧制复合板的标准也进行更新，碳钢、低合金钢和不锈钢锻件牌号达到58个，2021年发布了换热管专用标准NB/T47019，涵盖六种类型钢种，共计89个钢牌号，2023年发布了GB/T 5310和GB/T 13296管材标准，这些标准的更新证明了我国压力容器用钢配套齐全，可满足石化能源用钢升级换代的需求。另外，我国在长输管线钢研究和应用方面也取得了较好的成绩，采用微合金化和控制轧制技术生产的X60、X65、X70、X80等系列管线钢在我国得到了广泛的应用，特别是国产X80管线钢在西气东输二线工程干线中应用。

5）材料的应用范围具有更广界限

石化装备用钢由于承受高温、高压和腐蚀介质的操作工况，需要根据使用环境针对材料在应用过程中的高温性能、持久性能、低温脆断和耐蚀性能等进行全面研究，确保装备在使用过程中的安全性。近年来国内钢厂在这些方面持续不断地进行试验研究，如2.25Cr-1Mo-0.25V锻件及厚板在454℃下高温持久强度试验时间已经超过3万小时，同时也在研究该类型材料的回火脆化和氢脆的关系；Q345R钢板板厚、热处理状态与最低使用温度的关系曲线；超级奥氏体不锈钢在氯离子环境下的临界开裂温度和浓度；9%Ni钢中逆转奥氏体与低温韧性的关系；国产钢板和焊接材料的相互配套技术等。这些工作的开展一方面体现了钢厂对石化能源用钢基础研究方面的重视，也对用户在使用过程中比较准确预判材料可能发生的问题采取相应的措施，同时可比较准确地给出材料更加宽泛的应用范围和使用条件。

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石油石化用钢未来展望

2.1 石化装备发展对材料的新要求

石化行业现在正经历转型期，一方面未来石化行业将向规模化、集成化、数字化以及环境友好型方向发展，另一方面，国家“3060”减碳降碳的要求促使我国的能源产业政策向绿色能源行业转型，为此，研发新一代“绿色能源材料”应考虑纳入钢铁行业的日程，绿色能源材料特点主要体现在材料的高纯洁性、良好的耐蚀性、优良的焊接性、长周期服役的安全性。从目前发展态势来看，绿色能源主要包括氢能及相关产业、CCUS、LNG和液氨的综合利用等，传统的石化行业也正在逐步向清洁能源行业过渡，规模化绿氢替代炼厂的煤制氢和天然气制氢，天然气制氢气通过纯化为加氢站供氢，采用电加热取代炼厂的燃气燃油加热炉等绿色工艺技术逐步替代传统的工艺技术，这些绿色工艺技术与传统的炼厂工艺对材料的要求有较大区别。

2.2 石化装备用材料未来需求的总体考虑

目前，国内压力容器用钢标准所涵盖的材料质量水平、品种和规格可以满足石化装备用材料的需求。但从未来5-10年我国石油化工行业劣质原油的加工、新工艺和新技术的应用，以及绿色炼厂的转型和新能源行业的快速发展来看，还需要进一步提升目前压力容器用材产品的质量水平，对一些在使用中出现问题的材料进行升级换代，尽快开展在超高温、超低温和超高压极端服役条件下可以工程应用的新材料研发，拓展高等级材料（如镍基合金）的新品种，在提强度、减壁厚、保性能等方面开发新一代石化装备用材，这主要体现在以下几个方面。

2.2.1产品质量提升

1）高强度、较好的焊接性能、强度与韧性良好匹配；

2）高纯净度的材料（较低的As、Sn、Sb等杂质元素）；

3）高清洁度的材料（较低的P、S、H、O、N等）；

4）钢板头尾成分和性能均匀一致；

5）钢板表面质量良好。

2.2.2新材料开发

1）使用温度在350-550℃的正火（允许快速冷却）+回火的低合金钢，适应未来石油石化和煤化工劣质原油加工和煤化工装备用材；

2）使用温度在500-800℃的镍基合金材料，适应未来石化行业超高温条件下的石化装备用材；

3）使用温度为100℃～-269℃、中低压或高压操作条件下的高合金钢材料，适应未来低温、超低温等环境下装备用材料；

4）与现在的奥氏体不锈钢相比，强度性能提高2-3倍的高强奥氏体不锈钢，适应于目前炼厂高压装备和管道用材料，降低壁厚，减少现场焊接工作量；

5）用于电加热或能量转换的功能性材料，适应于未来炼厂由燃料型向绿色电力型和环境友好型转换。

2.2.3材料升级换代

1）从材料角度研究解决目前加氢高压设备采用的铬钼钢在长期使用中出现的回火脆性、氢脆、氢腐蚀等问题；

2）从材料角度解决奥氏体不锈钢的晶间腐蚀破坏、氯离子应力损伤问题；

3）低成本耐蚀（高硫、高酸）超级奥氏体、双相钢、铁素体不锈钢等应用于石化行业；

4）品种齐全的碳钢、低合金钢材料的应用（如调质钢、TMCP工艺生产的材料）；

5） 高强度、可替代镍基低温材料的Ni-Mn-N系列低温用钢。

2.2.4高等级镍基合金材料

1）可耐各种严重腐蚀环境、牌号齐全的镍基合金材料的开发；

2） 可替代进口的高端铬钼钢、镍基合金、低温材料用国产焊接材料的开发和应用。

2.2.5其他材料

1）低成本、用于低温或高温条件下恒膨胀或低膨胀系数的新材料；

2）钢和非金属材料的复合材料。

为此，我国钢铁行业应加大材料的基础研究力度，开展适应石化装备应用场景的新材料。而且，我国石化装备行业要走出国门，在国际舞台上与世界先进水平装备制造业同台竞争，融入“一带一路”的国家发展政策，更需要石化先进材料的技术支撑。

2.3 石油化工行业装备用材料发展展望

2.3.1新一代可用于炼油加氢、煤化工领域的Cr-Mo钢（高压、操作温度大于550℃）

目前，大型炼油加氢装置的加氢反应器设备直径最大为5800mm，设备壁厚最大达到350mm，采用2.25Cr-1Mo-0.25V材料制造。国内最重的加氢反应器已达到3000吨左右，设备重型化为材料的冶炼、锻造、加工和设备制造与运输、安装等带来一系列的技术难题。为此更高强度级别、良好强度与韧性匹配、较好焊接性能的高端铬钼钢应列入材料研发计划，具体要求包括：

1）强度级别为720-850MPa；

2）无回火脆性及氢脆损伤；

3）设备壁厚及重量降低20%-30%；

4）低温-30 ℃冲击吸收能量大于200 J。

2.3.2新一代采用TMCP工艺生产的、用于大型中低压设备和管道的通用型高强度低合金钢

装置大型化带来大型塔器直径可达到8000mm以上，管线直径超过4000mm，设备壁厚100mm以上，单台塔器重量300-1000吨，材料和制造成本成倍提高，管线现场制作（焊接、热处理、检验等）难度加大。新一代TMCP生产的、可用于大型中低压设备和管道的通用型、高强度低合金钢在压力容器和压力管道方面的市场前景广阔，具体要求为：

1）通用型屈服强度级别为390-420MPa容器用正火钢；

2）中高强度为大于490MPa容器用TMCP容器用钢；

3）强度为690MPa容器用调质钢。

在这方面，ASME、欧盟等国外标准已将上述材料纳入到标准中，GB/T 713已把部分钢牌号纳入标准。通过在国内成熟的低合金钢基础上调整和优化材料冶炼工艺，改进和创新热处理工艺，成分的微合金化处理等措施形成我国中、高强度系列的压力容器用钢。

2.3.3采用特殊、新型轧制工艺生产的、能复合各种耐蚀合金（不锈钢、钛、镍基合金、铜等）、可以替代设备内壁堆焊的新一代复合材料

目前国内轧制复合技术日趋成熟，轧制复合钢板的基层厚度为6 -200mm，复层厚度1-20mm，其复合工艺为真空复合、连续轧制，复合钢板的常温结合强度可达到300MPa以上，基层和复层的结合率为100%。在石油化工领域可以部分替代堆焊结构的容器用材。大直径轧制复合管的应用可较好解决我国天然气输送中介质腐蚀问题。在这一方面，轧制复合钢板和复合管有较好的应用前景：

1）采用特殊工艺生产的基材厚度可达到200mm、能够轧制压力容器用各种复层材料的轧制复合板，解决爆炸复合板对环境的影响问题；

2）复层材料可采用各种耐蚀材料，如不锈钢、镍基合金、钛材、铜等合金材料，适应不同的石油化工行业腐蚀环境的材料选择；

3）采用特殊工艺进行轧制复合管的制造，解决天然气开采中使用的碳钢管的腐蚀问题；

4）采用特殊工艺制造的无缝复合管，可用于具有腐蚀介质的大直径天然气输送管线。

2.3.4超级奥氏体不锈钢、低C含N型奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、超级双相钢等不锈钢的开发与应用

随着国内原油加工的劣质化以及含氯原油的掺炼，炼油装置的设备和管线的氯离子腐蚀问题以及盐的结晶腐蚀问题已严重危害装置长周期的安全运行。超级奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、超级双相钢等材料在炼化领域的应用将会提升到更高的层面，这一方面的具体考虑为：

1）超级奥氏体不锈钢具有良好的焊接性能，此外，较好的耐蚀性可以耐海水、氯离子、高硫高酸等苛刻腐蚀环境。强度指标可达到常规奥氏体不锈钢的1.5倍，采用超级奥氏体不锈钢的设备和管道可使壁厚及重量降低30%左右；

2） 近年来，低C、含N型奥氏体不锈钢在国外石化行业大量应用，较低含C量和N的加入降低了奥氏体不锈钢晶间腐蚀倾向，同时N可使其具有常规不锈钢的强度性能，采用这种类型的奥氏体不锈钢也可解决焊接接头性能弱化问题；

3）铁素体不锈钢由于成分控制、热处理、成材率、焊接等技术难点，在石化行业应用较少，但铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢相比，在耐应力腐蚀、氯离子腐蚀等方面具有优势，随着冶炼、热处理技术的不断发展，铁素体不锈钢将会有较好的应用前景；

4）新一代沉淀硬化不锈钢、铸造不锈钢等将会应用在石化装置的压缩机缸体、泵壳、搅拌轴等要求高强度、耐磨部件；

5）近年来，双相钢（如2205、2507）在石化行业的换热器、管线上应用逐渐增多，超级双相钢与奥氏体不锈钢相比，具有更高的强度、较好的耐应力和耐氯离子腐蚀性能；

6） 低合金双相钢（如2102等）具有较低的合金元素（Ni含量3%-7%），同时具有奥氏体不锈钢的耐蚀性能，可代替奥氏体不锈钢应用于石化行业，有效降低工程投资。

2.3.5新一代低温用新材料的研究与应用

近十年来，LPG、LNG和页岩气等已渐次替代煤炭等消费资源，另一方面，煤化工行业的发展在我国方兴未艾，在这些领域，LNG、页岩气的储存与运输，煤化工设备和管线等，对低温材料需求量巨大。GB/T 713.3列入了-40℃～-70℃常用低温低合金钢板4个牌号，GB/T 713.4列入了-100℃～-196℃下使用的 4个镍合金钢板牌号，GB/T 713.5列入了-196℃下使用的高锰钢1个牌号，基本上可以满足低温压力容器和大型低温储存设备的工程应用。但由于大型低温储罐用钢量较大，未来在降低钢材成本，拓宽高锰钢应用范围，开发新一代低成本镍合金钢，解决镍合金钢焊材国产化问题等方面也需要石化行业和钢铁行业共同努力，如：

1） 低成本5.5%Ni低温用钢的研究和技术开发；

2） 800MPa屈服强度的高锰钢技术研发及应用；

3）提高高锰钢板成材率，大幅度降低钢板材料成本；

4）镍系低温钢国产焊接材料开发及应用；

5） 低温材料的使用性能评价研究。

2.3.6品种齐全、适应不同耐蚀环境的镍基合金材料的研究开发与应用

目前石油化工行业使用的国产镍基合金数量较少，85%以上的镍基合金材料需要进口，未来应全面研发石油化工用镍基合金材料，满足加工劣质原油装置和含氯原油加工以及烟气脱硫等装置需要的高合金材料。这些主要包括Inconel625、800、600、601、690、945，哈氏合金C276、C3、C4，蒙乃尔400，合金20等板材，以及大直径厚壁管材和无缝钢管等品种。

2.4氢能用材料未来发展展望

在国内“双碳”政策的驱动下，氢能产业的发展已进入快车道，在氢的“储运”领域，液氢储存、金属储氢、有机液体储氢、高压气体储氢、管线输氢等储氢技术不断加大基础和应用研究力度，争取早日达到规模化工业应用的层面，随着氢能产业链的不断延伸、规模化工业应用、成本因素以及适应各种设计条件的氢“储运输”金属材料将会逐步走向工业化应用，展望未来氢能产业链，新材料的开发与应用应重点着力于以下领域：

1）无氢脆、微合金化、抗拉强度上限为1000MPa可焊接储氢装备用新材料；

2）高纯净度、低氢脆、抗拉强度上限950-1200MPa的Cr-Mo钢储氢无缝气瓶用材料；

3）-269℃下、板厚10-80mm，无马氏体转变的具有良好冲击性能和焊接性能的300系列以及高强度奥氏体不锈钢，用于规模化液氢储存；

4）金属和非金属复合材料用于高压储氢容器，降低重量、节约制造成本；

5）-269℃下大厚度、高强度镍基合金或沉淀硬化不锈钢用于液氢压缩机、膨胀机缸体、泵壳等；

6）低成本、高强度输氢管线钢及管道附件；

7）超低温下恒膨胀或低膨胀系数的合金钢材料用于液氢的隔离部件等。

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结语

石化新材料的研究和应用离不开钢铁行业的支持与协作，随着我国能源行业产品结构调整与升级，达到环境友好型石化炼厂的水平以及炼油装置规模化、油品加工劣质化、安全运行长周期的要求，以及新能源产业的迅速发展，石化装备用材料的需求将会逐步提高。通过系统建立石化用材的标准体系，完善材料的应用评价标准，提升石化材料的质量技术水平，完全可以形成从材料研究与开发、材料生产、装备制造到服役性能评价全产业链，具有世界先进水平的中国“绿色能源材料”。

作者 | 中石化广州工程有限公司首席专家  张国信

来源 | 世界金属导报