铌元素在制氢管线中的强化应用

邓建勇 李 聪 任峻冬

（中国石油大港石化公司 天津）

一、失效形式与强化类型

转化炉管长期处于高温下工作（750～900℃），最主要的失效形式为高温下的蠕变。而中变气管线在常温及中温环境下工作（150～260℃），主要失效形式为开裂。针对这两种失效形式，Nb元素的加入主要体现了在铬-镍奥氏体不锈钢中的弥散强化和细晶强化2种作用。

二、NbC的产生与作用

Nb元素对不锈钢的强化基本原理来自于它在金属中对C元素的强大的亲和作用。不锈钢中的裂纹失效主要是Cr元素与C结合，形成了Cr23C6这种碳化析出物，致使不锈钢晶界部分局部出现贫铬现象，与母材金属产生了电位差，最终导致腐蚀失效。如将各种元素按与碳的亲和力大小排列，顺序为Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn。由此可见Nb元素对C的亲和作用位于Cr前面，它的加入能起到了一定的“丢铌保铬”作用。由于Cr23C6的形成主要在650℃左右，而NbC的形成主要在920℃左右，所以在加入铌元素时，还要配以920℃以上的稳定化热处理，将Cr23C6全部转化为性质相对更加稳定的NbC方能起到“保铬”作用。

加入Nb元素并稳定化热处理后的不锈钢在热加工时，即使局部热影响区达到Cr23C6的形成温度，Nb（C、N）的稳定性也能有效减免Cr23C6的析出，并可大幅减少奥氏体中固溶碳的浓度，从而保证了不锈钢热加工之后也不失去原有的强化性能。

中变气管线工作温度虽然在150～260℃，但是TP304材料管线焊接过程中局部温度可达1000℃以上，晶间析铬在所难免，将原有TP304不锈钢材料升级为TP347并热处理后，能有效避免出现焊道热影响区的裂纹失效。

三、细晶强化机理及应用

稳定碳化物NbC的存在是Nb元素对不锈钢细晶强化的关键。通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化。细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。细化晶粒的方法有多种，比如加入更多的成核微粒，提供更多的形成晶粒的场所，从而细化晶粒；提高过冷度也是方法之一，机械震荡或者电磁振荡也能抑制晶粒长大，从而细化晶粒，再一种就是类似Nb（C、N）的存在，可以起到钉扎晶界的作用，抑制晶粒长大，实现晶粒的细化。

四、弥散强化机理及应用

所谓弥散强化，就是使金属基体（金属或固溶体）中含有高度分散的第二相质点而达到提高强度的目的。弥散强化机构的代表理论是位错理论。在弥散强化材料中，弥散相是位错线运动的障碍，位错线需要较大的应力才能克服障碍向前移动，所以弥散强化材料的强度高。

第二相粒子可以有效地阻碍位错运动。第二相粒子越细小，粒子越弥散，其间距越小，则强化效果越好。合金元素的作用主要是为造成均匀弥散分布的第二相粒子提供必要的成分条件。例如，在高温回火条件下，要使碳化物呈细小均匀弥散分布，并防止其聚集长大，需要往钢中加入碳化物形成元素Ti、V、Zr、Nb、Mo、W 等元素。Nb（C，N）是典型的金属碳化物沉淀相，它的晶格拥有稳定的立方结构。无论是马氏体，还是奥氏体耐热不锈钢，Nb（C，N），Cr23C6，等的碳化物对于沉淀强化是必需的。随着在工作温度下析出沉淀相Cr23C6，在蠕变过程中起钉扎位错阻止滑移的作用，但易导致出现贫铬，加入Nb后，高温析出Nb（C，N）能更好的保护管材，同时提高抗蠕变性。

不锈钢中加入钛和铌，在一定条件下弥散析出Fe2Ti和Fe3Nb2金属间化合物，钢的高温强度也会有所提高。

转化炉管要承受高温和内部压力并存的工作状态，还要经历开停工的温度和压力变化等各种运行状态，蠕变失效在所难免，Cr25Ni35Nb-Ti材料中的Nb和Ti可以有效地延长炉管使用寿命，降低蠕变的可能性与风险性。

五、结语

铌元素作为合金成分添加到不锈钢中能有效地改善钢材的机械性能，提高钢管的常温抗裂变性与高温的抗蠕变性。而在不同的工作环境下，为钢材选择适当的添加元素能切实地保证装置的安全平稳生产。