复合钢板在防腐中的应用与经济价值探讨

陈冬强

(中石化国际事业宁波有限公司， 浙江 宁波 315040)

石油化工工艺设备一般都在一定温度和压力的工况下使用，碳钢由于资源丰富且价格较为便宜而被广泛应用于石化设备中。随着原油的不断劣质化，尤其是进口高硫原油的加工量不断上升，对石化工艺设备的防腐蚀提出了更高的要求,普通碳钢材料已经无法满足实际需要，设备材料逐步转向不锈钢和镍基合金等高等级材料。由于合金材料稀缺，导致设备成本大幅上升,交货周期延长。复合钢板成本较低，同时具有优异的耐腐蚀性能，能够满足石化工艺设备的防腐蚀要求，具有重大的应用价值和经济价值。

复合钢板是指钢板基材被另外一种材料包覆，两者的结合面金相组织完全熔合形成的一种新的金属材料，兼具基材的力学性能和复材的特殊性能[1-2]。复合钢板按照其生产工艺的不同主要分为焊接复合、轧制复合和爆炸复合三种。目前复合钢板已经广泛应用于油气输送、炼油化工和精细化工等领域，而且可以根据不同的工况选择基材和复层，基材一般为普通碳钢或高强度低合金钢材料，复层材料大多为奥氏体不锈钢，也有少量铁素体不锈钢、镍基合金、铜基合金和钛材等材料。

1 复合钢板的生产工艺

1.1 焊接复合

在石化领域中采用的焊接复合方式主要为堆焊，多用于无法进行规模化生产的设备和部件，如加氢反应器和小型接管等。与其他两种生产方式相比，堆焊生产效率较低,焊接热影响大,且生产成本较高。

1.2 轧制复合

轧制复合分为热轧复合和冷轧复合。由于国外对环保的要求较为严格，因此目前国外钢厂生产的复合钢板基本均为轧制复合板，其成本居中，能够批量生产，不受环境和天气的影响，复层表面质量好，其厚度可以小于等于1 mm。但是轧制复合板的不足之处在于其价格比国产爆炸复合板的价格高30%～40%，而且交货期较长。

1.3 爆炸复合

在石油化工行业内，大部分复合板均通过爆炸复合的方式生产，与前两种生产方式相比，爆炸复合的成本最低，而且交货周期最短，能够满足国内石化项目工期要求，但是也存在生产受天气影响、表面质量容易出现缺陷等不足之处，且复层材料厚度一般不能小于3 mm。

2 复合钢板在防腐领域中的应用

2.1 油气输送领域

在油气输送领域，普遍采用镍基合金等耐蚀合金材质管道。镍基合金材料国产化时间短，产品质量不稳定，交货期长，原材料仍大量依赖进口,因此直接使用高合金材料，不仅造成经济成本显著增加，而且严重影响项目的建设和投产周期。通过使用复合管材，不仅可以降低镍基高合金材料的使用比例，而且可以提升管道的综合性能。目前双金属复合管已经实现了国产化，并在普光气田等酸性气田上广泛使用。

2.2 炼油化工领域

在炼油化工领域，复合钢板已经广泛应用于常减压塔和焦炭塔等石化核心设备，逐步替代原有的碳钢设备。随着使用年限的增加，这些碳钢设备开始出现鼓包和裂纹等局部失效，给设备的日常检维修增加难度，也给安全生产带来了很多隐患。随着单套炼油化工装置的大型化和加工原油的劣质化，这些碳钢设备已经不能满足实际需求，因此需要将其部分或全部升级为复合钢板材料。

2.3 精细化工领域

在制盐和制碱工业中,母液蒸罐和真空制卤的蒸发室等设备已经普遍采用复合钢板替代传统的高合金材料。另外，高压釜、结晶器和储藏槽等精细化工设备也逐步使用复合钢板材质[3]。

3 复合钢板的经济价值

3.1 节约合金资源

据统计，2019年国内进口纯镍高达151.5 kt，而国内镍产量仅为150 kt，即纯镍的消费一半以上依赖进口。在钢铁冶金行业中，镍主要用于生产不锈钢和各种高合金钢。通过使用复合钢板大量替代纯不锈钢或更高等级合金材料，不仅可以节省大量合金资源，而且可以为国家节省大量外汇。

3.2 降低设备制造成本

复合钢板材料兼具基材优异的力学性能和复层耐腐蚀、耐高温、耐磨等特殊性能。与传统的不锈钢材料相比，通过将高强度的碳钢材料作为基层板材可以大大提高板材整体强度。普通304L材料屈服强度不小于205 MPa，316L材料屈服强度不小于170 MPa，而Q345R材料屈服强度大于345 MPa。对于同等设计压力的设备，采用复合钢板替代不锈钢板，其厚度可以减少约1/3，能够显著降低成本。在酸性气田中一般使用镍基合金管，若采用双金属复合管进行替换，其复层厚度仅需约3 mm，可将高合金材料的使用占比降低至1/3以下，大大节省项目投资。Arcelor Mittal公司做过一个成本计算，对于设计压力为3 MPa的压力容器，若采用Incoloy 825镍基合金复合钢板替代纯Incoloy 825镍基合金板材，仅主体板材一项就可以降低成本37%。

3.3 简化设备制造工艺

复合钢板的焊接分为基层材料焊接和复层材料焊接两步，焊接工艺简单，操作方便[4]。大部分高合金材料在焊接时由于熔融金属黏度大、流动性差，且镍和镍的氧化物存在熔点相差较大等特点，导致焊接难度大大增加。采用复合钢板设备替代传统的不锈钢或高合金衬里设备，可以简化设备制造工艺，降低设备制造成本，缩短交货周期。

3.4 降低设备全生命周期使用成本

将普通碳钢设备材质升级为复合钢板，虽然会增加单次投资成本，但是却能显著降低设备全生命周期使用成本，其原因在于：一方面，由于表层复合材料的使用，可以不再考虑设备的腐蚀裕量，设备总体采购成本增加不多；另一方面，通过使用新的基材和复材可以充分降低设备的日常使用及维护成本，消除安全隐患，延长设备使用寿命。国内早期常减压塔和焦炭塔等石化设备主要采用碳钢材质，一般在使用10年左右便会出现裂纹和鼓包等安全隐患，而使用复合钢板后可将设备的稳定使用年限延长至20年以上。随着石油化工行业的竞争不断加剧，原油质量不断劣质化，提升装置运行的稳定性能够为企业创造更大的价值。

3.5 其他经济价值

复合钢板国产化程度高、供应稳定、交货周期短，能够满足现阶段国内石油化工行业的发展需求。

4 复合钢板的发展方向

4.1 生产方式向更加环保型发展

国内石油化工行业普遍采用爆炸复合的方式生产复合钢板，其优点在于生产设备投入成本低、生产灵活、工艺控制简单。国外采用轧制复合的方式生产复合钢板，其原因在于：一方面,国外对环保的要求较为严格;另一方面,轧制复合钢板的质量稳定,复层表面质量好，同时其生产也不会受天气等因素影响。目前国内如宝钢、济钢等企业已经开始批量生产各种规格的轧制复合钢板，复合钢板的生产会逐步向更加环保的生产方式转变。

4.2 产品类型向更加多样化发展

随着技术的进步和应用领域的拓展，复合钢板的种类从普通碳钢不锈钢复合开始，逐步向钛钢复合、铜钢复合、镍钢复合、钛铜复合、铝钢复合等类型发展，并出现了双面复合的方式。为了满足各个领域的需求，复合钢板的复层厚度可以小于等于1 mm。

4.3 应用领域逐步扩展

虽然复合钢板的大规模使用始于石油化工行业，但是随着复合钢板的优异性能逐渐被人们认识，其应用领域也逐步从石油化工扩展到了电力、水利、建筑和公共设施等领域。

5 结束语

在石化防腐蚀领域，复合钢板具有重大的应用价值和经济价值。复合钢板不但结合了基材优异的力学性能和复层耐腐蚀、耐高温及耐磨等特殊性能，还能够节约合金资源，降低设备制造成本，简化设备制造工艺和降低设备全生命周期使用成本。复合钢板的生产方式将向更加环保的方式发展，产品类型向更加多样化发展，应用领域逐步扩展。