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用于尿素工业的特殊不锈钢材料


 尿素生产过程的发展对构造材料及其制造提出了更高的要求,以适应更为苛刻的使用条件。为了防止在使用中所遇到的强烈腐蚀问题,必须使用具有高标准的,不含非金属杂质,成分均匀,可焊性好的特种不锈钢。
    几十年来,Sandvik Material Technology完成了生产过程的多项重大改进,从而进一步提高了供尿素工业使用的不锈钢产品质量,如Sandvik 2RE69等等。而近些年研制开发出的新品种SafurexR双向不锈钢材,可以应用于传统尿素钢所不能使用的地方。

1   高级不锈钢生产中冶金技术的发展

1.1  管材制造

    方坯经过高温处理并热加工成为钢棒以后,再通过热挤压制造成母管。此后再进行皮尔格式冷轧、脱脂、退火和整修。精度要求很高以获得完美的内外表面。
    如果制造很长的管材,则需要一个特殊的生产装置,这个生产装置原先是为制造核电工业用蒸汽发生器管而建造的。在这里可以用2RE69钢材生产甲铵冷凝器用的U形弯管,其长度可达28 m。常规生产程序如下:第一步操作是冷加工,本处则为皮尔格式冷轧,用的是由Sandvik设计的两台双机。皮尔格式冷轧以后,便进行内外除油,然后是目测检查并在光亮退火炉中进行热处理,其中用氢作为保护气体进行操作。最后,将管子矫直。
    上述工序完成之后就进行无损测试、修整,以及取样作破坏性试验。如果要交付U形管,那么按直管进行检验和试验后,按长度分类。接着进行弯曲、涡流检验,将两根管柱切成规定的长度、内部清洗、用塑料塞子封住管的两端,以及按弯曲半径分类。再进一步检查表面、用合适的箱盒包装和交货。

1.2  尿素钢在性能方面的优势

    供尿素工业用的高级不锈钢是按照许可证发出者(在欧洲主要是由Stamicarbon和Snamprogetti等)所制订的各种规范交货的,而Huey试验中的一般性以及选择性腐蚀的极限值用来研究不同冶金因素的影响是很有效的。表1为24炉2RE69(经AOD)的熔炼分析。
    表1说明2RE69具有极佳的成分均匀性,该表表明1981~1985年采用连续铸造和非连续铸造工艺,用AOD方法熔化的2RE69熔炼分析中的元素分布情况。主要合金元素和碳、硫、磷等杂质都在表中列出。

    除了钢的均质性较好和成分组成偏差较少外,连续铸造还大大减少了钢中的非金属杂质。氧化物及硫的含量均有降低。不管这些杂质大小如何,但其数量均降至原先标准水平的1/3和1/5。众所周知,不含非金属杂质对于降低尿素钢中选择性腐蚀是非常重要的。
    2RE69对于冶金方法的微小变化不如3R60那么敏感,即使如此,我们还是可以看出冶金方法与产品特性之间的关系。利用现有的技术,Sandvik Material Technology 获得了非常均匀的质量,从而保证Huey试验数字可以保持在一个恒定的低水平。

图1  2RE69 Huey实验统计

    图1说明连续铸造对于2RE69进行Huey试验数字的有益影响。对于1981~1982年间制造的一系列炉钢进行了腐蚀速率的测定,共有283个值。这个数字包括连续铸造的AOD炉钢的数字。腐蚀数值总是很低,在连续铸造的炉钢中没有发现选择腐蚀。

1.3  用于氨汽提塔的双金属管

    汽提塔采用双金属管的新设计由Snamprogetti公司推出,并应用于其尿素生产工艺。它的外层材质为2RE69,内层为锆合金702。这种双金属管将两个部分通过机械作用复合而成,能确保内层的牢固定位和管壁的良好导热性能。
    过去采用的钛合金管在非常恶劣的工作环境中一般表现较好。然而,其内管壁可能出现的局部侵蚀会导致汽提塔的提前报废。在此类工作环境中锆合金的抗腐蚀和冲刷腐蚀性能均优于钛合金。因此,抗蚀内管只需较薄的一层即可,因为 2RE69的外管能提供足够的强度。由于管板堆焊时采用2RE69型焊材(B25.22.2.LMn),管对管板的焊接也可选用2RE69型焊材(W25.22.2.LMn或E25.22.2.LMn)。
    以上设计能够节约资金,因为与2RE69相比,钛合金的加工复杂且成本很高。新设计既可提高抗腐蚀/侵蚀性能,又能节省制造费用。另外双金属管较钛合金管壁薄,外径减小,新型汽提塔结构因而更为紧凑。

1.4  Sandvik Safurex

    山特维克与Stamicarbon合作开发了新合金材料Safurex,用于Stamicarbon的尿素设备。与2RE69相比,其主要优势是在较低含氧条件下也可钝化。减少含氧量有很多好处,如在低氧条件下,可省去高压洗涤器,这将会减少总体成本。注入氧气量减少,系统中所含惰性气体较少,这有助于改善生产能力。原则上,减少氧含量,则与甲铵接触的所有材料都需要是Safurex材质。到目前为止,在所有高压设备中已有全部用Safurex材质的。许多工厂用Safurex制成的设备已运转若干年,运行结果良好,且确认Safurex不同形式的产品其抗腐蚀能力均为优良,包括焊接区和热影响区。
    如果汽锅中的水不小心被氯污染,Stamicarbon旧式的用垂直管制成的高压甲铵冷凝器将产生应力腐蚀。316L尿素级和2RE69都可抵御该腐蚀。新的Safurex抵御该腐蚀的性能更优,并且在常规服役条件下,SCC被消除。Safurex完全替代316L尿素级的第一台高压甲铵冷凝器自1999年8月,在波兰的Zaklady Chemiczne“Police”Sa投用,一直运转至今。运行一年后,对冷凝器进行检查,发现其性能优越。此后,另外又有四台冷凝器已被安装或正在制造。冷凝器、汽提塔、洗尘器、管道和合成器盘等主要设备均已用Safurex生产。所有这些都说明使用Safurex已生产了大量设备,并且基于各种设备的制造积累了丰富的服务经验。

2   尿素装置中的焊接

2.1  堆焊

    在汽提塔或尿素设备的冷凝器中,管板防腐蚀性能良好也是必要的。出于对强度和费用的考虑,常常用碳钢管板进行堆焊来获得上述效果。端面也同样需要堆焊或用适当的不锈钢材料来衬里。
    最常见的堆焊方式有用焊带进行电渣堆焊(ESW)或埋弧堆焊(SAW)。获得国际认可的2RE69类型的熔敷层。无论是电渣焊还是埋弧焊均可使用山特维克B25.22.2.LMn牌号的焊带,规格60×0.50mm,一般要焊2~3层。这两种焊接方法的焊剂都是基本型的,以使熔敷层的抗腐蚀性能达到最佳。反应器的壳层可用改良型316L板做内衬,但其抗腐蚀性能要好,才能适应恶劣的工作环境。如果工作环境随着温度和压力的上升对材料要求更高时,采用2RE69板材做衬里或用山特维克B25.22.2.LMn焊材堆焊会更有利。

2.2  管对管板焊接

    管对管板焊接的最常见方法有手工或机械TIG焊(钨极惰性气体保护焊)和手工金属弧焊。2RE69管材必须与用25Cr/22Ni/2MoN堆焊的管板进行焊接,焊材应使用山特维克W25.22.2.LMn的TIG焊法或山特维克药皮焊条,牌号E25.22.2.LMnB。

2.3  焊缝修复

    许多旧式容器都曾用316L尿素级材料做内衬,投入使用多年后必须对其进行焊缝修复或替换部分衬里。焊接多在原处操作,所以最广泛使用的焊法是手工焊。针对316L尿素级或2RE69型材料的内衬,我们推荐山特维克E25.22.2.LMnB牌号的药皮焊条。这种基本型焊条适用于各种位置的焊接。由于合金含量较高,它还适合用来焊接母材和其内衬。

3   优质不锈钢应用于尿素工业的成功经验

    自1972年起,山特维克钢材公司向世界各地为数甚巨的汽提塔、分解器和冷凝器的制造提供了2RE69的管材。Stamicarbon和Snamprogetti 公司都指定将用它制造冷凝器。
    众所周知,尿素设备的工作条件是相当恶劣的。只有正确地选择材料并恰当地控制工艺才能够取得较长的工作寿命。70年代早期,首次完整的设备安装就是采用了2RE69。约二十年后的今天,2RE69在休伊试验中的低腐蚀速率与实际工作寿命都是首屈一指的。有些设备甚至令人不可思议地运行了二十多年。2RE69从熔炼到出成品管的整个生产过程都在严密控制之下,这已被证明是其优良品质和长久工作寿命的根本原因。

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