不銹鋼在壓力容器中的應用及焊接技術

通過(guo)對我國20世紀尿素不銹鋼(gang)的焊接、腐蝕性能(neng)的研究及(ji)大型尿素設(she)(she)備(bei)(bei)、雙相(xiang)鋼(gang)設(she)(she)備(bei)(bei)和高級不銹鋼(gang)設(she)(she)備(bei)(bei)及(ji)管(guan)道的制造與焊接技術的回顧,介紹不銹(xiu)鋼在一些(xie)典型(xing)壓力容器中的(de)(de)應用并展望其擴大應用的(de)(de)前景。

不銹鋼是20世紀世界冶金史的(de)重大發明(ming),也是20世(shi)紀(ji)唯(wei)一產(chan)(chan)量和需求持(chi)續(xu)增(zeng)長(chang)的金(jin)屬材料(liao)。在鋼(gang)鐵產(chan)(chan)量停滯不前的狀況下,近10多(duo)年(nian),世界(jie)不銹鋼的需求仍(reng)以4%～5%的速率增長。在不銹鋼中,鉻鎳不銹鋼以其優良的耐(nai)蝕性、低(di)溫韌性及高溫抗氧化性和耐(nai)磨性,最廣(guang)泛的應(ying)用(yong)于石化、能源、冶金等各種領域。

1尿素高壓設備(bei)不銹鋼(gang)的腐蝕及焊接(jie)

1 1 1不銹鋼及其焊接接頭(tou)耐尿素腐蝕性能的研究

尿(niao)素作為高效氮肥(fei)是我國大型化肥(fei)生產(chan)發展的重點產(chan)品。但CO 2和NH 3合成尿素過程的(de)中(zhong)間產(chan)物(氨基甲銨、氰氧(yang)銨等)具有很強的腐蝕性。為解(jie)決設(she)備用材,國際上幾乎花了半個(ge)世(shi)紀,直到(dao)1953年(nian)荷蘭STamiCarbon公司提出在(zai)CO 2中(zhong)通(tong)氧氣以(yi)形成鈍化膜,從而使18-12Mo能用于尿素設(she)備。但隨著設(she)備大型化,介質溫度和壓力的提高,對(dui)鋼材(cai)及(ji)焊接接頭(tou)的耐蝕性要求更加(jia)苛刻。

20世紀60年代末,合肥(fei)通用(yong)(yong)機(ji)械研(yan)究所就(jiu)開始了“尿素用(yong)(yong)鋼耐腐蝕(shi)性(xing)能(neng)的研(yan)究”。20世紀70年代和(he)20世紀80年(nian)代初,分別與蘭(lan)石廠和瀘天化等(deng)單位(wei)對尿(niao)素合(he)成塔不銹鋼襯里和內件的腐(fu)蝕跟蹤檢查的同(tong)時,進行多次掛片試(shi)驗(yan)。此外(wai),采用10種不(bu)銹(xiu)鋼焊條制成的接(jie)頭試樣以及堆(dui)焊的全熔質焊縫試樣(部分試樣進行了九種規(gui)范的焊后熱處理(li))分別置于瀘(lu)天化48萬t/aCO 2汽(qi)提法的尿(niao)素合成塔頂(ding)部的液相(xiang)和16萬t/a水溶液(ye)(ye)全循(xun)環(huan)法的(de)(de)(de)第(di)二反應器的(de)(de)(de)液(ye)(ye)相中。采用大量的(de)(de)(de)多組平行試樣在高溫、高壓甲銨尿液(ye)(ye)中經三年(nian)左(zuo)右的(de)(de)(de)掛片,其(qi)腐蝕情況(kuang)和規律(lv)基本一致,綜(zong)合有(you)關資料(liao)的試(shi)驗結(jie)果表明:

(1)不銹鋼焊縫出現三種類(lei)型的腐蝕:均勻腐蝕(shi)(shi)、晶(jing)間腐蝕(shi)(shi)和鐵(tie)素體選擇性腐蝕(shi)(shi)。其中晶(jing)間腐蝕(shi)(shi)和鐵(tie)素體選擇性腐蝕(shi)(shi)產生(sheng)的主要原因與(yu)Cr 23 C 6析出造成的貧鉻有關。

(2)用西德的Thermanit 19/15H焊(han)條(20世紀70年代引進的(de)尿素裝(zhuang)置(zhi)中,多數高壓設(she)備用(yong)此焊條(tiao))施焊的(de)試樣耐(nai)均勻腐蝕性能尚(shang)可,但焊縫上有熱裂(lie)紋(wen);有較輕的(de)晶間腐蝕;熔(rong)合區的鐵素體(ti)帶上有選擇性腐蝕。

(3)采用(yong)與316L母材相同成分的(de)焊材(例如316ELC等(deng))堆焊(han)的試(shi)樣經硝(xiao)法檢驗(yan)出(chu)現嚴(yan)重的選擇性(xing)腐蝕,掛片試驗(yan)焊道間局部(bu)腐蝕嚴重。而采(cai)用(yong)含Cr、Ni量較高的310Mo-L就具有較好的(de)耐蝕性。

(4)我國仿制的3RS61(配瑞典3RE60鋼的焊條)焊縫屬超低(di)碳雙(shuang)相組織。其鐵素體含量雖多,但未(wei)發現選(xuan)擇性腐蝕。由此推測:選擇性(xing)腐蝕主(zhu)要發生在(zai)以奧氏(shi)體(ti)為基體(ti),只含少(shao)量鐵素體的焊縫中(zhong)。

(5)我國A502焊條,雖Ni、Mo含量高(Cr16Ni25Mo6),但因含(han)碳(tan)量高(C≤0 1 12%),堆焊(han)金屬耐均勻腐蝕(特別是抗晶間腐蝕)性(xing)能差;而超(chao)低碳的Cr25Ni22Mo2型(荷蘭Jungo 4465和(he)我國00Cr25Ni22Mn4Mo2N)焊材(cai)的耐蝕性能優(you)良,其均(jun)勻腐蝕(shi)率(lv)僅為0 1 012～0 1 017mm/a,所有試樣均未發現晶間(jian)腐蝕和鐵(tie)素體選擇性腐蝕。

上(shang)述結論對我國隨后的尿素設備的制造和焊接修(xiu)復起到指導作用。20世紀80年(nian)代中期我國大型尿(niao)素設備國產化(hua)已采(cai)用(yong)尿(niao)素級不銹鋼,其配套焊材選用310Mo-L和25-22-2型(xing)。不(bu)銹鋼(gang)的焊接技術也日(ri)益成熟,以致(zhi)建造高難度的尿素不(bu)銹鋼(gang)四大關(guan)鍵設(she)備(合成塔、汽(qi)提塔、高壓(ya)冷凝器(qi)和高壓(ya)洗滌器(qi))均實現了(le)建(jian)造(zao)國產化(hua)。

1 1 2尿素級不銹鋼高(gao)壓設備的(de)焊接技術

尿素級(ji)不銹(xiu)鋼(gang)比普通不銹(xiu)鋼(gang)的(de)耐尿素腐蝕性更(geng)好,其(qi)成分控制、金相組織等要求比較嚴(yan)格。以316L和(he)25-22-2為例,其區別為:

(1)尿素級不(bu)銹鋼的Cr、Ni、Mo的下限提(ti)高(普通級的下限Cr為(wei)16%、Ni為10%、Mo為2%;尿素級的Cr≥17%、Ni≥13%、Mo≥2 1 2%;25-22-2級的Cr為24 1 5%～25 1 5%、Ni為21 1 5%～22 1 5%、Mo為1 1 9%～2 13%)且允許加入低于0 1 2%N;

(2)尿素(su)級的(de)金相組(zu)織不允許出現有害的(de)碳(tan)化物及σ相,且鐵素體含量≤0 1 6%;

(3)尿素級的經硝法(休氏)晶間腐蝕檢驗,五個周期平均腐蝕速(su)率(lv):316L的(de)應≤3 1 3μm/48h(01 6mm/a);25-22-2型的應≤1 1 5μm/48h;

(4)尿素級的經選擇性腐蝕檢驗,最大腐蝕深度:垂直于鋼(gang)材軋(ya)向(xiang)的應≤70μm;平(ping)行(xing)于(yu)鋼材(cai)軋(ya)向(xiang)的應≤200μm。

上(shang)述要求也(ye)適用(yong)于焊縫金(jin)屬,有(you)些設備制造技術條件對(dui)接頭的要(yao)求比母(mu)材更(geng)嚴(yan)。以20世紀80年代中期新建(jian)的52萬t/a尿素裝置CO 2汽提塔(鋼管2800根,材質為25-22-2LMn)

和(he)20世紀90年代底建造的(de)高壓(ya)洗滌器為例,其結(jie)構復雜、材料和工(gong)藝多樣化(hua)、設備的制造難度極(ji)大,其焊接關鍵技術有:

(1)球形封頭內(nei)壁(bi)、管板耐腐(fu)蝕層帶極埋弧堆(dui)焊。

球形封頭(tou)基層一般為C-Mn鋼板(19Mn6等),管板為20MnMo鍛件,其上(shang)均需堆焊兩層25-22-2LMn(或310Mo-L)。堆焊時過(guo)渡層與面層的(de)焊接(jie)方(fang)向、焊道排列應一致(過渡層焊道(dao)若是同(tong)心圓,面層也應(ying)為同(tong)心圓)。過(guo)渡層(ceng)與面層(ceng)的熔合線要錯開,焊(han)道間搭接需均勻(yun),堆焊層總(zong)厚度≥8mm。

帶極堆焊的熔池大(da),應嚴格控制焊(han)接線能量(liang)和焊(han)劑堆高,以(yi)保證(zheng)焊道表面平整、光滑。過渡層(ceng)堆(dui)焊前,基層需(xu)預熱120～150℃,焊后立(li)即(ji)進(jin)行消(xiao)除應力(SR)熱處理,以防基層開裂(lie),而(er)面層(ceng)堆焊后為保其耐蝕性不需再作SR處理。

堆(dui)焊金屬(shu)休氏試驗、選(xuan)擇性腐(fu)蝕及鐵素體含(han)量限(xian)制(zhi)與尿素級母材的要(yao)求基本相同,但堆焊金屬沿任何(he)方(fang)向(xiang)的(de)選擇性腐蝕深度≤100μm,這比母材(軋向≤200μm)嚴格。

(2)不(bu)銹(xiu)鋼襯里和(he)內件的焊接

襯里和(he)內件的材質(zhi)為(wei)尿素級316L,一般要求(qiu)全焊透(tou),應(ying)盡量(liang)采(cai)用雙面焊(焊材為310Mo-L)或背(bei)面有氬氣(qi)保護(hu)單面焊(han)(han)雙面成形的氬弧(hu)焊(han)(han)。施焊(han)(han)時不要在(zai)坡(po)口外引弧(hu);不(bu)允許(xu)用(yong)碳(tan)弧氣刨(bao),砂輪打磨(mo)時不能局部過熱發紅(hong);襯里時(shi)不允許用鋼(gang)錘(chui)或銅錘(chui)敲打。

(3)圓(yuan)弧過渡區的不銹鋼手(shou)工堆焊

管(guan)板或球形封頭(tou)與管(guan)箱之(zhi)間、人孔凸緣與封頭(tou)殼體之(zhi)間等圓弧段需采(cai)用手工堆焊,首層用(yong)P5焊條,2～4層用(yong)310Mo-L焊(han)條。逐層堆焊(han)時焊(han)道間搭接(jie)50%以上,每焊完(wan)一層要砂輪清(qing)理表面(mian)并測(ce)定鐵素體(ti)含(han)量。手工堆焊的各(ge)項檢驗要求與(yu)帶極埋弧焊相同。

(4)不(bu)銹鋼管子—管板的(de)鎢極氬弧焊數千(qian)根材質(zhi)為(wei)25-22-2LMn、31×3mm或25×2 1 5mm的(de)(de)管(guan)子與有堆焊(han)層(ceng)管(guan)板(ban)的(de)(de)焊(han)接質量是保證設備長(chang)周期運行最關鍵的(de)(de)工(gong)序。其要求有:

1)焊(han)工必(bi)須熟練掌握氬弧焊(han)的操作(zuo)要領。

2)采用25-22-2LMn的焊絲,管板垂直放置(zhi),管子內(nei)壁要充氬保護,一方面使內壁不變黑,另一方面保證管子的HAZ不析出網狀(zhuang)碳化物(wu)。每個接頭(tou)焊(han)兩層(每圈分三段,每段約120℃),焊速為中(zhong)等(太快易未熔合(he);太慢易燒(shao)穿)。

3)首層焊完作(zuo)100%PT檢測和氣密(mi)性試驗,焊完(wan)第二層后作(zuo)外觀和100%PT檢測。為減(jian)少(shao)應力(li)腐蝕(shi),某些工程標(biao)準要求強度焊,連輕微的脹(zhang)接都不允許。管(guan)頭內(nei)壁不允許焊塌、燒穿(chuan),熔深要均(jun)勻且不(bu)得超(chao)過管壁的2/3,焊(han)趾不允許有咬邊(bian)和(he)未(wei)熔合。

4)焊接(jie)接(jie)頭經休氏試驗五(wu)個周期(qi)平均腐蝕(shi)率≤1 1 5μm/48h;選擇性(xing)腐蝕(shi)在(zai)任(ren)意方向上的深度(du)≤100μm;鐵素體含(han)量≤0 1 6%。

2雙相不銹鋼在(zai)壓力容器中的應用及焊接

2 1 1雙相不(bu)銹(xiu)鋼(gang)的應用

雙相(xiang)不銹鋼在室溫下固溶體中奧(ao)氏體和鐵素(su)體約各占半且兼有(you)兩相(xiang)組織(zhi)特征。它保留了鐵素(su)體不銹鋼導熱系數大、線膨脹系數小、耐點(dian)蝕,縫蝕及氯化(hua)物應力腐(fu)蝕性能(neng)的特點(dian)(當然(ran)也(ye)存(cun)在475℃和σ相等析出的脆性及加工硬化傾向大的缺(que)點);又(you)具備奧氏體鋼韌性(xing)(xing)(xing)好、脆性(xing)(xing)(xing)轉變溫度較低、抗晶間腐蝕(shi)、力學性(xing)(xing)(xing)能和焊接(jie)性(xing)(xing)(xing)能好的優點(dian)。

目前雙(shuang)相不銹鋼的(de)產(chan)量不高(約占世(shi)界不銹(xiu)鋼產量的1%),但其增長率很快,自(zi)1990年起,每(mei)年以(yi)17%的速率(lv)遞增(zeng)。歐(ou)洲生產和應用(yong)的較(jiao)普(pu)遍,日本也在生產。椐(ju)2000年的統(tong)計,國(guo)外雙相鋼(gang)的應(ying)用集中在三大領域(海上(shang)和(he)陸地(di)油(you)氣、化工壓(ya)力容器、紙(zhi)漿和(he)造紙(zhi)等),北歐紙漿和造紙廠的壓(ya)力容器幾(ji)乎都用雙相鋼(芬蘭(lan)制造的最大蒸煮鍋容(rong)積(ji)為(wei)400mm 3;近年(nian)來,海(hai)上化學(xue)品運(yun)輸船(chuan)發(fa)展迅速,成(cheng)為雙(shuang)相鋼的最大用戶(hu)(占熱軋(ya)板的(de)50%)。

20世紀(ji)90年代開(kai)始雙相鋼(gang)在建筑領域得到(dao)推廣應用(yong),如香港會展中心的(de)雙相(xiang)不銹鋼屋頂;美國新澤西洲的過(guo)街天(tian)橋(qiao)采用雙相(xiang)鋼筋混(hun)凝(ning)土結構;西班(ban)牙(ya)和英(ying)國(guo)采用雙(shuang)相建造全不銹鋼橋(確定(ding)壽命為125年)。

我國20世紀70年代(dai)開始發展雙(shuang)相(xiang)不銹鋼(gang),現有(you)5個(ge)鋼號,產量都不大,其(qi)中(zhong)Cr18型(雖然(ran)國外己趨于淘汰)納入GB4237—92《不銹鋼(gang)熱軋鋼(gang)板》。冶金部門擬將(jiang)Cr22、Cr25型納入正在修(xiu)訂的國標。

(1)Cr18型(xing)的雙相不銹鋼(gang)

瑞典的3RE60屬Cr18類的(de)鋼(gang)(gang)(gang)是(shi)第一代雙(shuang)相鋼(gang)(gang)(gang)的(de)代表鋼(gang)(gang)(gang)種(我國20世紀(ji)70年代(dai)初,在此鋼基礎上添加0 1 06%～0 1 10%N,研制出00Cr18Ni5Mo3Si2N),它在氯(lv)化(hua)物中抗孔蝕與317L相當,耐腐蝕(shi)疲(pi)勞優于316L。合肥(fei)通用所首(shou)先將其用于中小型氮肥(fei)廠(chang)的甲銨泵的泵體,1993年5月(yue)用于上海“三聯(lian)供(gong)”城市煤氣工程中與腐蝕介質(zhi)接觸的8臺(tai)水(shui)洗(xi)塔、洗(xi)滌器等設備。其(qi)中:洗滌器(qi)(設(she)計壓力:0 1 15MPa,設計溫度:250℃)采用這類鋼的復合鋼板作殼體;單臺設備凈重(zhong)約為(wei)21噸的篩(shai)板式水(shui)洗塔(“2200×10×23500mm)內有21層塔盤、內(nei)件、接管、人孔鍛(duan)件及除沫(mo)器等用了近4噸(dun)(約占(zhan)設備(bei)總(zong)重的1/5)的這類鋼,取得較好的(de)效果。

(2)Cr22型的(de)雙相鋼

這(zhe)類鋼是在(zai)3RE60的基礎(chu)上,提高Cr、降Si并添加N。作為強(qiang)烈(lie)奧氏體形成(cheng)元素的(de)氮加(jia)入到雙相鋼中,它既提高奧氏體不(bu)銹鋼的強度,又不(bu)顯著損傷鋼的塑韌性;還(huan)穩定奧氏體(ti),避(bi)免馬氏(shi)體轉變(bian),甚至抑制碳化物析出和延緩σ相形成,又提高鋼(gang)材的耐蝕性(特(te)別是抗點(dian)蝕和氯化(hua)物應力腐蝕)。瑞典的SAF2205屬(shu)Cr22型第(di)二代雙相鋼(我國鋼號為00Cr25Ni5Mo3N),其世界產(chan)量或市場占有量為雙相鋼(gang)的80%。我國工程上應用(yong)得(de)也較多(duo)。

1)甲醇合成塔

該塔是甲(jia)醇成套裝(zhuang)置中的關(guan)鍵設備。在“八五”攻關項目中,上(shang)海焦化(hua)總廠(chang)“三聯(lian)供”20萬t/a煤(mei)氣工程的甲醇(chun)合(he)成塔(ta)為列管式結(jie)構。兩個管板(ban)之間穿插6713根“38×2mm,長度為6m的SAF2205管(guan)子(zi)。隨著我國天然氣(qi)的(de)利用,20世紀90年代后期建造以天然氣為原料(liao)的10萬t/a年的(de)甲醇合(he)成塔。

甲醇合成(cheng)過(guo)程是在兩端被固定于上、下管板、管內裝催化劑的6米長的數(shu)千根管子中進行。合(he)成氣含(han)H 2、CO 2、N 2、CO、CH 3 OH,所(suo)以封(feng)頭選用Cr-Mo鋼;管子為SAF2205,一方面因其強度高(屈服(fu)點為18-8鋼的兩倍(bei)),設計(ji)時管壁可減薄;另(ling)一方面雙相鋼與奧氏(shi)體不銹鋼相比,其導(dao)熱系數大、線膨脹(zhang)系數小,而(er)與殼體或管板用的鋼(20MnMoNi55)接近,這樣在(zai)高溫(wen)運行中的數千根鋼管既能抗氫,又與管(guan)板和殼體的變形協(xie)調(diao)一致,不會因線膨脹系數差異造成較大的(de)附加內應力。

2)氧氯(lv)化反應(ying)器

氧(yang)氯(lv)化(hua)反應(ying)器是聚氯(lv)乙烯(xi)先進(jin)的(de)制(zhi)造工藝裝置中的(de)關鍵設備。原20萬t/a聚(ju)氯乙烯裝(zhuang)置中的(de)反應器均為引進(jin)設(she)備。考(kao)慮到(dao)催化劑CuCl 2遇到(dao)鐵離子會降低(di)活性(xing),反應器殼體(ti)選用(yong)304,冷卻蛇形(xing)管(guan)為(wei)304L。

反應器中的冷卻(que)管束是設(she)備的“心臟”部件,結構十分復雜。該管束為4770mm、高5170mm、凈重50t的圓柱形束狀結(jie)構。管束由(you)33塊多孔擋板通過35根(gen)拉桿(gan)、定距管及(ji)吊架組成柱狀骨架,33層檔板之(zhi)間穿著58組錯綜復雜、走向(xiang)各異的蛇(she)形管,這(zhe)58組蛇形管共用688根89×5 1 5mm的不銹鋼管與上(shang)、下U形彎頭(tou)焊接而成。

引進設備(bei)1988年(nian)投用(yong)不到(dao)二年(nian)就發生泄漏,運行9年之中因泄(xie)漏停車(che)13次(ci)。開(kai)裂部位主要集中(zhong)在蛇形(xing)管(guan)靠下彎頭約1 1 5m的直管段及其(qi)與下彎頭的焊(han)縫熱(re)影響(xiang)區(qu),有嚴重的(de)點(dian)蝕穿孔、凹槽和應力(li)腐蝕開(kai)裂。

分析原(yuan)因:正常操作條件下(xia)反應物為氣態,304L耐(nai)腐蝕。但由(you)于結(jie)構原因,使某些部位(wei)物料流速下降(jiang),局部溫度低于介(jie)質(zhi)露點,結露后(hou)形成鹽[9],加上(shang)催化劑微粒的沖蝕(shi)及彎頭焊縫的焊接殘余應力,使之成為(wei)重點腐(fu)蝕部位。

1998年齊(qi)魯石化建設公司選用SAF2205和316L分別制作管(guan)束(shu)和殼體,完(wan)成大型氧氯(lv)化(hua)反(fan)應器制造(zao)國產化(hua)[10],投用(yong)至(zhi)今運行良好。

3)耐海(hai)水(shui)介質的換熱設(she)備

近年(nian)來合肥通用(yong)所為大(da)連石化更換的幾(ji)臺與海(hai)水(shui)接(jie)觸的設備(見表3),進行(xing)設計和(he)監造。

這三臺設備(bei)曾分別采用(yong)碳鋼(gang)和18-8不銹鋼制造,使用半年到二年左右就泄漏(lou)。重(zhong)新選用的(de)鋼(gang)板(ban)(厚(hou)度為46、74和(he)80mm)和管材(“25×2和“19×2mm)均采(cai)用UNS S31803(相當(dang)于SAF2205)的(de)雙(shuang)相鋼制造,投用(yong)至今運行情況良好(hao)。

4)在尿素(su)裝置上的應用以往歐洲國家不主張尿素(su)設備用雙相不銹鋼,而(er)日(ri)本用過NTKR4(Cr25-Ni5-Mo2)、我國用過Cr-Mn-N鋼(gang)和(he)00Cr18Ni5Mo3Si2N。1987年(nian)4月瑞典(dian)Sandvik公司來(lai)華參(can)展之際,與我方交(jiao)流尿素用鋼時,除(chu)推薦3R69和(he)2RE69(00Cr25Ni22Mo2Mn)等鋼外(wai),還推薦SAF2205和(he)SAF2304用于制造換熱器以及等壓(ya)雙循(xun)環(huan)過程的高壓(ya)管道。

(3)Cr25型超級(ji)雙相不銹鋼20世紀(ji)80年(nian)代后期瑞(rui)典開發的SAF2507屬第三代雙相(xiang)鋼,也是(shi)耐(nai)氯化物(wu)應(ying)力腐蝕、點腐蝕等的(de)最(zui)好鋼(gang)種,廣泛應(ying)用于含H 2 S或(huo)Cl-(特別是海水)的設備(bei)。

1998年(nian)南化公司化機廠用該鋼為(wei)印度ONGC公司制作三項6臺海上(shang)平(ping)臺的(de)壓縮機分離罐(見表4)。經反復試驗、精心(xin)加工和嚴格的焊(han)接質量控制,各(ge)項性(xing)能達到(dao)要(yao)求。