尿素級不銹鋼

1、尿素級不銹鋼概述1. 尿素級不銹鋼簡介尿素生產是在高壓(1425 MPa)和180210C溫度條件下，由CO2與氨合成， 同時生成甲銨和水。 尿素溶液經凈化、 濃縮和造粒后生成粒狀尿素。 尿素合成的 化學反應：第 1 步：C02+2NH3NH2COONH4(氨基甲酸銨)第 2 步：NH2COONH4T(NH2)2CO+H20尿素生產過程中處理的主要物料是 CO2， NH3， NH2COONH4， (NH2)2CO， 這些物料單獨存在時， 其腐蝕性并不強， 但它們混合一起生成的反應產物對設備 會產生強烈腐蝕。尿素生產過程中尿素一甲銨溶液對不銹鋼的腐蝕主要是由于溶 液中含有氨基甲酸銨和氰酸銨引起的

2、， 影響耐蝕性因素主要有溶液的成分、 硫化 物含量、溫度、流體的相對運動速度以及不銹鋼材料的合金元素含量、組織等。 尿素合成塔襯里、汽提塔和甲銨冷凝器都很容易被甲銨腐蝕。 20 世紀 50年代， 荷蘭提出在二氧化碳加氧氣保護的條件下使用 18-8 型奧氏體不銹鋼，效果并不 理想。隨著爐外精煉技術的發(fā)展應用， 實現了不銹鋼超低碳冶煉， 鋼質純凈度得 以提高，最終形成了滿足尿素生產的尿素級不銹鋼系列材料。 這其中對不銹鋼的 化學成分、組織、耐蝕性做出明確的規(guī)定，目的是使不銹鋼獲得全奧氏體組織， 滿足尿素高壓設備襯里、內件的使用要求。尿素級不銹鋼是一種專用奧氏體不銹鋼， 專用于尿素生產的尿素級不銹鋼

3、主 要有316UG , 00C25Ni22Mo2N(2RE69)，尿素生產是在高壓(1425MPa)和溫度 180210度條件下，由二氧化碳與氨合成，其中間產物氨基甲酸銨等對不銹鋼有 強烈腐蝕性，一般不銹鋼如316L都不能滿足其耐腐蝕性。由此開發(fā)的專用鋼鐘 稱為尿素級不銹鋼。2. 尿素級不銹鋼的技術要求具體講，尿素級不銹鋼應滿足以下要求：1) 牌號為316L UG和00Cr25Ni22Mo2N，其化學成分和機械性能應合格尿素設備 和材料的國家標準要求。2) 材料的金相組織為奧氏體，鐵素體含量不大于 0.6。3) 材料必須經過休試試驗，試驗結果應滿足尿素設備和材料的國家標準要求。4) 休試試驗后

4、應進行選擇性腐蝕試驗，試驗結果應符合尿素設備和材料的國家 標準要求。5) 材料還應進行金相檢查，不得含有西格瑪相和金屬夾雜物，等其他要求。3. 316LMO詠素級不銹鋼板材生產工藝控制316LMOD 就是在 316L 奧氏體不銹鋼的基礎上，通過對 Cr，Ni， Mo 等元 素含量的調整，并采取合理的熱處理工藝，獲得理想的奧氏體組織 (鐵素體含量 不超過 06)和良好的耐晶界腐蝕及選擇性腐蝕性能， 在尿素設備中成功應用。與普通 316L 相比， 316LMOD 不銹鋼無論是金相組織，還是耐蝕性能都有 更為嚴格的要求，這就要求其成分設計及熱處理工藝控制較普通 316L 更為嚴格。具體的中板生產工藝

5、流程為：AOD冶煉一連鑄一鑄坯修磨一板坯加熱一中 板熱軋一固溶處理性能檢驗一表面酸洗一包裝。主要化學成分的控制。在不銹鋼的合金成分體系中， Cr 可以在不銹鋼表面 形成Cr203，從而使得不銹鋼具有良好的抗腐蝕性能， Mo的加入，可使得Cr的 氧化膜更為致密， 進一步提高材料的耐腐蝕性。 因此，為了提高不銹鋼的抗腐蝕 性能，316LMOD中的Cr，Mo的實際控制含量較普通316L高。但由于Cr，Mo 均為鐵素體形成元素， 因此其含量的控制應以保證不產生理相的情況下盡可能控 制上限。在尿素生產設備中， 由于對材料抵抗晶界腐蝕的性能要求較高， 因此對有害 元素P, S的含量進行了較為嚴格的控制(P

6、<0030%，SWQ003%)，這對鑄坯熱加 工塑性控制也是必要的。關于在 Huey試驗中P含量對敏化態(tài)316LMOD尿素級 不銹鋼耐蝕性影響的研究結果表明， 鋼中P含量達到0.06%，失重率是0.02%的 2.5倍，達到5呵/48 h0Ni 在不銹鋼中是奧氏體形成元素，而尿素級不銹鋼要求固溶處理后的組織 為奧氏體， 其中鐵素體含量 <0.6%，因此， 316LMOD 成分設計中 Ni 含量較普通 316L 要高，從而提高了材料的防腐性能0結論：(1) 在普通 316L 的基礎上，通過提高 Cr， Ni， Mo 的含量，降低 P， S 的含 量，對控制成品中鐵素體比例 <0.

7、6%以及改善耐腐蝕性能是有利的；(2) 316LMOD金相組織中的叮相具有高 Cr,Mo以及四方結構、無磁等特征， 提高熱處理溫度有利于減少仃相的含量；(3) 3 16LMOD 尿素級不銹鋼中板的各項性能均達到了材料規(guī)范的要求， 可以 滿足尿素生產的需要04. 尿素級不銹鋼中的應用技術近三十多年來，尿素裝置汽提塔主要由 316L 尿素級不銹鋼和 25Cr22Ni2Mo 制成。316L尿素級不銹鋼含鐵量低于百分之 0. 6, Huey檢測中最大年腐蝕率為 百分之0. 60毫米。由于商用316L含雜質的量過高，不能滿足這一標準。在腐蝕 最嚴重的情況下，裝置采用較高等級的合金 25/ 2/ 2( U

8、NS No. 31050) 。1) 腐蝕和鈍化尿素裝置其高壓部分由于有甲銨的存在腐蝕情況非常嚴重。 如果沒有氧的存 在不銹鋼合金會快速的腐蝕， 少量的氧含量可以鈍化不銹鋼的表面。 不銹鋼的類 型決定所需要的氧含量的多少。 U NS No. 31050是比較優(yōu)良的材料， 因為它所需 要的鈍化氧量少，而且不論是在活性狀態(tài)還是在鈍化狀態(tài)其腐蝕速度都極其慢。 在操作中，氧的水平必須要高于理論要求以確保裝置的所有部分都有足夠的氧。 較高的溫度可提高尿素的合成、 促進甲銨的分解，但同時也會增加金屬的腐蝕率。2) 不銹鋼熔化技術對腐蝕性能的作用 良好的抗腐蝕性能要求低碳、 低硫、低磷。延長 AOD 熔化時間

9、可以降低碳、硫的含量， 但是不會降低磷的含量。 制造商只能選用低磷原材料。 這些要求造成 尿素級不銹鋼價格相當高。 而尿素級不銹鋼的需求量與商用 316L 級相比非常小， 因此，除非制造商有連續(xù)的、穩(wěn)定的用戶，否則其很難保證產品的高質量。3) 腐蝕檢測甲銨溶液中每年的腐蝕率為60mm，作為業(yè)主在開車前應當對不銹鋼合金進 行檢測。按照 AST M A- 262 進行的 Huey 檢測是工業(yè)中常用的抗腐蝕檢測。樣 品在 65%的硝酸中煮沸，共 5個階段，每一階段 48小時，記錄每個階段材料的 損失。晶界不純度高會造成晶間腐蝕。 當金屬固化時會有微小晶粒形成， 某種元 素進入晶界。不純物濃度高會造成

10、晶界的選擇性腐蝕。從一個階段到另一個階段、 從一批到另一批只有非常小的變化， 這表明材料 的雜質含量低、制造工藝正確并進行了熱處理。對于碳、硫 40 次的檢測偏差少 于 0. 0026%，這些非常小的變化保證了這一材料在 Huey 檢測中的最大年腐蝕率 為0.12mm,遠遠低于0. 18mm的正常要求。經驗證明Huey檢測的腐蝕速率高， 則意味著實際操作中的腐蝕率高。在這種尿素級3R60型材料中經常發(fā)現選擇性腐蝕，類似的情況在Huey檢測中也會看到。冷凝器使用 15 年，對于材質來說在其使用壽命范圍內。當更換 設備或是進行焊接修理時，對腐蝕較嚴重的地方用 2RE69 來抗腐蝕。4) 國外經驗印

11、度， IFFCO 化工廠尿素汽提塔從 1975 年投用，至今仍使用最初的 2RE69 列管，這對于U NS No31050材質來說使用壽命是最長的。Stamicarbon汽提塔的 管壁厚最低只為3. 0mm,當壁厚低于1. 8- 2. 0mm為了避免泄漏，就要進行管子 的更換。26年來的使用表明平均年腐蝕率低于 0. 05mm,其他使用2RE69的廠 家尿素裝置的腐蝕率也非常低。目前使用 2RE69 的廠家希望其汽提塔的列管壽 命可以超過 20 年,當然好的維護和平穩(wěn)的工藝控制對于使用壽命的延長也有極 大的幫助。5) 雙金屬列管Snamprogett開始用雙金屬管來代替 Ti管，外管金屬是2R

12、E69內管無縫襯 里為 Zr702，2RE69 可以焊接到包覆有 2RE69 的管板上。雙金屬管的價格低于 過去的Ti襯里管，而且，Zr的抗腐蝕性要優(yōu)于Ti,解決了以前存在的一些腐蝕 問題，由于Zr的價格比2RE69高，因此只用來制作薄薄的襯里，同時因為2RE69 的強度高于Zr,所以雙金屬管是比較好的選擇。6) 最新動向目前， Sandvik 和 Stamicarbon 合作研制了一種新的合金 Safurex 只用于 Stamicarbon的尿素裝置，此合金的主要優(yōu)點是其所需要的鈍化氧量低于 2RE69, 鈍化氧量低有以下幾個優(yōu)點， 可以省掉高壓洗滌部分， 減少尿素加入的空氣量從 而減少惰氣

13、的含量， 提高裝置的負荷。 一般來說， 減少了氧含量， 有甲銨的地方 都應采用Safurex,目前還沒有裝置完全采用 Safurex制成高壓設備，但有一部分 廠家已使用了 Safurex，這些廠家已證明Safurex的抗腐蝕性極其優(yōu)良，包括焊接 和熱效應區(qū)域，抗腐蝕能的提高也就意味著使用壽命的延長， Safurex的強度高 于2RE69,這可以使壁厚減小，節(jié)約費用。Stamicarbon 原有的冷凝器是立式的，如果冷卻水中含有氯化物，會造成應 力腐蝕裂紋，316L和2RE69都不能解決這種腐蝕，Safurex抗腐蝕性更強，一般 情況下可以消除這種應力腐蝕裂紋，1999年在波蘭的Zaklady化

14、工廠第一個完全 用Safurex代替316L的高壓冷凝器已經投用，運行一年后設備狀態(tài)良好，Safurex 已被證明有廣泛的用途， 我國的尿素裝置也可根據各自的運行情況及設備腐蝕情 況進行材質的優(yōu)化。5. 尿素級不銹鋼的焊接應用一般說來， 尿素級不銹鋼與其他奧氏體不銹鋼一樣有比較好的焊接性能， 但 是由于焊接過程是一個在短時間內完成的復雜冶金過程，焊接接頭(包括熔敷金屬、熔合線及熱影響區(qū) )的機械性能、金相組織及耐腐蝕性能總是難于達到母材 的水平，無論從生產裝置設備損壞情況來看還是從掛片試驗結果來看， 焊縫都是 一個薄弱的環(huán)節(jié)， 很多設備的腐蝕和損壞經常發(fā)生在焊縫附近， 因此正確選用焊 接材料和

15、制訂合理的焊接工藝在尿素設備制造中是一個很重要的問題。尿素級不銹鋼為純奧氏體不銹鋼， 純奧氏體不銹鋼在焊接時容易產生熱裂紋， 這種裂紋屬于凝固裂紋 （結晶裂紋 ）。發(fā)生在高溫狀態(tài)，常溫下不再擴展。裂紋均 沿一次結晶的晶界產生。 熱裂紋產生的原因是由于奧氏體不銹鋼導熱系數小， 線 膨脹系數大， 延長了焊縫金屬在高溫區(qū)的停留時間， 增加了焊縫在高溫時經受的 拉伸應變 另外純奧氏體焊縫的晶間往往存在低熔點的央雜物， 在凝固結晶后期 以液態(tài)膜的形式存在于奧氏體晶粒之間， 在一定的拉應力下開裂并擴展形成晶間 裂紋，能形成低熔點夾雜物的元素有 Si、B、Ni 、S、P 等防止純奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋產生可

16、以采用許多措施，如提高焊縫中 Mn 的含量，加Mn至4%6%對防止熱裂紋相當有效，嚴格限制焊縫中 S、P等雜 質元素含量，適當增加 C或N的含量對防止熱裂紋也是有益的。在焊接時提高 焊接熔池的冷卻速度，在工藝上采取相應措施如短孤焊、 低線能量、窄焊道技術等以加快熔池玲卻， 對防止焊接熱裂紋都是有效的因此尿素級不銹鋼焊材在進行成份設計時與母材 相比一般都適當增加含碳量，增加錳含量，降低硫、磷含量。在施焊工藝上尿素級不銹鋼一般采用小電流， 快速、線狀焊道， 層間溫度不 大于150C。采用氫孤焊的接頭其耐蝕性比電孤焊要好，因為前者焊接熔池的保 護比電孤焊好， 焊縫質量高， 同時攝孤焊的線能量低對焊縫及熱影響區(qū)的敏化作 用小。對于手工電孤焊接， 當鋼板較厚要采用多道焊時， 最后焊道應安排在