用于尿素工業(yè)的特殊不銹鋼材料
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尿素生產(chǎn)過(guò)程的發(fā)展對構造材料及其制造提出了更高的要求，以適應更為苛刻的使用條件。為了防止在使用中所遇到的強烈腐蝕問(wèn)題，必須使用具有高標準的，不含非金屬雜質(zhì)，成分均勻，可焊性好的特種不銹鋼。
幾十年來(lái)，Sandvik Material Technology完成了生產(chǎn)過(guò)程的多項重大改進(jìn)，從而進(jìn)一步提高了供尿素工業(yè)使用的不銹鋼產(chǎn)品質(zhì)量，如Sandvik 2RE69等等。而近些年研制開(kāi)發(fā)出的新品種SafurexR雙向不銹鋼材，可以應用于傳統尿素鋼所不能使用的地方。
1 高級不銹鋼生產(chǎn)中冶金技術(shù)的發(fā)展
1.1 管材制造
方坯經(jīng)過(guò)高溫處理并熱加工成為鋼棒以后，再通過(guò)熱擠壓制造成母管。此后再進(jìn)行皮爾格式冷軋、脫脂、退火和整修。精度要求很高以獲得完美的內外表面。
如果制造很長(cháng)的管材，則需要一個(gè)特殊的生產(chǎn)裝置，這個(gè)生產(chǎn)裝置原先是為制造核電工業(yè)用蒸汽發(fā)生器管而建造的。在這里可以用2RE69鋼材生產(chǎn)甲銨冷凝器用的U形彎管，其長(cháng)度可達28 m。常規生產(chǎn)程序如下：第一步操作是冷加工，本處則為皮爾格式冷軋，用的是由Sandvik設計的兩臺雙機。皮爾格式冷軋以后，便進(jìn)行內外除油，然后是目測檢查并在光亮退火爐中進(jìn)行熱處理，其中用氫作為保護氣體進(jìn)行操作。最后，將管子矯直。
上述工序完成之后就進(jìn)行無(wú)損測試、修整，以及取樣作破壞性試驗。如果要交付U形管，那么按直管進(jìn)行檢驗和試驗后，按長(cháng)度分類(lèi)。接著(zhù)進(jìn)行彎曲、渦流檢驗，將兩根管柱切成規定的長(cháng)度、內部清洗、用塑料塞子封住管的兩端，以及按彎曲半徑分類(lèi)。再進(jìn)一步檢查表面、用合適的箱盒包裝和交貨。
1.2 尿素鋼在性能方面的優(yōu)勢
供尿素工業(yè)用的高級不銹鋼是按照許可證發(fā)出者（在歐洲主要是由Stamicarbon和Snamprogetti等）所制訂的各種規范交貨的，而Huey試驗中的一般性以及選擇性腐蝕的極限值用來(lái)研究不同冶金因素的影響是很有效的。表1為24爐2RE69（經(jīng)AOD）的熔煉分析。
表1說(shuō)明2RE69具有極佳的成分均勻性，該表表明1981～1985年采用連續鑄造和非連續鑄造工藝，用AOD方法熔化的2RE69熔煉分析中的元素分布情況。主要合金元素和碳、硫、磷等雜質(zhì)都在表中列出。
除了鋼的均質(zhì)性較好和成分組成偏差較少外，連續鑄造還大大減少了鋼中的非金屬雜質(zhì)。氧化物及硫的含量均有降低。不管這些雜質(zhì)大小如何，但其數量均降至原先標準水平的1/3和1/5。眾所周知，不含非金屬雜質(zhì)對于降低尿素鋼中選擇性腐蝕是非常重要的。
2RE69對于冶金方法的微小變化不如3R60那么敏感，即使如此，我們還是可以看出冶金方法與產(chǎn)品特性之間的關(guān)系。利用現有的技術(shù)，Sandvik Material Technology 獲得了非常均勻的質(zhì)量，從而保證Huey試驗數字可以保持在一個(gè)恒定的低水平。
圖1 2RE69 Huey實(shí)驗統計
圖1說(shuō)明連續鑄造對于2RE69進(jìn)行Huey試驗數字的有益影響。對于1981～1982年間制造的一系列爐鋼進(jìn)行了腐蝕速率的測定，共有283個(gè)值。這個(gè)數字包括連續鑄造的AOD爐鋼的數字。腐蝕數值總是很低，在連續鑄造的爐鋼中沒(méi)有發(fā)現選擇腐蝕。
1.3 用于氨汽提塔的雙金屬管
汽提塔采用雙金屬管的新設計由Snamprogetti公司推出，并應用于其尿素生產(chǎn)工藝。它的外層材質(zhì)為2RE69，內層為鋯合金702。這種雙金屬管將兩個(gè)部分通過(guò)機械作用復合而成，能確保內層的牢固定位和管壁的良好導熱性能。
過(guò)去采用的鈦合金管在非常惡劣的工作環(huán)境中一般表現較好。然而，其內管壁可能出現的局部侵蝕會(huì )導致汽提塔的提前報廢。在此類(lèi)工作環(huán)境中鋯合金的抗腐蝕和沖刷腐蝕性能均優(yōu)于鈦合金。因此，抗蝕內管只需較薄的一層即可，因為 2RE69的外管能提供足夠的強度。由于管板堆焊時(shí)采用2RE69型焊材（B25.22.2.LMn），管對管板的焊接也可選用2RE69型焊材（W25.22.2.LMn或E25.22.2.LMn）。
以上設計能夠節約資金，因為與2RE69相比，鈦合金的加工復雜且成本很高。新設計既可提高抗腐蝕／侵蝕性能，又能節省制造費用。另外雙金屬管較鈦合金管壁薄，外徑減小，新型汽提塔結構因而更為緊湊。
1.4 Sandvik Safurex
山特維克與Stamicarbon合作開(kāi)發(fā)了新合金材料Safurex，用于Stamicarbon的尿素設備。與2RE69相比，其主要優(yōu)勢是在較低含氧條件下也可鈍化。減少含氧量有很多好處，如在低氧條件下，可省去高壓洗滌器,這將會(huì )減少總體成本。注入氧氣量減少,系統中所含惰性氣體較少，這有助于改善生產(chǎn)能力。原則上,減少氧含量,則與甲銨接觸的所有材料都需要是Safurex材質(zhì)。到目前為止,在所有高壓設備中已有全部用Safurex材質(zhì)的。許多工廠(chǎng)用Safurex制成的設備已運轉若干年，運行結果良好，且確認Safurex不同形式的產(chǎn)品其抗腐蝕能力均為優(yōu)良，包括焊接區和熱影響區。
如果汽鍋中的水不小心被氯污染，Stamicarbon舊式的用垂直管制成的高壓甲銨冷凝器將產(chǎn)生應力腐蝕。316L尿素級和2RE69都可抵御該腐蝕。新的Safurex抵御該腐蝕的性能更優(yōu)，并且在常規服役條件下，SCC被消除。Safurex完全替代316L尿素級的第一臺高壓甲銨冷凝器自1999年8月，在波蘭的Zaklady Chemiczne“Police”Sa投用，一直運轉至今。運行一年后，對冷凝器進(jìn)行檢查，發(fā)現其性能優(yōu)越。此后，另外又有四臺冷凝器已被安裝或正在制造。冷凝器、汽提塔、洗塵器、管道和合成器盤(pán)等主要設備均已用Safurex生產(chǎn)。所有這些都說(shuō)明使用Safurex已生產(chǎn)了大量設備，并且基于各種設備的制造積累了豐富的服務(wù)經(jīng)驗。
2 尿素裝置中的焊接
2.1 堆焊
在汽提塔或尿素設備的冷凝器中，管板防腐蝕性能良好也是必要的。出于對強度和費用的考慮，常常用碳鋼管板進(jìn)行堆焊來(lái)獲得上述效果。端面也同樣需要堆焊或用適當的不銹鋼材料來(lái)襯里。
最常見(jiàn)的堆焊方式有用焊帶進(jìn)行電渣堆焊（ESW）或埋弧堆焊（SAW）。獲得國際認可的2RE69類(lèi)型的熔敷層。無(wú)論是電渣焊還是埋弧焊均可使用山特維克B25.22.2.LMn牌號的焊帶，規格60×0.50mm，一般要焊2～3層。這兩種焊接方法的焊劑都是基本型的，以使熔敷層的抗腐蝕性能達到最佳。反應器的殼層可用改良型316L板做內襯，但其抗腐蝕性能要好，才能適應惡劣的工作環(huán)境。如果工作環(huán)境隨著(zhù)溫度和壓力的上升對材料要求更高時(shí)，采用2RE69板材做襯里或用山特維克B25.22.2.LMn焊材堆焊會(huì )更有利。
2.2 管對管板焊接
管對管板焊接的最常見(jiàn)方法有手工或機械TIG焊（鎢極惰性氣體保護焊）和手工金屬弧焊。2RE69管材必須與用25Cr/22Ni/2MoN堆焊的管板進(jìn)行焊接，焊材應使用山特維克W25.22.2.LMn的TIG焊法或山特維克藥皮焊條，牌號E25.22.2.LMnB。
2.3 焊縫修復
許多舊式容器都曾用316L尿素級材料做內襯，投入使用多年后必須對其進(jìn)行焊縫修復或替換部分襯里。焊接多在原處操作，所以最廣泛使用的焊法是手工焊。針對316L尿素級或2RE69型材料的內襯，我們推薦山特維克E25.22.2.LMnB牌號的藥皮焊條。這種基本型焊條適用于各種位置的焊接。由于合金含量較高，它還適合用來(lái)焊接母材和其內襯。
3 優(yōu)質(zhì)不銹鋼應用于尿素工業(yè)的成功經(jīng)驗
自1972年起，山特維克鋼材公司向世界各地為數甚巨的汽提塔、分解器和冷凝器的制造提供了2RE69的管材。Stamicarbon和Snamprogetti 公司都指定將用它制造冷凝器。
眾所周知，尿素設備的工作條件是相當惡劣的。只有正確地選擇材料并恰當地控制工藝才能夠取得較長(cháng)的工作壽命。70年代早期，首次完整的設備安裝就是采用了2RE69。約二十年后的今天，2RE69在休伊試驗中的低腐蝕速率與實(shí)際工作壽命都是首屈一指的。有些設備甚至令人不可思議地運行了二十多年。2RE69從熔煉到出成品管的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程都在嚴密控制之下，這已被證明是其優(yōu)良品質(zhì)和長(cháng)久工作壽命的根本原因。
幾十年來(lái)，Sandvik Material Technology完成了生產(chǎn)過(guò)程的多項重大改進(jìn)，從而進(jìn)一步提高了供尿素工業(yè)使用的不銹鋼產(chǎn)品質(zhì)量，如Sandvik 2RE69等等。而近些年研制開(kāi)發(fā)出的新品種SafurexR雙向不銹鋼材，可以應用于傳統尿素鋼所不能使用的地方。
1 高級不銹鋼生產(chǎn)中冶金技術(shù)的發(fā)展
1.1 管材制造
方坯經(jīng)過(guò)高溫處理并熱加工成為鋼棒以后，再通過(guò)熱擠壓制造成母管。此后再進(jìn)行皮爾格式冷軋、脫脂、退火和整修。精度要求很高以獲得完美的內外表面。
如果制造很長(cháng)的管材，則需要一個(gè)特殊的生產(chǎn)裝置，這個(gè)生產(chǎn)裝置原先是為制造核電工業(yè)用蒸汽發(fā)生器管而建造的。在這里可以用2RE69鋼材生產(chǎn)甲銨冷凝器用的U形彎管，其長(cháng)度可達28 m。常規生產(chǎn)程序如下：第一步操作是冷加工，本處則為皮爾格式冷軋，用的是由Sandvik設計的兩臺雙機。皮爾格式冷軋以后，便進(jìn)行內外除油，然后是目測檢查并在光亮退火爐中進(jìn)行熱處理，其中用氫作為保護氣體進(jìn)行操作。最后，將管子矯直。
上述工序完成之后就進(jìn)行無(wú)損測試、修整，以及取樣作破壞性試驗。如果要交付U形管，那么按直管進(jìn)行檢驗和試驗后，按長(cháng)度分類(lèi)。接著(zhù)進(jìn)行彎曲、渦流檢驗，將兩根管柱切成規定的長(cháng)度、內部清洗、用塑料塞子封住管的兩端，以及按彎曲半徑分類(lèi)。再進(jìn)一步檢查表面、用合適的箱盒包裝和交貨。
1.2 尿素鋼在性能方面的優(yōu)勢
供尿素工業(yè)用的高級不銹鋼是按照許可證發(fā)出者（在歐洲主要是由Stamicarbon和Snamprogetti等）所制訂的各種規范交貨的，而Huey試驗中的一般性以及選擇性腐蝕的極限值用來(lái)研究不同冶金因素的影響是很有效的。表1為24爐2RE69（經(jīng)AOD）的熔煉分析。
表1說(shuō)明2RE69具有極佳的成分均勻性，該表表明1981～1985年采用連續鑄造和非連續鑄造工藝，用AOD方法熔化的2RE69熔煉分析中的元素分布情況。主要合金元素和碳、硫、磷等雜質(zhì)都在表中列出。
除了鋼的均質(zhì)性較好和成分組成偏差較少外，連續鑄造還大大減少了鋼中的非金屬雜質(zhì)。氧化物及硫的含量均有降低。不管這些雜質(zhì)大小如何，但其數量均降至原先標準水平的1/3和1/5。眾所周知，不含非金屬雜質(zhì)對于降低尿素鋼中選擇性腐蝕是非常重要的。
2RE69對于冶金方法的微小變化不如3R60那么敏感，即使如此，我們還是可以看出冶金方法與產(chǎn)品特性之間的關(guān)系。利用現有的技術(shù)，Sandvik Material Technology 獲得了非常均勻的質(zhì)量，從而保證Huey試驗數字可以保持在一個(gè)恒定的低水平。
圖1 2RE69 Huey實(shí)驗統計
圖1說(shuō)明連續鑄造對于2RE69進(jìn)行Huey試驗數字的有益影響。對于1981～1982年間制造的一系列爐鋼進(jìn)行了腐蝕速率的測定，共有283個(gè)值。這個(gè)數字包括連續鑄造的AOD爐鋼的數字。腐蝕數值總是很低，在連續鑄造的爐鋼中沒(méi)有發(fā)現選擇腐蝕。
1.3 用于氨汽提塔的雙金屬管
汽提塔采用雙金屬管的新設計由Snamprogetti公司推出，并應用于其尿素生產(chǎn)工藝。它的外層材質(zhì)為2RE69，內層為鋯合金702。這種雙金屬管將兩個(gè)部分通過(guò)機械作用復合而成，能確保內層的牢固定位和管壁的良好導熱性能。
過(guò)去采用的鈦合金管在非常惡劣的工作環(huán)境中一般表現較好。然而，其內管壁可能出現的局部侵蝕會(huì )導致汽提塔的提前報廢。在此類(lèi)工作環(huán)境中鋯合金的抗腐蝕和沖刷腐蝕性能均優(yōu)于鈦合金。因此，抗蝕內管只需較薄的一層即可，因為 2RE69的外管能提供足夠的強度。由于管板堆焊時(shí)采用2RE69型焊材（B25.22.2.LMn），管對管板的焊接也可選用2RE69型焊材（W25.22.2.LMn或E25.22.2.LMn）。
以上設計能夠節約資金，因為與2RE69相比，鈦合金的加工復雜且成本很高。新設計既可提高抗腐蝕／侵蝕性能，又能節省制造費用。另外雙金屬管較鈦合金管壁薄，外徑減小，新型汽提塔結構因而更為緊湊。
1.4 Sandvik Safurex
山特維克與Stamicarbon合作開(kāi)發(fā)了新合金材料Safurex，用于Stamicarbon的尿素設備。與2RE69相比，其主要優(yōu)勢是在較低含氧條件下也可鈍化。減少含氧量有很多好處，如在低氧條件下，可省去高壓洗滌器,這將會(huì )減少總體成本。注入氧氣量減少,系統中所含惰性氣體較少，這有助于改善生產(chǎn)能力。原則上,減少氧含量,則與甲銨接觸的所有材料都需要是Safurex材質(zhì)。到目前為止,在所有高壓設備中已有全部用Safurex材質(zhì)的。許多工廠(chǎng)用Safurex制成的設備已運轉若干年，運行結果良好，且確認Safurex不同形式的產(chǎn)品其抗腐蝕能力均為優(yōu)良，包括焊接區和熱影響區。
如果汽鍋中的水不小心被氯污染，Stamicarbon舊式的用垂直管制成的高壓甲銨冷凝器將產(chǎn)生應力腐蝕。316L尿素級和2RE69都可抵御該腐蝕。新的Safurex抵御該腐蝕的性能更優(yōu)，并且在常規服役條件下，SCC被消除。Safurex完全替代316L尿素級的第一臺高壓甲銨冷凝器自1999年8月，在波蘭的Zaklady Chemiczne“Police”Sa投用，一直運轉至今。運行一年后，對冷凝器進(jìn)行檢查，發(fā)現其性能優(yōu)越。此后，另外又有四臺冷凝器已被安裝或正在制造。冷凝器、汽提塔、洗塵器、管道和合成器盤(pán)等主要設備均已用Safurex生產(chǎn)。所有這些都說(shuō)明使用Safurex已生產(chǎn)了大量設備，并且基于各種設備的制造積累了豐富的服務(wù)經(jīng)驗。
2 尿素裝置中的焊接
2.1 堆焊
在汽提塔或尿素設備的冷凝器中，管板防腐蝕性能良好也是必要的。出于對強度和費用的考慮，常常用碳鋼管板進(jìn)行堆焊來(lái)獲得上述效果。端面也同樣需要堆焊或用適當的不銹鋼材料來(lái)襯里。
最常見(jiàn)的堆焊方式有用焊帶進(jìn)行電渣堆焊（ESW）或埋弧堆焊（SAW）。獲得國際認可的2RE69類(lèi)型的熔敷層。無(wú)論是電渣焊還是埋弧焊均可使用山特維克B25.22.2.LMn牌號的焊帶，規格60×0.50mm，一般要焊2～3層。這兩種焊接方法的焊劑都是基本型的，以使熔敷層的抗腐蝕性能達到最佳。反應器的殼層可用改良型316L板做內襯，但其抗腐蝕性能要好，才能適應惡劣的工作環(huán)境。如果工作環(huán)境隨著(zhù)溫度和壓力的上升對材料要求更高時(shí)，采用2RE69板材做襯里或用山特維克B25.22.2.LMn焊材堆焊會(huì )更有利。
2.2 管對管板焊接
管對管板焊接的最常見(jiàn)方法有手工或機械TIG焊（鎢極惰性氣體保護焊）和手工金屬弧焊。2RE69管材必須與用25Cr/22Ni/2MoN堆焊的管板進(jìn)行焊接，焊材應使用山特維克W25.22.2.LMn的TIG焊法或山特維克藥皮焊條，牌號E25.22.2.LMnB。
2.3 焊縫修復
許多舊式容器都曾用316L尿素級材料做內襯，投入使用多年后必須對其進(jìn)行焊縫修復或替換部分襯里。焊接多在原處操作，所以最廣泛使用的焊法是手工焊。針對316L尿素級或2RE69型材料的內襯，我們推薦山特維克E25.22.2.LMnB牌號的藥皮焊條。這種基本型焊條適用于各種位置的焊接。由于合金含量較高，它還適合用來(lái)焊接母材和其內襯。
3 優(yōu)質(zhì)不銹鋼應用于尿素工業(yè)的成功經(jīng)驗
自1972年起，山特維克鋼材公司向世界各地為數甚巨的汽提塔、分解器和冷凝器的制造提供了2RE69的管材。Stamicarbon和Snamprogetti 公司都指定將用它制造冷凝器。
眾所周知，尿素設備的工作條件是相當惡劣的。只有正確地選擇材料并恰當地控制工藝才能夠取得較長(cháng)的工作壽命。70年代早期，首次完整的設備安裝就是采用了2RE69。約二十年后的今天，2RE69在休伊試驗中的低腐蝕速率與實(shí)際工作壽命都是首屈一指的。有些設備甚至令人不可思議地運行了二十多年。2RE69從熔煉到出成品管的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程都在嚴密控制之下，這已被證明是其優(yōu)良品質(zhì)和長(cháng)久工作壽命的根本原因。