淺談煤化工設(shè)備設(shè)計材料的選擇

郭桂榮（浙江金氟隆化工裝備有限公司，浙江 金華 321000）

受某工程公司委托設(shè)計一臺粗煤氣冷卻器，原該公司氣化爐工藝粗煤氣冷卻方式為水洗冷卻，洗滌水中含有大量的有機物及懸浮物，有惡臭氣味，由于洗滌水存在污染隱患，國家環(huán)保部門禁止該公司采用水洗方式冷卻，目前，該公司經(jīng)過工藝計算，采用三段換熱器間歇方式冷卻，但粗煤氣的組成和性質(zhì)復(fù)雜，換熱器操作條件苛刻，需要對設(shè)備材質(zhì)進行評審論證。

1 結(jié)構(gòu)和流程分析

此換熱器共分三段，每段換熱器之間通過管箱連接，E1段換熱器進口煤氣溫度為350℃，保證換熱器出口不產(chǎn)生凝液，E2段換熱器出口溫度為260℃，E3段換熱器出口溫度為230℃，因為煤氣中含有少量細灰及多種有機物，容易堵塞換熱管，在E2，E3換熱器增加了清洗裝置，結(jié)構(gòu)簡圖如右圖1所示：

其中，進口流量：40000-45000Nm2/h，煤氣壓力：≤0.9-1.5MPa，換熱器阻力降：≤0.4MPa，煤氣中含塵量：≥30mg/Nm3，粉塵粒度：0.2-0.5微米。出口煤氣溫差：≤20℃，冷卻介質(zhì)為循環(huán)冷卻水。粗煤氣的組成如表1所示。

2 介質(zhì)特性分析

根據(jù)粗煤氣的組成，可對其中主要介質(zhì)特性進行如下分析：

2.1 酸性水腐蝕（酸式酸性水）:含有硫化氫且pH值介于4.5和7.0之間的酸性水引起的金屬腐蝕，介質(zhì)中有可能含有二氧化碳。碳鋼的酸性水腐蝕一般為均勻減薄，有氧存在時易發(fā)生局部腐蝕，形成沉積垢時可能發(fā)生垢下局部侵蝕，含CO2的環(huán)境可能伴有碳酸鹽應(yīng)力腐蝕；對奧氏體不銹鋼易發(fā)生點蝕、縫隙腐蝕，有時伴有氯化物應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生。

2.2 二氧化碳腐蝕:金屬在潮濕的二氧化碳環(huán)境（碳酸）中遭受的腐蝕。腐蝕多發(fā)生于氣液相界面和液相系統(tǒng)內(nèi)，以及可能產(chǎn)生冷凝液的氣相系統(tǒng)冷凝液部位；腐蝕區(qū)域壁厚局部減薄，可能形成蝕坑或蝕孔；介質(zhì)流動沖刷或沖擊作用的部位可能形成腐蝕溝槽，典型腐蝕部位為焊縫根部。

2.3 碳酸鹽應(yīng)力腐蝕開裂:在碳酸鹽溶液和拉應(yīng)力共同作用下，碳鋼和低合金鋼焊接接頭附近發(fā)生的表面開裂，是應(yīng)力腐蝕開裂的另一種特殊情況。碳酸鹽應(yīng)力腐蝕開裂常見于焊接接頭附近的母材，裂紋平行于焊縫擴展，有時也發(fā)生在焊縫金屬和熱影響區(qū)；易在焊接接頭的缺陷位置形成開裂，裂紋細小并呈蜘蛛網(wǎng)狀，裂紋主要為沿晶型，裂紋間隙內(nèi)多充滿腐蝕產(chǎn)物。

2.4 氫腐蝕：氫原子或氫離子擴散進入鋼中，會在晶界附近的微隙中結(jié)合成氫分子，并部分與碳或碳化物反應(yīng)生成甲烷，該反應(yīng)向生成甲烷方向是單方向進行，在縫隙中生成的氫分子和甲烷體積不斷增大，不再超過溶解度為止?？p隙中聚集了很多的氫分子和甲烷分子，會產(chǎn)生數(shù)千兆帕的局部高壓，使縫隙壁承受很大的應(yīng)力。如果這些縫隙靠近金屬表面就會形成表面鼓泡，而在鋼材內(nèi)部的更多縫隙則會發(fā)展成為裂紋，嚴重降低鋼材的力學(xué)性能，氫對鋼的這種損傷叫氫腐蝕。對碳鋼而言，當(dāng)與介質(zhì)接觸的氫分壓較高，介質(zhì)的溫度高于200℃，氫原子或離子進入縫隙，與碳或碳化物反應(yīng)生成甲烷，隙壁的碳含量即相應(yīng)下降，造成鋼材的脫碳，這種想象叫內(nèi)部脫碳。當(dāng)介質(zhì)中的氫分壓較低而介質(zhì)的溫度相對較高時，氫滲入鋼中的速度較慢，而鋼中碳的擴散速度較快，碳與氫生成甲烷的反應(yīng)只在鋼材表面進行，生成的甲烷可隨時逸去，這時鋼材的脫碳叫表面脫碳。表面脫碳可降低脫碳層的含碳量，因而降低鋼材的強度，當(dāng)介質(zhì)中含有水蒸汽時會加速表面脫碳的進程。

2.5 濕硫化氫破壞:在含水和硫化氫環(huán)境中碳鋼和低合金鋼所發(fā)生的損傷過程，包括氫鼓泡、氫致開裂、應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂和硫化物應(yīng)力腐蝕開裂四種形式。

2.5.1 氫鼓泡：金屬表面硫化物腐蝕產(chǎn)生的氫原子擴散進入鋼中，并在鋼中的不連續(xù)處（如夾雜物、裂隙等）聚集并結(jié)合生成氫分子，造成氫分壓升高并引起局部受壓，發(fā)生變形而形成鼓泡。

2.5.2 氫致開裂：在材料內(nèi)部不同深度形成氫鼓泡時，當(dāng)相臨的鼓泡會連接在一起，形成的臺階狀開裂為氫致開裂。

2.5.3 應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂：在焊接殘余應(yīng)力或其他應(yīng)力作用下，氫致開裂沿厚度方向不斷連通并形成最終暴露于表面的開裂。

2.5.4 硫化物應(yīng)力腐蝕開裂：由于金屬表面硫化物腐蝕過程中產(chǎn)生的原子氫吸附造成的一種氫應(yīng)力開裂。

表1 ：粗煤氣的組成

3 材料的選擇

壓力容器設(shè)計中，涉及的往往不僅僅是單一介質(zhì)，還常常含有H2、CO2、H2S、NH3、NO2以及Cl2等雜質(zhì)，不同的介質(zhì)會產(chǎn)生不同的腐蝕環(huán)境，對設(shè)備材料的選擇影響很大。根據(jù)上述介質(zhì)特性分析，并參考《腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊》，應(yīng)對上述介質(zhì)存在的腐蝕特性進行綜合考慮，并結(jié)合SH/T3075-2009《石油化工鋼制壓力容器材料選用規(guī)范》附錄C以及硫化氫腐蝕曲線，最終評審論證確定該設(shè)備材料選用奧氏體不銹鋼S32168材料既能滿足要求，目前該設(shè)備已經(jīng)正常運行3年，無任何質(zhì)量問題出現(xiàn)。

4 結(jié)語

綜上所述，對粗煤氣化冷卻器材料的選擇，會因介質(zhì)及其設(shè)計工況的不同而有所差別，不僅要考慮工藝條件中的壓力、溫度，還要考慮介質(zhì)的腐蝕性，并綜合考慮材料的強度、剛度、抗腐蝕性等。本文為工程技術(shù)人員在設(shè)計選用和工程應(yīng)用方面提供了參考。

[1]SH/T3075-2009《石油化工鋼制壓力容器材料選用規(guī)范》[S].

[2]左景伊左禹.《腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊》[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995.