不銹鋼材料在大型尿素裝置中的應(yīng)用

王　群

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢　430223)

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不銹鋼材料在大型尿素裝置中的應(yīng)用

王群

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢430223)

摘要：闡述了大型尿素裝置的腐蝕問題與防腐措施，介紹了不銹鋼材料在大型尿素裝置中的應(yīng)用，對新型不銹鋼材料的推廣應(yīng)用進行了展望。

關(guān)鍵詞：尿素裝置；腐蝕；防腐措施；不銹鋼

1大型尿素裝置的腐蝕

1.1腐蝕原因

尿素設(shè)備腐蝕的原因比較復(fù)雜，主要有以下幾點。

(1)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，使某些部位氣體和液體分布不均勻，造成局部溫度過高或缺氧而加劇腐蝕。

(2)選材不當或用錯鋼材、襯里或焊接材料。

(3)制造加工和焊接工藝條件控制不當，焊接質(zhì)量差，出現(xiàn)弧坑、飛濺和裂紋等缺陷。

(4)檢驗水平低，制造中遺留的缺陷沒有被發(fā)現(xiàn)或沒有進行處理。

(5)工藝操作指標控制不嚴，偏離最佳操作范圍，沒有遵守操作規(guī)程，發(fā)生超溫、超壓等現(xiàn)象；開、停車次數(shù)過多，封塔時間過長。

(6)無科學(xué)的檢修方法，在用材和檢修工藝上有缺陷，檢修質(zhì)量差。

1.2防腐措施

1.2.1合理設(shè)計設(shè)備的結(jié)構(gòu)

(1)設(shè)計設(shè)備結(jié)構(gòu)時，應(yīng)避免在設(shè)備內(nèi)部形成死角和滯流區(qū)。

(2)避免產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)，減少疲勞載荷。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，應(yīng)盡可能使接管焊縫免受或少受外力的影響，當接管承受較大的外力、外力矩或振動載荷時，應(yīng)采取適當?shù)拇胧┯枰詼p輕，以避免與腐蝕介質(zhì)接觸的焊縫受到上述因素帶來的附加不利影響；對于彎管以及其他彎制構(gòu)件，在條件允許時，應(yīng)盡量采用大彎曲半徑；當接觸介質(zhì)有應(yīng)力腐蝕時，不銹鋼應(yīng)進行固溶熱處理。

(3)內(nèi)件連接應(yīng)盡量采用焊接結(jié)構(gòu)，要求全焊透，條件允許時應(yīng)盡量采用雙面焊。當必須采用螺栓連接時，可選擇耐腐蝕性能更好的材料(如25-22-2型不銹鋼、鈦或鈦合金、雙相不銹鋼)制作緊固件或采取適當結(jié)構(gòu)將螺紋連接面包覆起來，避免與腐蝕介質(zhì)直接接觸。

(4)盡量不采用會造成施焊和檢驗困難的結(jié)構(gòu)。

(5)應(yīng)防止可能引起沖刷、磨損和縫隙腐蝕、電偶腐蝕的結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)考慮能及時流暢地排放冷凝液的設(shè)計。對流速較大、流動狀態(tài)較復(fù)雜的部位，應(yīng)采用耐沖刷的材料(如25-22-2型不銹鋼)做成可拆式保護套筒或防護板，保護和隔離耐沖刷腐蝕性能較差的材料。對由于工藝氣液反應(yīng)形成的表面嚴重紊亂而加速腐蝕的部位(如汽提管上部)，則需通過控制加熱蒸汽壓力的方法，以降低管子內(nèi)壁的腐蝕加速程度，或選用更高一級的材料(如不銹鋼+鋯的雙金屬管或Safurex)。

(6)采用合理的設(shè)計結(jié)構(gòu)，消除產(chǎn)生縫隙腐蝕的形成條件。根據(jù)Stamicarbon的經(jīng)驗，當結(jié)構(gòu)空間的深度和寬度之比<10時，就能保證縫隙與介質(zhì)接觸的金屬得到充足的氧。為此，在條件允許時人孔應(yīng)盡量選擇敞開式密封。對其他存在積液的環(huán)隙，也應(yīng)盡量將其寬度尺寸設(shè)計得大一些。

(7)設(shè)備和管道的壁厚要留有足夠的腐蝕裕量。

1.2.2選擇適宜的耐蝕鋼材

(1)尿素高壓設(shè)備中與腐蝕介質(zhì)接觸的材料應(yīng)選用專利工藝包規(guī)定的尿素級材料(如316Lmod，X2CrNiMo25-22-2或雙相不銹鋼)，嚴格遵守尿素用材專用技術(shù)規(guī)格書和檢驗、試驗標準，對材料的冶煉、軋制和熱處理等過程嚴格按相關(guān)標準加以控制，確保金相組織分布均勻；加強對材質(zhì)的驗收和管理，確保設(shè)備用材必須是按材料標準和工程標準檢驗合格，并經(jīng)固溶處理和酸洗后的合格產(chǎn)品。

(2)控制鐵素體的含量。通過控制母材和焊縫金屬的化學(xué)成分，確保焊后及熱處理后的母材和焊縫金屬中的鐵素體含量達到最小，不會形成網(wǎng)狀鐵素體組織。

(3)提高鋼材的含鉻量，降低碳含量，如選25-22-2型母材或采用25-22-2型焊接材料，可提高焊縫金屬的抗腐蝕能力。

(4)采用鐵素體相對穩(wěn)定的雙相不銹鋼材料和焊條。

(5)汽提管和分布管等換熱管，應(yīng)逐根進行渦流探傷和超聲波檢查。

2尿素生產(chǎn)常用不銹鋼材料

針對尿素生產(chǎn)裝置的腐蝕問題，作為大型尿素裝置全面腐蝕控制的重要一環(huán)，選擇耐蝕金屬材料和對材料的耐腐蝕性提出更高的要求，成為尿素工業(yè)發(fā)展過程中的重要課題。

大型尿素生產(chǎn)裝置所用耐蝕金屬材料，主要按照設(shè)備用途、功能和接觸介質(zhì)的種類、成分、濃度、工作溫度和壓力及腐蝕性，選擇適宜的耐蝕鋼材，主要有碳鋼、鎳鉻鉬不銹鋼、雙相不銹鋼、鈦材和鋯材等。由于不銹鋼具有良好的機械性能和耐蝕性能及較長的使用壽命，在大型尿素裝置中得到了較為廣泛和充分的應(yīng)用。

2.1尿素裝置部分非標設(shè)備用不銹鋼

大型尿素裝置生產(chǎn)的方法有多種，各種生產(chǎn)方法選用的耐蝕金屬材料大體相似，但不同的工藝又有各自的特點。下面以內(nèi)蒙古某50-80化肥項目采用荷蘭Stamicarbon CO2汽提法工藝生產(chǎn)尿素裝置為例，介紹部分非標設(shè)備用不銹鋼。CO2汽提法工藝尿素裝置部分非標設(shè)備用不銹鋼見表1。

表1　CO2汽提法工藝尿素裝置部分非標設(shè)備用不銹鋼

續(xù)表

2.2鎳鉻和鎳鉻鉬不銹鋼的應(yīng)用

從表1可知，尿液、甲銨液是一種較強的腐蝕性介質(zhì)，與之接觸的中低壓設(shè)備、內(nèi)件，一般選用有良好耐蝕性能的鎳鉻、耐酸不銹鋼和鎳鉻鉬不銹鋼，如304L(022Cr19Ni10)、304(06Cr19Ni10)、316L(022Cr17Ni12Mo2)。

為改善不銹鋼的耐蝕性，提高抗晶間腐蝕能力，介質(zhì)為尿液的一段蒸發(fā)器、二段蒸發(fā)器、一段蒸發(fā)分離器、二段蒸發(fā)分離器、尿液貯槽等設(shè)備多采用超低碳不銹鋼304L。

鎳鉻鉬不銹鋼用于與腐蝕性較強的甲銨液接觸的設(shè)備，如低壓甲銨冷凝器、低壓甲銨冷凝器液位槽等。尿素裝置的腐蝕主要是高溫、高壓下甲銨液的腐蝕，高溫、高壓下的甲銨液是一種強腐蝕性介質(zhì)，而危害最大、最主要的腐蝕為晶間腐蝕。因此，與高溫高壓下甲銨液接觸的設(shè)備應(yīng)選用有優(yōu)良抗晶間腐蝕性能的鎳鉻鉬超低碳不銹鋼，如316L(022Cr17Ni12Mo2)、317L(022Cr19Ni13Mo3)。如果耐蝕性能要求更高，則應(yīng)采用25-22-2(00Cr25Ni22Mo2N)。

尿素級316Lmod是大型尿素生產(chǎn)裝置普遍使用的耐蝕結(jié)構(gòu)材料和襯里材料，在正常的維護操作條件下，尿素級316Lmod合成塔(R201)襯里腐蝕速率均在0.1mm/a以下，如果防腐蝕工作做得好，其腐蝕速率可控制在0.05mm/a以下。

CO2汽提塔(E201)介質(zhì)由于氨碳摩爾比低，氧含量也較低，特別是汽提管中容易局部超溫、操作不穩(wěn)定時，管內(nèi)介質(zhì)中的氧含量降得更低，在這種環(huán)境下，316L容易產(chǎn)生晶間腐蝕和選擇性腐蝕。所以汽提塔4 065根φ31 mm×3 mm×6 000 mm的汽提管及其上段升汽管必須考慮特殊材料。長期以來，國內(nèi)尿素裝置普遍選用25-22-2材料，含鉻量約提高到25%，耐腐蝕性可顯著提高，同時加工制造比較簡單，可以滿足CO2汽提塔汽提管使用條件下的要求。

上世紀90年代，Snamprogetti公司推出一項在汽提塔中采用襯鋯雙金屬換熱管的新設(shè)計，并應(yīng)用于其氨汽提尿素生產(chǎn)工藝中，取代了過去一直使用的鈦合金管。鈦合金管雖然抗腐蝕性能良好，但其內(nèi)管壁不耐局部沖刷侵蝕，會導(dǎo)致汽提塔使用壽命縮短，而襯鋯雙金屬管中鋯合金的抗腐蝕和抗沖刷性能均明顯優(yōu)于鈦合金，其外層材質(zhì)為25Cr-22Ni-2Mo(Sandvik 2RE69)，要求最小厚度在2 mm以上；內(nèi)層材質(zhì)為鋯合金(Sandvik Zr702)，最小厚度為0.7 mm。這種雙金屬管將兩部分通過機械作用復(fù)合而成，能確?；鶎犹峁┳銐虻膹姸群蛢?nèi)層管壁具有良好的導(dǎo)熱性能，增強抗腐蝕能力。

因雙金屬管的價格低于過去的鈦合金管，而且鋯的抗腐蝕性要優(yōu)于鈦，因此新設(shè)計既提高了抗腐蝕/侵蝕性能，又節(jié)省了制造費用。另外雙金屬管較之鈦合金管壁厚減薄，外徑減小，因而新型汽提塔結(jié)構(gòu)更為緊湊。

但近十年來，隨著工程材料技術(shù)的進步和發(fā)展，引進的Stamicarbon工藝專利包中的尿素4大高壓設(shè)備——汽提塔(E201)、高壓洗滌器(E203)、池式冷凝器(E205)、尿素合成塔(R201)中的耐蝕材料及換熱管已開始使用更高級別的新型高性能雙相不銹鋼Safurex材料，逐漸取代了 X2CrNiMoN 25-22-2。

2.3雙相不銹鋼的應(yīng)用

鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼，兼有鐵素體鋼和奧氏體鋼的特征。雙相不銹鋼在強腐蝕性的甲銨液中有著良好的耐蝕性能，在尿素用材中發(fā)展很快。

上世紀60年代荷蘭Stamicarbon公司就將第1代的雙相鋼用于高壓甲銨泵基體、閥門和非焊接件。上世紀70年代雙相鋼的研究取得了突破性進展。上世紀80年代雙相鋼已用在DSM的大型尿素裝置上，在130 ℃條件下，對含微量氧或不含氧的甲銨液，雙相鋼已替代了鈦材和高鎳合金，并取得了良好的效果。1993年10月，世界上第1個全部用雙相鋼(列管和管板堆焊層)，并由雙相鋼焊接的高壓甲銨冷凝器和高壓洗滌器已用于尿素裝置。

上世紀90年代荷蘭Stamicarbon公司與瑞典Sandvik公司共同合作研發(fā)了一種用于Stamicarbon工藝的尿素裝置新型高性能雙相不銹鋼——Safurex。Safurex屬于高鉻氮低鎳鋼種，是雙相鋼的重大突破，Safurex的抗腐蝕性極其優(yōu)良(包括焊接和熱影響區(qū))，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，降低材料成本，節(jié)約費用。由于Safurex材質(zhì)卓越的機械特性和改良的加工性能(如焊接)，其使用消除了尿素裝置中可能產(chǎn)生的任何已知活性的腐蝕。應(yīng)用于高壓段，該材質(zhì)勝過先前使用過的所有材料和貴金屬，如鈦和鋯。

除了在酸性環(huán)境中具有良好的抗一般腐蝕能力外，雙相鋼還有很強的抗點蝕及應(yīng)力腐蝕裂紋的能力。這兩種腐蝕都是由氯的存在而引起。Stamicarbon專有設(shè)備池式冷凝器冷凝管上管端里側(cè)的腐蝕就是因為制造時管孔和管子外壁表面清理不干凈，使附著在表面的Cl-殘留下來，或在殼程水壓試驗時Cl-含量超標，過量的氯離子濃縮富集在管子與管孔的夾縫中，這些帶入殘留的氯離子在高溫條件下對不銹鋼產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕，導(dǎo)致開裂或孔蝕，316L和2RE69都不能解決這種腐蝕，而Safurex抗腐蝕性超強，具有對氯離子不敏感的特性，只要氯離子的濃度≤200 mg/m3，就不會產(chǎn)生任何影響。在正常的尿素生產(chǎn)環(huán)境中，基本沒有可能達到如此高的氯離子濃度。因而，我們可以確信，由于Safurex的應(yīng)用，長期困擾我們的因氯離子導(dǎo)致的設(shè)備材料應(yīng)力腐蝕裂紋的問題得到了徹底消除。

Safurex可以實現(xiàn)一個幾乎免維護的尿素裝置，與其他任何商用尿素裝置相比，其壽命顯著延長。

3結(jié)語

尿素生產(chǎn)發(fā)展及完善的過程，實際上就是人們在工程實踐中不斷研究尿素生產(chǎn)系統(tǒng)腐蝕機理和耐蝕金屬材料的過程，是耐蝕金屬材料發(fā)展的過程。隨著尿素裝置規(guī)模的不斷擴大，伴隨著科技的不斷更新、進步，相信今后會有抗腐蝕性能更好、強度更高、價格更低廉的新型材料被開發(fā)研究出來，并用于大型尿素工程裝置。

修改稿日期： 2015-08-21

Application of Stainless Steel Materials in Large Urea Plants

WANG Qun

(WuhuanEngineeringCo.,Ltd.,WuhanHubei430223China)

Abstract：This paper expounds the corrosion issues and anticorrosion measures of large urea plants and introduces the application of stainless steel materials in large urea plants and looks into the application promotion of new stainless steel materials.

Keywords：urea plant; corrosion; anticorrosion measure; stainless steel

作者簡介：王群(1967年-)，男，江蘇南京人，1989年畢業(yè)于武漢化工學(xué)院化工設(shè)備與機械專業(yè)，高級工程師，長期從事化工設(shè)備及壓力容器的設(shè)計工作。

中圖分類號：TQ 050.4

文獻標識碼：B

文章編號：1004-8901(2016)01-0029-04

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.007 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.007