渗铝钢管束应用的可靠性分析及研制.doc

渗铝钢管束应用的可靠性分析及研制王红 姜广虹王佩文(山东齐鲁石油化工工程公司,淄博255400)(山东齐鲁石化建设有限公司,淄溥255400)摘要:针对渗铝钢在含硫介质中应用的可靠性进行试验分析论证, 并对渗铝钢管束制造中所存在的难点进行研究, 确定了其制造工艺。1 前言随着我国经济高速持续发展, 国家对国际原油市场的依赖度在不断增加; 炼油企业大量掺炼进口高硫原油, 使得生产过程产生大量硫化物, 如: SO2 、SO3 、H2S 和有机硫等; 这些腐蚀介质的产生, 加上炼油工艺的高温条件,加速了对设备材料的腐蚀,使其使用寿命大大缩短; 特别是装置中所应用的管壳式换热器,有的仅使用几个月就因腐蚀报废,极大地提高了生产成本。对于换热器来说, 其他元件可以预留大的腐蚀余量来保证其使用寿命。而对于换热管来说, 受管子流通面积、管内流量和换热效率等的影响以及制造等许多因素的制约, 其壁厚一般选为24mm,通常情况下是不考虑腐蚀余量的。而且换热管同时接触两侧介质, 比换热器其他元件所处的腐蚀环境更为恶劣, 管壁极易被腐蚀穿透。当然, 人们可以通过选用一些耐腐蚀的、价格昂贵的高合金材料来保证其使用寿命, 但却使设备投资成倍增加。渗铝工艺和碳钢渗铝管的研发成功为此开辟了新的天地。渗铝钢不仅具有耐高温硫化物腐蚀和优良的耐磨性能,而且价格便宜(仅为18 - 8 不锈钢的1/ 3 左右) , 这些优点展现了它在炼化企业的广阔应用前景。但是, 由于人们对渗铝钢各种性能的认识不足,尤其是其焊接制造工艺不成熟, 制约着渗铝钢的推广应用。笔者通过大量试验和生产实践对渗铝钢的加工特性进行研究、分析,掌握了渗铝钢换热器的制造技术。2 渗铝钢的基本特性2. 1 渗铝钢耐蚀性渗铝钢是指普通碳钢经特殊的处理工艺, 在钢材表面生成一层铝- 铁合金。目前我国的渗铝技术常用的有热浸法和固体法(粉末法) 两种。渗铝层厚度热浸法可达0. 1mm以上, 固体法可达0. 05mm以上。经过渗铝处理后的碳钢渗铝层含铝量在50 %以上, 是FemAln 化合物; 在渗铝层表面为尖晶石型无空位点阵氧化物Al2O3 FeO 保护膜。由于这种保护膜致密性好, 且在腐蚀介质中的抗溶解能力高, 所以具有极强的保护能力, 使渗铝钢具有良好的耐蚀能力。渗铝钢的金相组织见图1 ,说明渗铝层是Fe - Al化合物。图1 渗铝钢金相组织150 为考证渗铝钢在硫化物中的耐腐蚀性能, 笔者用经渗铝后的10# 钢进行了实验室试验,所得的数据列于表1。表1 渗铝10# 钢在硫化物中的耐腐蚀性能(100h) mm/ a温度400500600700800SO2/O2=3/70.0020.0160.0250.0330.096SO3/O2=2/50.0030.0630.1630.2390.388表1中所列数据是在SO2 和O2 比例为3/ 7, SO3和O2 比例为2/ 5 的情况进行的试验, 在100 小时下用失重法所得的试验值。根据文 2介绍,渗铝钢在炼油装置中不同温度和浓度下的含H2S 介质中进行挂片试验, 测得的腐蚀速率在0. 070. 003mm/ a 之间。2. 2 渗铝钢的导热性能碳钢经渗铝后导热系数的变化如何将直接影响换热效果,激光热导仪测定的结果:10mm圆形试件在593 时, 渗铝前0. 069cm2 / s , 渗铝后为0. 0678cm2 / s ,说明渗铝钢与原钢材的导热系数相近,渗铝后不影响导热性。从实验室和现场挂片数据看,在500 以下渗铝钢有着优良的耐腐蚀品质。在两种实验场合下,经渗铝处理后的碳钢, 其腐蚀速率在0. 0070. 03mm/ a之间, 而相同环境下碳钢则为0. 30. 6mm/ a , 两者相差2040 倍, 且渗铝钢腐蚀速率的最大值仅为0. 03mm/ a ,腐蚀极微。另外从实测的导热性来看,渗铝钢的导热性能与原钢材的导热系数非常相近, 渗铝后不影响导热性。2. 3 经渗铝处理后10# 钢管的机械性能前面的实验数据已经验证了经渗铝处理后碳钢在抗腐蚀能力上和传热效率上完全可以满足换热器的使用要求, 但人们还普遍关心经渗铝处理后其材料机械性能如何?会发生什么样的变化?为此笔者从同炉号、同批号、同一轧制工艺按GB8163 - 87 标准生产的10# 冷拔管(25 2. 5) 中抽取若干试样, 一部分试件经950980 温度下固体渗铝处理, 其余的试件作为对比件进行试验比较分析,其结果如下。(1) 拉伸试验数据表2 拉伸试验数据试验号渗铝管非渗铝管sMPabMPa%sMPabMPa%1283.1356.737.2254.7393.535.22254.7359.540.260.4412.738.73255.9358.937.9271.7382.740.54260.4352.731.55259.3355.537.26259.3356.737.1平均值262.1356.737.3262.3393.638.1GB8163值20533541524%20533541524%六件渗铝管试件和三件非渗铝管钢试件按GB228- 87标准进行试验, 结果见表2, 数据均能满足GB8163- 87的要求。(2) 扩口试验按GB242 - 82 渗铝管做了四组试验, 每组进行不同的扩口率, 每组试件三个, 非渗铝管做了一组三个试件结果见表3。表3 扩口试验数据渗铝管非渗铝管扩口至25.75扩口至26扩口至26.25扩口至27扩口至26.25试件1无裂纹无裂纹无裂纹无裂纹无裂纹试件2无裂纹无裂纹无裂纹无裂纹无裂纹试件3无裂纹无裂纹无裂纹无裂纹无裂纹( 3) 压扁试验根据GB246- 82,当管外径D= 25, S= 2. 5时,经计算压板距离为H= 15, ,渗铝管六件试样,非渗铝管三件试样经压扁至H= 15mm时,均未发现裂纹。上述试验表明: 渗铝管力学性能得到一定的改善, 尤其是b 变得更加稳定, 这主要是渗铝工艺相当于对材料进行了正火处理, 改善了材料组织、细化了晶粒的结果。另外, 渗铝层中具有的Fe2Al5 相, 有较高的显微硬度,可达HRC60 左右,使渗铝钢具有较高的耐磨性和抗冲刷腐蚀能力。试验验证, 10# 钢管经渗铝处理后, 无论是其耐腐蚀性能、传热性能还是机械性能都满足制作加工高硫原油换热设备的要求, 然而, 由于其焊接技术一直困绕着人们,制约了其广泛应用。3 渗铝管的焊接渗铝管其可焊性如何及焊接接头的有关性能能否满足可靠性的要求, 是渗铝管能否用于制造管壳换热器的关键。3. 1 焊接材料的选择如前所述, 渗铝管耐腐蚀性能之所以好, 主要是在其表面形成了一层铁铝合金, 因此渗铝管所用焊材既要保证焊缝和熔合线与渗铝层具有匹配的抗蚀性能, 又要保证熔合线和热影响区的渗铝层不受损伤。从与渗铝层的抗蚀性相匹配来考虑,焊材可选择含Al 钢或Cr - Mo 钢。对于前者,由于渗铝层含铝量高达50 %以上,需采用含铝量高的焊接材料,但铝在焊接时电弧所引起高温下对氧的亲和力比别的元素都强很多, 因此焊接过程中铝会被强烈氧化, 使焊缝性能变差。即便是氩弧焊条件下, 铝不易氧化, 但会促使焊缝的铁素体组织粗大而变脆, 因此焊缝性能仍不能满足耐蚀的要求。而当焊材与母材的化学成分不同时, 由于母材中Al 的作用, 焊后在近缝区形成脱碳层,俗称“铁素体带”,使此处的塑性和韧性很差,室温下具有较高的缺口敏感性。它是整个焊接接头的薄弱环节,也是焊接渗铝钢的主要问题3 。要解决这个问题, 既要考虑母材和焊材化学成分的影响,又要考虑其晶体结构的影响。经多次试验分析, 我们选用了日本产AWS A5标准的Cr - Mo 钢焊丝和国产Cr - Mo 钢焊丝, 并改进了焊接工艺,从而解决了渗铝钢焊接问题,并可实施异种钢焊接, 可焊性好, 易于操作, 而所选焊材的耐蚀性能也能与渗铝钢相匹配。3. 2 渗铝管与管板的焊接工艺参数确定渗铝管与管板的连接一般都不采用胀管的办法,而是采用焊接连接,主要是为了保护渗铝层不受机械损伤, 保证其良好的耐腐蚀性, 因此应按照GB151 - 1999 附录B“换热管与管板接头的焊接工艺评定”的要求进行焊接工艺评定, 确定焊接工艺参数,焊接接头形式如图2 示。选用日本产AWS A5 标准的焊丝经焊接工艺评定,选定了焊接参数。这些参数在焊接技术指导书中已详细列出,在此不再赘述。图2 换热管与管板焊接接头形式图3 焊缝金相组织4 焊接接头性能检验4. 1 无损检测和金相组织分析按GB151 - 1999 附录B 规定, 对渗铝管与管板的焊缝进行着色检测, 符合JB4730 - 94 规定的级。宏观检查: 沿评定用管中心线剖开两个焊接接头, 对四个剖面的八个观察面用10 倍的放大镜进行宏观检查均未发现裂纹、未融合等缺陷, 角焊缝的H值大于3. 5mm。金相检验: 经对试件切面进行金相分析, 焊缝、熔合线、渗铝层和基体金属溶合连续, 而且整个焊缝在焊接后的结晶组织都没有发生改变, 见图3、图4、图5 的金相组织照片。图4 相变区金相组织350 图5 过热区金相组织350 4. 2 拉脱力从上述焊接工艺评定用焊接试板中, 按图6 所示尺寸切割六件评定用管试件, 进行拉力试验, 数据见表5 , 均断于母材, 这说明焊缝金属材料强度高于管材的强度, 即使按实验所得数据最小值计算, 其许用拉脱力 q = / 2 = 57. 4MPa , 也不小于GB151 - 1999规定的值。表5 拉脱力试件123456bMPa356.7354.9360.1357.8357.8344.8b/n118.9118.3120119.3119.3114.94. 3 对接接头强度按试验确定的焊接工艺参数, 取252. 5渗铝管进行对接焊接。选用AWS A5标准Cr - Mo 钢焊条,对接接头不开坡口, 手工氩气保护焊, 外部焊逢不留加强高, 共做五个试件。经RT检验, 全部符合JB4730- 94规定的级; 拉断试验数据见表6, 均断于母材,为塑性断裂。b 值满足GB8163- 84 规定下限值335MPa。金相分析, 焊缝处金相组织与图3、图4、图5相同。表6 焊缝抗拉强度试件12345bMPa360.6358.3357.8362.3359.7图6 拉脱力试件由上述的检验可以看出: 渗铝管采用的焊材和焊接工艺满足要求。另经现场挂片试验焊缝的抗腐蚀能力和渗铝钢基本相同。曾采用上述技术为齐鲁公司二化、济南炼油厂、广州石化公司等多家单位的渗铝钢管束换热器制造作技术指导工作, 制造了十余台换热器, 均能满足使用要求, 使用寿命都不同程度的