NACE炼厂腐蚀教材第十五章-中文

1、炼厂用的结构材料Materials of Con structi on for Refinery Applicati onsPage 15:56 第十五章炼厂用的结构材料 学习目的 完成本章学习后，你将能够做到： ?讨论腐蚀工程师在材料选择过程中的作用 ?识别和讨论在材料选择过程中恰当确定问题性质所需要的资 料和行动 ?对几种可能的材料选择方案进行投资回报分析 ?对考虑选择的材料计算腐蚀速率、腐蚀余量、需要的壁厚 ?识别影响设备使用寿命的各种因素 ?识别和讨论在腐蚀性环境中规定工艺设备结构材料的三大主 要类型 ?讨论国家标准对设计师的重要性 ?识别设计师在编制技术规范时应当强调的领域 ?识别设

2、计师通过质量保证计划应当强调的领域 ?识别金属的几种机械性能、化学性能和物理性能，使它们适 合炼厂应用 ?识别在炼厂设备中采用的炼厂用钢和其他金属与合金 ?讨论镇静钢在防止腐蚀方面的意义 ?比较常用合金元素对钢的影响以及它们的主要功能 ?识别和讨论炼厂防腐时采用的五类钢材 ?识别和讨论炼厂防腐时采用的四类铸铁 ?识别和讨论炼厂防腐时采用的四种其他金属和它们的合金 ?识别和讨论炼厂防腐时采用的三种非金属材料 ?确定热处理的定义并讨论热处理工艺，包括正火、退火、淬 火、消除应力、固溶体热处理和特种热处理 ?识别设计师在制定完整的热处理技术规程时应当包括的各种 参数 ?讨论质量控制程序，使设计师能够

3、制定验证热处理是否得当 的技术规程 ?比较和对比焊缝的预热处理和焊后热处理 ?识别与焊接有关的失效机理以及能够促进腐蚀的焊接内在特 性 ?比较和对比设计师规定的焊接工艺并讨论用于确保焊接质量 的方法和程序 腐蚀工程师的作用 在材料选择时，腐蚀工程师的作用非常重要。他的决定直接影 响着参与炼厂管道和设备的设计、制造、安装、维修的其他人员。 他的选择必须能够始终如一对以下五类问题提供令人满意的回答： 1. 材料的机械特性怎么样？如抗张强度、断裂韧性、延性、 疲劳强度、硬度、高温强度与低温强度、热导率、密度、熔 点等。 2. 对工艺环境和大气环境的耐腐蚀性能怎么样？ 3. 实用特性怎么样？如通过成型

4、、铸造、热处理和焊接等能 否成功地制造出规定的产品形状和生产能力如何？ 4. 现场安装和后续维修是否比较方便？ 5. 如预期设计寿命、可靠性和使用期成本（总的成本/使用期 年数）？ 与对上述大多数问题的预期回答不同，预测耐腐蚀性能既不准 确也不绝对可信，特别是新的工艺。在此，具备腐蚀工程实际经验 是十分宝贵的。腐蚀工程的最终措施包括： 1. 设备性能是否令人满意？ 2. 总成本是否优化？ 问题的确定 材料选择的第一步应当收集资料，确定存在什么问题。资料包 括以下这些： 1. 熟悉所考虑的有关工艺特征，如压力、温度、工艺流体的组 成，包括痕量组分。 2. 识别以前设计过的和现在操作中的非常相似的

5、工艺过程。 3. 识别和分析在这些操作系统中可能存在的材料问题。假如可 能，识别与这些材料问题有关的腐蚀机理。 4. 识别可以利用的技术支持的来源，包括公司内部的和外部的 专业工程师、行业协会、工程材料标准出版单位等。腐蚀工程 中可以利用的一个特定的技术支持来源是NACE出版的技术月 刊材料性能杂志。 还应对确定的问题提出具体解决办法： ?选择和审查针对预期问题的各种解决方案。 ?编制明确的行动计划和方案，对各种可以选择的解决方案进 行比较和评价。 评价各种可以选择的解决方案，应当比较以下各项： 1. 每种方案下，腐蚀的相对易发性 2. 方案如果失败，对人员和设备造成的安全后果 3. 能否得到

6、这样的材料，制造过程是否相对比较容易 4. 制造后热处理的要求 5. 操作的可靠性 6. 可维修性 最后一步包括对所考虑的每种可以选择的解决方案有关经济性 的计算。首先，仅仅材料成本很少能够满足各种方案的比较。成本 比较应当包括： ?总的材料费用 ?安装的人工费用 ?维修和计划外停工费用 ?更换费用 表15.1是进行这样评价的一个例子。 表15.1投资回报分析 费用类别 材料/解决方案A 材料/解决方案B 材料/解决方案C 安装费用（投资） $45,000 $65,000 $60,000 超过“ A ”的额外费用 $20,000 $15,000 预期寿命 4年 6年 10年 估计维修率 10%

7、 7% 5% 全年更换费用（安装费 用预期寿命） $11,250 $10,830 $6,000 全年维修费用（安装费 用x维修率） $4,500 $4,550 $3,000 全年总费用 $15,750 $15,380 $9,000 与“A”比较全年节省费 用 $370 $6,750 按50%计算节省税款 $185 $3,375 比“A”好的投资回报 （净节省金额额外费 用） 0.9% 22.5% 以上例子证明，当考虑到所有因素时，最终结果几乎与初始成 本没有关系。 但是，与此例子有关的一个困难是预期寿命的不确定性因素。 只有完美设计的装置和实验室试验才能够至少得出一定数量级估计 结果。 腐蚀破

8、坏 正如在第一章腐蚀和其他失效中讨论过的，总的说来，金属的 腐蚀是依照电化学概念发生的。按照这样的概念，整个腐蚀反应分 为阳极部分和阴极部分，这些反应是在金属表面上互不相连的点上 同时发生的。局部电池产生的电流从阳极区流向阴极区，局部电池 或者是在单一的金属表面形成的（因为局部表面上点与点之间存在 的差异），或者是在不同金属之间形成的。 非金属材料的退化变质基本上是个物理化学过程而不是电化学 过程。塑料和其他非金属材料的退化变质一般表现为溶胀、龟裂、 幵裂和软化等。其中有些材料在特定的环境中会迅速退化变质，而 另一些材料实际上并不受这样的环境影响。在有些条件下，非金属 材料会出现逐步退化变质的

9、现象。但是，很少只用重量损失来评价 非金属材料的耐化学性，而金属材料一般都是用重量损失来评价材 料的耐化学性。 在评价选择结构材料时，设计师必须考虑到正在设计的设备所 处的特定工艺条件下可能发生的腐蚀机理。均匀腐蚀是炼厂中最常 见的腐蚀形式。但是，在材料选择过程中，也必须考虑到那些失效 发生频率比较低的腐蚀形式。例如，数百次均匀腐蚀失效可能使装 置逐步发生泄漏，也许每次装置不必要停工就可以进行修补。相比 之下，即使只是一次灾难性的氢脆事故，整个装置可能必须马上停 工。 腐蚀试验方法 以下这些主要的腐蚀试验类型是按照可靠性从大到小的顺序排 列的： 1. 处于腐蚀性介质中的成套装置设备的实际操作经

10、验。 2. 在工业或中试装置条件下，小型装置的经验。 3. 现场取样试验。这些包括暴露在装置腐蚀性介质中的腐蚀挂 片、预应力样品和电阻探针。 4. 实验室对暴露在实际装置流体或模拟环境中的样品进行试 验。 显然，装置上的或现场的试验对选择能够适应特定环境的代用 材料是最有用的。通过这样的试验，也可以评价各种防腐方案的有 效性，如评价使用缓蚀剂的效果。 能够用一项叫做全浸泡试验的实验室试验，筛选具有抗化学腐 蚀性能的适用材料。 在NACE标准中有全浸泡试验的完整说明。附录U就是 NACE标准TM0169 （最新版）金属的实验室腐蚀试验（得克 萨斯州休斯顿NACE）o 根据试验结果能够识别腐蚀类型

11、，根据所得数据可以计算出腐 蚀速率。以下是计算腐蚀速率的方程： 失重量x 534 腐蚀速率二 面积x时间x金属密度 单位:失重量，mg ; 浸泡时间，小时； 浸泡金属面积，平方英寸； 金属密度，g/cm3 显然，应用这样方程计算出的腐蚀速率应该适合特定的试验类 型和观察到的腐蚀类型。假定计算出的腐蚀速率真实有效，就能够 用它计算出腐蚀余量，并得出所需要的壁厚。 示例: 考虑到机械性能： 壁厚=3/16英寸 腐蚀速率=15密耳/年 预期设备寿命=10年 总的腐蚀余量=0.015英寸（腐蚀速率每年） x 10年=0.15英寸 最终需要的壁厚 =0.15英寸+ 0.1875 = 0.3375英寸 规

12、定的壁厚=3/8英寸（0.3375英寸） 规定的厚度3/8英寸是可以采用的最接近的标准板材厚度。 材料选择方法 设计师工作的重要内容之一就是恰当选择结构材料，也是通常 需要着重强调的工作。但是，还需要考虑到以下所有影响设备寿命 的因素： ?结构材料的选择 ?设计细节 ?材料规范 ?制造和检验 ?工艺过程操作 ?维修（费用和频率） 这些因素对设备的使用寿命都有影响，所以，设计师总应考虑 到这些影响因素。例如，要有最好的设备或结构设计，必须从耐腐 蚀角度精心选择结构材料。 设计细节应当维护材料的耐腐蚀性能。应当给供应商提供简要 明确的书面技术规范，确保准确订购所需要的材料。设备应当恰当 制造并充分

13、检查，确认其符合技术规范。 在规定设计参数范围内，操作设备是有时被忽略的一个因素。 装置工艺条件可能改变，但没有充分考虑到工艺条件的改变会对结 构材料产生什么影响。设备也必须恰当维修保养。设计师必须考虑 到所有这些影响因素，确保设备达到预期寿命。当腐蚀失效发生 时，通常与结构材料选择不当有关。但是，在大量事例中，实际失 效事故是由许多其他因素造成的。 聘用专业顾问 许多大公司，特别是在炼油工业，都有专门的材料工程部门， 该部门训练有素的材料工程师直接与设计师在公司装置上协同工 作，努力降低因为腐蚀造成的费用损失。 材料工程师应当精通他们指定服务的装置的工艺过程，对相应 的腐蚀问题应当了如指掌，

14、能够为设计师提出的任何设计问题提供 咨询。设计师也必须具备基本的腐蚀常识，能够辨别出是否存在腐 蚀问题并向材料工程专家咨询。必须克服一个基本误区，即不要等 装置建造好后才考虑如何解决腐蚀问题，而应当在图板上设计工艺 阶段就充分考虑到将来可能发生的腐蚀问题。 许多小公司内部没有专业的材料工程部门。因此，在许多情况 下，设计师在选择结构材料时，需要依靠工程材料的供应商给予指 导。许多材料供应商可以提供他们制造的材料的有用信息，因为他 们曾经在特定产品上进行过许多腐蚀试验和机械性能试验。他们也 知道如何确保他们的产品在使用现场达到最佳性能。 但是，设计师在听取供应商的推荐意见时，应当格外谨慎。作 为

15、商人，供应商总是要 王婆卖瓜，自卖自夸 ”例如，油漆商希望 一切部件都涂刷油漆，而不锈钢供应商希望一切部件都采用不锈钢 制造。对这样的问题，为了避免设计师受到供应商宣传的误导，需 要建立一个评价不同方案的工作程序。这样，设计师无疑就能够在 不同方案中，例如油漆或不锈钢之间，做出较好的选择。 材料规范 炼油工业腐蚀控制Corrosion Co ntrol in the Refining In dustry NACE I nter natio nal, 1999 September 2006 为确保设计师能够真正获得他精心选择的材料，他必须给供应 商、制造厂或加工厂提供准确清楚的材料规范。假如定单

16、不够明 确，供应商可能提供错误的或者不合适的材料。 对腐蚀环境中使用的工艺设备的结构材料，一般要在以下三方 面做出具体规定： 1. 化学组成和机械特性 2. 制造方法和需要的热处理方法 3. 形状、尺寸公差、表面光洁度 就第一项化学组成和机械特性而言，许多图纸上只是笼统地标 注镇静钢”或炉膛质量钢板”，以此作为所需要钢材的完整的技术 规范。这样的规定等于在下达汽车定单时笼统地写上汽车”。这样 买主收到的也许是辆克尔维特，也许是辆凯迪拉克。镇静钢或者炉 膛质量钢可以是低碳钢、中碳钢或咼碳钢，是合金或者不是合金。 以下是规定化学组成和机械特性的重要性的一个事例，这是为 墨西哥一家美国公司订购和建造

17、的焊接塔。在一次暴风中，这些塔 断裂倒塌了。事故原因是建造塔时用中碳钢代替了原来想要采用的 低碳钢，焊缝发生了脆断。在焊接部位，焊接产生的热量使焊缝周 围部位温度升高，超过了这种钢材的临界温度下限，并且在空气中 发生急冷时，未回火部位变脆，在暴风的强力作用下，最终发生断 裂。调查表明，既没有给塔的制造厂提供适用的材料规范，制造厂 对实际要求也没有完全理解明白。设计师必须保证非常明确地表达 规定材料的所有要求，使所有有关方面和人员都明白无误。 就第二项制造方法和热处理而言，这也是很重要的。制造方 法，如焊接、钎焊、银焊、螺栓连接、铆钉连接、铸造、锻造等， 必须做出具体规定，因为这些制造方法会直接

18、影响所订购设备的耐 腐蚀性。热处理也是非常重要的，需要热处理时，应当做出仔细规 定。如果热处理不合适，能够对钢材的耐腐蚀性能以及强度和延性 等产生非常有害的影响。 就第三项形状、尺寸公差、表面光洁度而言，重要的是要确保 正确规定所有合适的尺寸。 技术规范应当包括所有尺寸的允许公差。就腐蚀而言，壁厚和 腐蚀余量也许是最重要的尺寸。但是，表面光洁度在某些失效机理 中也起着重要的作用，如疲劳幵裂和应力腐蚀幵裂。规定特定的表 面光洁度要求时，还应包括可以接受的表面光洁度的公差。例如， 假如奥氏体或含铬不锈钢设备的耐腐蚀性需要达到某种光洁度时， 应当做出更具体地规定，而不是仅仅要求光滑的或抛光的表面”。

19、 应当具体规定表面粗糙度尺寸和可以接受的公差。 国家标准 对设计师而言，确保他能够从制造厂得到按照防腐要求设计的 工艺设备的最好途径就是采用国家标准。国家标准实际上代表了制 造厂或供应商与客户之间就应当提供什么设备和能够提供什么设备 所达成的协议。这些标准不是一成不变的，因为需要对它们定期进 行审查，年复一年地进行修订、改进或者改变特定的标准格式。 国家标准对设计师是非常有价值的，因为它们： ?明确规定了工业上有的和任选的要求 ?为制定公司技术规范、图纸和定单提供了方便的参考 ?减少了误解，消除了认识上的分歧 ?代表一项生产标准，可以生产出更加统一的产品，减少产品 之间的差异，减少不必要的库存

20、，降低成本。 设计师可以利用的标准文献有数百种。表15.2列出在美国颁 布材料标准的一些组织机构。 表15.2美国颁布标准的组织机构 缩写 组织机构名称 AA Aluminum Association 铝行业协会 AISI American Iron and Steel Institute美国钢铁学会 ANSI American Natio nal Sta ndards In stitute美 国国豕标准学会 API America n Petroleum In stitute 美国石油学会 ASME America n Society of Mecha ni cal Engin eers美

21、国机械工程师学会 ASTM America n Society for Testi ng and Materials 美国材料试验学会 AWS American Weldi ng Society 美国焊接学会 AWWA American Water Works Association 美国水厂协会 CDA Copper Developme nt Association铜同业开发协会 CMA American Cast Metal Association 美国铸造金属协会 MTI Materials Tech no logy In stitute of the Process In dustri

22、e过程工业材料 技术学会 NACE NACE International美国国家腐蚀工程师学会 SAE Society of Automotive Engin eers 汽车工程师学会 TEMA Tubular Excha nger Manu facturers Association管 式换热器协会 许多政府部门也制定了相应的标准。例如，美国商务部编制的 许多标准通过美国国家标准和技术学会在工业界贯彻执行，还有美 国海军、美国陆军和美国空军的军械与材料署也颁布了许多标准。 这些标准包括叫做 QQS-联邦规范、MIL-S陆军-海军航空技术规范 和航天材料技术规范（AMS ）等。 公司标准 因为

23、国家标准不能完全覆盖某些项目的具体要求或特定工艺的 特定要求。所以，许多公司编制了自己的标准。也有这样的情况， 因为公司必须解决国家标准没有涵盖的问题，所以才自己编制有关 标准。专门的材料规范、焊接程序和检查程序可能需要强调工艺中 特定的腐蚀问题，如硫化物应力幵裂或高温氢侵蚀。在小公司里， 有时把国家标准修订后来满足这样的需求。而大公司里设有专门的 标准部门，可以给设计师提供帮助。 在某家大型化学公司里，有一专门部门管理公司标准。它有三 十一个下属专业委员会，涵盖许多领域，如焊接、绝热保温、塑 料、换热器及防腐层等，他们负责编制技术规范，并定期审查和修 订。由于这些技术规范是针对本公司特有的问

24、题编制的，所以，公 司设计师能够从中受益。 设计师编制技术规范时需要记住什么 1. 技术规范要尽量编写得短小精悍，必须对各项要求和需要达 到的质量水准做出明确的说明。质量水准是保证工艺设备可 靠性能的前提，这样，设备不会过早失效损坏。 2. 应当避免含糊不清的陈述，如所有设备和管道焊接后必须 消除应力”。例如，进行现场连接时，采用这样含糊不清的 陈述，就可能不必要地增加制造成本，因为焊接后消除应力 是很困难的，而用丝扣连接来取代，就不需要进行焊接了。 3. 不要简单规定要求高质量的焊缝，而要具体说明要求达到什 么样的质量水准才可以接受。如果没有具体规定焊接质量验 收标准，那么可能使要求混淆不清

25、并造成质量问题。例如， 有家制造厂单独生产了数英里长的3英寸（76 mm）直径 AISI 304L奥氏体不锈钢焊接管道。原先的采购技术规范要 求所有纵向焊缝 100%进行射线照相检查。当这样的管段在 现场与管件焊接在一起时，他们对现场焊缝进行了射线照 相，但是这样只能反映出现场焊接的那些焊缝的状况，而在 许多情况下，较短的纵向焊缝的焊接质量是非常差的。管子 割幵后，与管子制造厂进行了接洽。这家制造厂顽固坚持自 己的意见，他们指着自己满满一箱X光片，认为管子质量已 经经过X光检查。大家仔细查看了这些X光片，找到许多 不合格的焊缝或者需要进行修补的焊缝的证据。最终发现。 这家管子制造厂并没有仔细查

26、看每一张X光片。他们错误地 认为X光穿过了这些焊缝，那么这样的焊缝就是达到射线照 相检查质量的焊缝！这个故事不是编造的！幸好只有少量管 子已经在现场焊接在一起了，及时查明了不合格的焊缝，淘 汰了那些不合格的管子。 4. 设计师不仅要规定焊缝合格的验收标准，还必须规定焊缝抽 样检查的比例，如 5%、10%、33%或100%。 5. 编制技术规范时要考虑到成本。不应当把技术规范编得过于 严格而把令人满意的合格材料也排除在外。此外，技术规范 不应当对制造商有过分的限制，以至影响到他们的生产成 本，最后影响到他们不必要的提高供货价格。另一方面，技 术规范决不可含糊不清，而允许质量不符合要求。 6任何技

27、术规范，总要把安全问题放在首位。例如，假如必须 进行气压试验，试压前，应当能够检查所有焊缝。如果因为 特殊的几何形状而无法用射线照相或超声波探伤检查的焊 缝，试压前应当用液体渗透剂或磁粉探伤方法进行检查。 （假如在气压试验过程中发生爆裂，接受试验的设备会发生 灾难性的事故） 7. 凡是可能的时候，要努力降低成本，利用工业上有的材料按 标准建造方法制造设备。 8. 在技术规范最终定稿前，应请可能协作的制造厂审阅。许多 时候，制造厂的建议能够节省许多费用，因为他们更清楚如 何最好最省制造出他们的产品。应当初步规定设备应当具有 怎样的性能，而不是详细说明制造厂应当如何建造它们。例 女口，分馏塔的塔盘

28、或填料应由塔盘制造厂来设计而不是由分 馏塔的设计师来设计。当然，前提是假定这样的制造厂是可 靠的、称职的，并且已经证实他们有能力以有竞争力的价格 制造出质量稳定的产品。 9. 要特别注明需要进行的试验以确保质量。 10. 技术规范中应当仔细注明，买方需要在制造期间检查的设 备，这样，制造厂就能够做出安排，使买方检验人员在适当 的时候到厂检查设备。 11. 假如只有某一品牌的产品才能完成所要求的工作，不必介意 规定采用这种品牌或产品目录号的产品。当然，前提是假定 这样的制造厂是可靠的、称职的，并且已经证实他们有能力 以有竞争力的价格制造出质量稳定的产品。 为控制质量设计师应询问的问题 关注材料耐

29、腐蚀性的设计师必须采取某些手段来控制质量。否 则，制造厂制造的设备无法满足他设计的设备预期的耐腐蚀性能。 在采购定单中应当具体说明他的质量控制计划。要记住，设计师能 够也应当控制产品的质量。 设计师可以采用的检查方法有许多种，但是，他在规定采用一 种或几种检查方法前，他应当解答以下几个关键问题： ?这种工艺条件的腐蚀性如何？ ?工艺流体组分的毒性如何？ ?这种结构材料容易发生哪种特定类型的腐蚀？如裂隙腐蚀或 应力腐蚀幵裂等。 ?这种结构材料的耐腐蚀性对化学组成变化的敏感性如何？ ?将要采用什么连接方法？这种结构材料的耐腐蚀性对这样的 连接方法（如焊接）的敏感性如何？ ?该制造厂的竞争能力如何？

30、他们自行检验的信誉如何？他们 是否使用通过焊接规范考核的合格焊工？他们有无正式的形 成文件的质量保证和质量控制体系？ ?是否需要热处理（无论是为了设备的稳定性或是耐腐蚀 性）？ ?假如需要热处理，这种结构材料对热处理的敏感性如何？ ?这种结构材料原先在钢厂生产时对炼钢工艺的敏感性如何？ ?假如采用焊接作为连接方法，填焊金属对腐蚀性能的影响如 何？ 根据对这些问题的解答，就能够编制成一份质量保证计划。 按照美国质量控制学会概括的定义，质量是产品或服务的特点 和特性的全部，其决定了该产品或服务满足特定需求的能力。简单 来讲，质量控制就是要适合使用。 适合使用 设计师应当决定需要采用什么检查方法或质

31、量验证方法保证适 合使用条件。记住这点，设计师应当与其检验部门、技术人员、可 能采用的制造厂进行磋商，决定采用什么检验方法来保证质量。检 验成本是要考虑的，不必进行过度检查，如可以由证实称职的制造 厂把质量检验纳入日常工作之中。但是，在其他条件下仍应进行彻 底检查，因为这样才能够节省大量费用并消除安全危险。 炼厂的结构材料 引言 纯金属和它们的合金是石油炼厂和化工厂采用的主要结构材 料。金属具有优越的机械性能，它们能够很好适应外部负载。以下 是一些重要的机械特性： ?强度-承受负载的能力，如炼厂设备需要承受压力的强度。 ?延性-趋向鼓胀或撕裂而不发生爆裂或断裂。 ?韧性-吸收冲击负荷不发生脆断

32、的能力。 ?硬度-良好耐磨性指标。 ?塑性-轻微变形可以复原。 ?蠕变稳定性-负载下低流动速率。 金属还有一些与负载无关的极佳的化学性能和物理性能，所以 适合炼厂使用。它们是： ?抗氧化性-高温下不会生成氧化皮。 ?耐腐蚀性-在许多不利的炼厂环境中依然持久耐用。 ?高熔点-高温下保持稳定性能所必需的。 ?热导性-理想的良好传热性能。 金属和合金还有极好的可加工能力，包括： ?可焊性 溶易连接和采用合金堆焊。 ?易成形-拉伸、弯曲、镦锻、卷制。 ?易铸造-可以制造复杂的形状。 ?可机加工性-切削、剪切、研磨。 ?可进行热处理-允许改变和控制机械性能。 低碳钢和中碳钢至少占炼厂全部用量的80%，常

33、常调整工艺 设计和机械设计以便采用碳钢材料。例如，为了适合采用碳钢，可 以降低工艺温度，干燥烃流体，注入缓蚀剂，或者放宽腐蚀余量。 由于炼油工艺已经发展并且变得越来越复杂，所以，需要有适 用的结构材料应对更苛刻的压力、温度和腐蚀性工艺条件。炼厂 用钢”的概念已经扩大为需要满足大部分炼厂设备用途的钢材。表 15.3列出部分炼厂用钢以及它们的标称组成。注意，这些是按合金 添加量从少到多的顺序排列的。 表15.3炼厂用钢 合金 标称组成 碳钢 0.10%-0.30% C, 0.30%-1.0% Mn,余量 Fe 碳-1/2钼 0.10%-0.20% C, 0.50% Mo,余量 Fe 1-1/4 C

34、r-1/2 Mo 0.15% C max., 1.25% Cr, 0.5% Mo,余量 Fe 2-1/4 Cr-1/2 Mo 0.15% C max., 2.25% Cr, 1.0% Mo,余量 Fe 5 Cr-1/2 Mo 0.15% C max., 4%-6% Cr, 0.5% Mo,余量 Fe 9 Cr-1 Mo 0.15% C max., 8%-10% Cr, 1% Mo,余量 Fe 12 Cr (Type 410) 0.15% C max., 11%-13% Cr,余量 Fe 17 Cr (Type 430) 0.12% C max., 14%-18% Cr,余量 Fe 26 Cr

35、(Type 446) 0.20% C max., 23%-30% Cr,余量 Fe Type 304不锈钢 0.08% C max., 18%-20% Cr, 8%-11% Ni,余量 Fe Type 304L不锈钢 0.03% C max., 18%-20% Cr, 8%-12% Ni,余量 Fe Type 316不锈钢 0.08% C max., 16%-18% Cr, 10%-14% Ni, 2%-3% Mo,余量 Fe Type 309不锈钢 0.15% C max., 22%-24% Cr, 12%-15% Ni,余量 Fe Type 310不锈钢 0.15% C max., 24%

36、-26% Cr, 19%-22% Ni,余量 Fe 2-1/4%镍钢 0.19% C max., 2.03%-2.57% Ni,余量 Fe 3-1/2%镍钢 0.19% C max., 3.18%-3.82% Ni,余量 Fe 合金元素改善了钢的机械性能、化学性能、物理性能，并且能 够在很宽的压力温度范围里使钢适应腐蚀性流体。例如，铬钼钢具 有高温强度，能够抗高温硫腐蚀，抗氢侵蚀。不锈钢能够制造炉 管，存在氢时，不锈钢能够抗高温硫化物腐蚀。可以用含钼不锈钢 防止环烷酸腐蚀。 请注意，合金钢确实增加了材料成本。此外，有些合金钢不像 普通碳钢那样容易获得。并且，合金钢可能还有特定合金类型的问 题，

37、如降低材料的可焊性，容易发生环境幵裂，要求采用特殊的热 处理等。 在炼厂结构材料中同样重要的其他金属和合金体系有铜合金、 镍合金、铝合金、钛合金等。表15.4列出了这些常用金属和合金 以及它们的组成和主要用途。 正如上文所述，炼厂材料的选择是安全、性能、费用之间的平 衡问题。由于炼油工业使所用材料面临很大危险，所以安全考虑要 求设备有额外高的完整性。下文将叙述主要的炼厂金属和合金，以 及它们的典型用途。 表15.4其他炼厂金属和合金 合金类 标称组成 用途 铝合金 合金110 99% Al 轻型结构 合金3003 1.0%-1.5% Mg,余量 Al 换热器管子 合金6061 0.8%-1.2

38、% Mg, 0.4%-0.8% Si, 余量 Al 可以热处理，板材、棒材 铝包覆材料 纯铝包覆在其他材料上 阴极保护 铜合金 铜 99% Cu 管子 防蚀型海军黄铜 28% Zn, 1% Sn, 71% Cu, (Sb, P, As) 冷凝器管子 海军黄铜 39% Zn, 1% Sn, 60% Cu 管板 铝黄铜 22% Zn, 2% Al, 76% Cu 冷凝器管子 70-30铜-镍 70% Cu, 30% Ni 管子，板材 90-10 Nickel 铜-镍 90% Cu, 10% Ni 管子 其他材料 钛 99%钛 管子 蒙乃尔 70% Ni, 30% Cu 管子，板材 合金800 30

39、%-35% Ni, 19%-23% Cr, 40% Fe, 0.10% C 管道、管子、板材 合金20 28%-30% Ni, 19%-21% Cr, 4% Cu, 3% Mo, 余量 Fe 管道、管子、板材 HF-改性的A297- 67 （铸件） 0.15%-0.20% C, 21%-25% Cr, 6.5%-10% Ni 加热炉管子、管道 超级耐热合金 0.5% C, 26% Cr, 35% Ni, 15% Co, 5% W 加热炉管子 镇静钢 钢铁术语中常出现 镇静钢”的说法。这是钢铁工业早期生产中 常用的术语。当炼钢炉里熔融的钢水就要浇注钢模之前时，钢水在 炼钢炉里是静止不动的，此时要

40、加入脱氧剂，除去二氧化碳这样的 气体，否则，钢水浇注时，这些气体会从熔体中激烈地释放出来。 加入脱氧剂，可以使钢水浇注过程变得比较平静。熔体静静躺在钢 模里，因此，叫做 镇静钢”后来，随着人们对炼钢过程认识的加 深，生产出的钢铁品种也越来越多，人们才意识到，这样的镇静 步骤更大的好处，是使钢铁产品有更加均匀一致的化学组成和性 能。一个重要成果是生产出的钢铁产品具有更加一致的耐腐蚀性 能。因为有多种炼钢工艺，所以生产出的钢铁产品有不同的名称， 如半镇静钢、沸腾钢、压盖钢。因为仅部分完成了全镇静钢的生产 过程，所以才出现这些镇静钢的变种。全镇静钢均匀一致的组成正 是人们寻求材料耐腐蚀性能最重要的好

41、处 钢是铁与碳、锰的合金，是炼厂最主要的结构材料。它具有理 想的机械性能、化学性能和物理性能，并且价格是比较合理的。容 易得到许多形状的钢材，并且钢的加工性能极佳。钢的可焊性极 好，这使现代承压设备达到所要求的可靠性和安全性。 钢是含有碳、锰、其他合金元素的铁基合金的总称。表15.5 列出部分常见合金元素，它们在钢中的作用以及它们的主要功能。 大多数炼厂用钢的碳含量在0.03%至0.30%之间，确保钢材具有所 要求的延性和可焊性。 表15.5合金在钢中的某些特定作用 元素 对铁素体 的影响 对奥氏体的影响 （可淬性） 碳化物 形成趋势 主要功能 铬 （Cr） 显著硬化；增强耐 腐蚀性 适度增加

42、可淬 性，与锰类似 比锰强，比 钨弱 增强耐腐蚀性和抗氧化 性；增加一些高温强度 锰 （Mn ） 显著硬化；多少减 少点塑性 适度增加可淬 性，与铬相似 比铁强，比 铬弱 抵消硫的脆性；用较低 的费用就可增强可淬性 钼 （Mo） 在高钼-铁合金中 形成时效硬化系统 显著增加可淬性 （钼-铬） 很强，比铬 强 深度硬化；改善不锈钢 的热蠕变强度和耐腐蚀 性 镍 （Ni） 靠固溶体增强强度 和韧性 略微增加可淬 性；但往往使奥 氏体有较高的碳 含量 比铁弱（石 墨化） 增强未淬火的或退火的 钢强度；增强珠光体-铁 素体钢（特别在低温 下）韧性，使高铬铁合 金奥氏体化 磷 （P） 靠固溶体强力硬化

43、增加可淬性，与 锰相似 无 增强低碳钢强度；增加 耐腐蚀性 硅 （Si） 硬化但失去塑性 （锰-硅-磷） 比镍（镍-硅- 锰）更有效地增 加可淬性 负面效应 （石墨化） 用作通用脱氧剂；改善 抗氧化性，增强低合金 钢强度 钛 （Ti） 在高钛-铁合金中 形成时效硬化系统 溶解时可能非常 强地增加可淬 性。其碳化物会 已知最强 （2%钛使 0.50%碳钢 使碳固定在惰性颗粒 上；防止长时间加热期 间不锈钢中的铬局部耗 降低可淬性 不能硬化） 尽 炼厂用钢可以分为以下几大类： ?碳钢 ?低合金钢 ?铬-钼钢 ?不锈钢 ? 镍钢 在美国，下列组织机构之一或多家颁布的化学组成和特性技术 规范涵盖了这些

44、钢种的大多数： ?美国材料试验学会（ASTM） ?美国机械工程师学会 （ASME） ?美国石油学会（API） ?美国钢铁学会（AISI） ?美国国家标准学会（ANSI） 在其他国家，也可以采用其他标准机构的技术规范。大多数技 术规范包含各种产品或等级，这些具体的钢号代表了不同的化学组 成、制造方法和机械性能。表 15.6列出部分ASTM标准中采用的 管材、板材、铸件和锻件的技术规范。 表15.6 ASTM标准中炼厂用钢技术规格 材料 管材 板材 铸件 锻件 碳钢 A53, A106, A134, A283, A285, A27*, A216, A105, A181, A135, A139, A

45、299, A455, A352 A234, A268, A178, A179, A515, A516, A350, A372, A192, A210, A537, A570, A420, A508, A214, A226, A333, A334, A369, A381*, A524, A587, A671, A672, A691 A573 A541 C-1/2 Mo 钢 A209, A250, A204, A302, A217, A352, A182, A234, A335, A369, A517, A533 A487 A336, A508, A426, A672, A691 A541 1 C

46、r-1/2 Mo 钢 A213, A334, A387, A517 A182, A234, A369, A426 A336 1-1/4 Cr-1/2 Mo 钢 A213, A335, A369, A426, A691 A387, A389*, A517 A217, A389* A182, A234, A336, A541 2 Cr-1/2 Mo 钢 A213, A369 2-1/4 Cr-1 Mo 钢 A213, A335, A369, A426, A691 A387, A542 A217, A487 A182, A234, A336, A541, A542 3 Cr-1 Mo 钢 A213,

47、 A335, A369, A426, A691 A387 A182, A336 5 Cr-1/2 Mo 钢 A213, A335, A369, A426, A691 A387 A217 A182, A234, A336 7 Cr-1/2 Mo 钢 A213, A335, A369, A426 A387 A182, A234 9 Cr-1 Mo 钢 A213, A335, A369, A426 A387 A217 A182, A234, A336 铁素体、马氏体 和奥氏体不锈钢 A213, A249, A268, A269, A312, A358, A376, A409, A450, A451,

48、 A511* A167, A176*, A240, A412 A297*, A351, A447* A182, A336, A403, A473* 注解：碳钢和合金钢螺栓螺母包括在技术规范A193、A194、A320、A354、A449、 A453、A540、A563* 中。 *这些技术规范没有获得 ANSI/ASME锅炉和压力容器标准的批准。 设备制造标准或规范正常要规定执行的材料标准以及能够采用 的设计应力。在美国，炼厂设备最常用的设计规范是ASME、 ANSI、API 标准。 碳钢 碳钢是含有控制总量的碳和锰的铁。碳钢是最常用的结构材 料，可能占炼厂所用钢材总量的80%。由于它们一般需要

49、焊接， 所以，碳含量必须比较低，在0.15%至0.35%的范围内，通常叫做 低碳钢或中碳钢。蒸馏塔、分离器、换热器、储罐、大多数管道、 全部结构件一般都采用碳钢制造。对预期碳钢的腐蚀速率小于20 mpy的工艺条件，如果温度低于426 C （ 800 F），正常采用碳钢 更为经济。 如果因为腐蚀使碳钢不适用时，可以采用其他材料衬里或用防 腐层增强材料的耐腐蚀性。对大型容器，采用合金材料包覆或合金 堆焊是有效的衬里结构，并且比容器整体采用纯耐蚀合金材料衬里 更经济。采用金属喷镀或非金属喷涂也是改善碳钢耐腐蚀性能成本 效益较好的方法。 C-Mo 钢 C-Mo钢主要是C-1/2 Mo等级，优于普通碳钢

50、，改善了高温强 度和抗蠕变性能，特别在 426 C至538 C（800 F至1000 F）的温 度范围内。但是，加入钼并没有显著增强碳钢的耐腐蚀性能。过 去，曾经认为 C-1/2 Mo钢比碳钢具有更好的抗高温氢侵蚀的能 力，所以，常常规定在咼温氢环境下要选用C-1/2 Mo钢。但是， 最近人们对长期暴露在高温氢环境中的C-1/2 Mo钢的性能已经提 出了疑问。结果，多数新建炼厂设备制造中，改用Cr-Mo钢代替 C-1/2 Mo 钢。 低合金钢 低合金钢含有1%或更少的铬、镍、钼、钒、铜，并且比例各 不相同。在美国，ANSI或SAE标准中规定了这些钢材的标准组 成。炼厂普遍采用其中两种低合金钢：

51、4140和4340。这些钢里添 加了铬、镍、钼。 这些材料展现良好的高温强度和抗蠕变性能。但是，由于正常 情况下，它们有相对较高的碳当量（0.4），所以，焊接比较困 难。因此，正常情况下，低合金钢的使用局限于那些不需要焊接的 制造用途。并且，这些材料常表现为高硬度，假如硬度超过HRC 22,就容易发生硫化物应力幵裂。在炼厂，普遍采用低合金钢制造 法兰螺栓、阀门部件、泵和压缩机的轴或杆等。 有些特定等级的低合金钢，即高强低合金（HSLA ）钢普遍用 于制造高压输气管道。高强低合金钢需要控制它们的化学组成以适 应焊接施工。 Cr-Mo 钢 Cr-Mo钢是最多含有10%铬以及百分之几或更少的钼、铜或

52、钒 的合金。最初为了耐受炼厂高温硫腐蚀而尝试采用纯铬钢。虽然这 些钢材原本就有令人满意的延性，但是，长时间使用后会发生回火 致脆。发现在纯铬钢里添加 0.5%至1%的钼，能够有效解决这个问 题。 从设计角度看，温度高于482 C（ 900 F）的使用条件下，用 含有最多9%铬和1%钼的低合金钢一般成本效益好于碳钢。就 ASME压力容器和ANSI管道系统规范允许的应力而言，除不锈钢 外，Cr-Mo钢是唯一能够承受 648 C（ 1200 F）高温的钢材。 铬含量少于4%的Cr-Mo钢仅比碳钢适度增加了耐腐蚀性能。 正常规定这些材料用在要求高温强度、抗蠕变以及抗高温高压氢侵 蚀的场合。 用钼含量1

53、/2%或更多的钢能够达到最高的蠕变强度。因此， 毫不奇怪，为什么炼厂广泛采用1-1/4 Cr-1/2 Mo和2-1/4 Cr-1 Mo 钢制造高温高压反应容器。为了改善耐腐蚀性能，这些材料通常采 用奥氏体不锈钢包覆或堆焊。 需要时，如在炼厂加工含硫原油时，5%至9%Cr-Mo钢具有良 好的抗高温硫腐蚀的性能。这些材料已经广泛用在炼厂这样的用途 中。 镍钢 镍钢含有1%至9%的镍，与碳钢比较，具有显著更大的低温 韧性。在炼厂低温工艺中，如在丙烷制冷系统，已经采用2-1/4 Ni 和3-1/2 Ni钢。采用恰当的焊接程序和填焊金属，这些钢材能够焊 接，所以，考虑到焊缝冲击特性，需要采用这些合金基底

54、金属。炼 厂中镍钢的使用一般局限于操作温度低于-45.5 C（ - 50 F）的工艺 条件。 不锈钢 不锈钢是含有至少11.5%的铬的合金，所以才具有不锈”的特 性。铬促进钢的表面生成钝性氧化铁-铬膜，从而使不锈钢具有极 好的耐腐蚀性能。已经有许多不同等级的不锈钢，它们的价格、机 械特性、耐腐蚀性能是有很大差别的。因此，重要的是要精心选择 不锈钢，满足特定用途的要求。 表15.7列出了炼厂用的各种等级的不锈钢（可锻合金）。铸 造合金的组成与表列的 AISI型号有点不同。 表15.7主要不锈钢的化学组成 AISI钢号 %C %Cr 410 （马氏体） 0.15 max. 11.5-13.5 0.

55、15 max. 12-14 416 （马氏体） 0.20 max. 15-17 431 （马氏体） 0.6-0.75 16-18 440A （马氏体） 405 （铁素体） 0.08 max. 11.5-14.5 0.12 max. 14-18 430 （铁素体） 0.25 max. 18-23 442 （铁素体） 0.20 max. 23-27 446 （铁素体） 301 （奥氏体） 0.15 max. 16-18 0.15 max. 17-19 302 （奥氏体） 0.08 max. 18-20 304 （奥氏体） 0.03 max. 18-20 0.08 max. 19-21 304L （

56、奥氏体） 0.20 max. 22-24 308 （奥氏体） 0.08 max. 22-24 0.25 max. 24-26 309 （奥氏体） 0.08 max. 24-26 309S （奥氏体） 0.08 max. 16-18 0.03 max. 16-18 310 （奥氏体） 0.08 max. 18-20 310S （奥氏体） 0.03 max. 18-20 0.08 max. 17-19 316 （奥氏体） 0.08 max. 17-19 316L （奥氏体） 317 （奥氏体） 317L （奥氏体） 321 （奥氏体） 347 （奥氏体） 17-7 PH （时效硬 0.07 17

57、化型） 0.05 16.5 %Ni %其他元素 等同的铸造合金 - - CA-15 - Se/Mo/ Zr - 1.25-2.5 - CB-30 0.5 max. 0.1-0.3 Al - 0.5 max. - - 0.5 max. - - 0.5 max. 0.25 N max. CC-50, HC 6-8 2 Mn max. - 8-10 2 Mn max. CF-20 8-12 1 Si max. CF-8 8-12 1 Si max. CF-3 10-12 1 Si max. - 12-15 1 Si max. CH-20, HH 12-15 1 Si max. - 19-22 1.5

58、 Si max. CK-20, HK 19-22 1.5 Si max. - 10-14 2-3 Mo CF-8M, CF-12M 10-14 2-3 Mo CF-3M 11-14 3-4 Mo CG-8M 11-14 3-4 Mo - 8-11 Ti: 4 x C mi n. - 9-13 Cb + Ta: 10 x C mi n. CF-8C 7 1 Al - 4.2 4 Cu 17-4 PH （时效硬 化型） E-Brite （特种钢） 0.002 26 0.1 1 Mo, 0.1 Cb - 0.005 29 2 4 Mo, 0.13 N - Al 29-4-2 （特种 钢） 0.08

59、max. 25 3.5 Mo - 0.03 max. 18.5 4.5 2.7 Mo, 1.7 Si - 329 （特种钢） 0.03 max. 22 5.5 3 Mo, 0.8 Si, - 3RE60 （特种钢） 0.14 N 0.02 20 25 4 Mo, 1.5 Cu - SAF-2205 （特种 钢） 904L （特种钢） 不锈钢能够划分成以下几种类型： ? 马氏体不锈钢 ? 铁素体不锈钢 ? 奥氏体不锈钢 ? 双相不锈钢 ? 沉淀硬化不锈钢 ? 特种不锈钢 马氏体不锈钢 马氏体不锈钢，如 410和440不锈钢，能够像碳钢、低合金钢 和铬-钼钢那样用热处理来硬化。硬化能够增强材料的强

60、度，降低 材料的延性。这些不锈钢的耐腐蚀性能不如铁素体不锈钢和奥氏体 不锈钢。马氏体不锈钢含有11%至18%的铬，并且有相对较高的 碳含量。在474 C（ 885 F）的温度下它们会变脆，所以，当使用 温度大约高于371 C（700 F）时，必须格外小心。 马氏体不锈钢有磁性，难以焊接，存在氯化物时会发生点状腐 蚀。洛氏硬度大于 HRC 22的马氏体不锈钢能够发生硫化物应力幵 裂（SSC）问题。焊接时，正常需要消除应力才能满足此硬度要 求。马氏体不锈钢在炼厂的典型用途，包括泵部件、紧固件、阀 芯、涡轮叶片以及蒸馏塔中的塔板浮阀和其他塔盘部件。在脱硫装 置中，常用410不锈钢衬里保护塔、换热器和