滲鋁鋼管束應(yīng)用的可靠性分析及研制.doc

滲鋁鋼管束應(yīng)用的可靠性分析及研制王紅 姜廣虹王佩文(山東齊魯石油化工工程公司,淄博255400)(山東齊魯石化建設(shè)有限公司,淄溥255400)摘要:針對(duì)滲鋁鋼在含硫介質(zhì)中應(yīng)用的可靠性進(jìn)行試驗(yàn)分析論證, 并對(duì)滲鋁鋼管束制造中所存在的難點(diǎn)進(jìn)行研究, 確定了其制造工藝。1 前言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速持續(xù)發(fā)展, 國(guó)家對(duì)國(guó)際原油市場(chǎng)的依賴(lài)度在不斷增加; 煉油企業(yè)大量摻煉進(jìn)口高硫原油, 使得生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生大量硫化物, 如: SO2 、SO3 、H2S 和有機(jī)硫等; 這些腐蝕介質(zhì)的產(chǎn)生, 加上煉油工藝的高溫條件,加速了對(duì)設(shè)備材料的腐蝕,使其使用壽命大大縮短; 特別是裝置中所應(yīng)用的管殼式換熱器,有的僅使用幾個(gè)月就因腐蝕報(bào)廢,極大地提高了生產(chǎn)成本。對(duì)于換熱器來(lái)說(shuō), 其他元件可以預(yù)留大的腐蝕余量來(lái)保證其使用壽命。而對(duì)于換熱管來(lái)說(shuō), 受管子流通面積、管內(nèi)流量和換熱效率等的影響以及制造等許多因素的制約, 其壁厚一般選為24mm,通常情況下是不考慮腐蝕余量的。而且換熱管同時(shí)接觸兩側(cè)介質(zhì), 比換熱器其他元件所處的腐蝕環(huán)境更為惡劣, 管壁極易被腐蝕穿透。當(dāng)然, 人們可以通過(guò)選用一些耐腐蝕的、價(jià)格昂貴的高合金材料來(lái)保證其使用壽命, 但卻使設(shè)備投資成倍增加。滲鋁工藝和碳鋼滲鋁管的研發(fā)成功為此開(kāi)辟了新的天地。滲鋁鋼不僅具有耐高溫硫化物腐蝕和優(yōu)良的耐磨性能,而且價(jià)格便宜(僅為18 - 8 不銹鋼的1/ 3 左右) , 這些優(yōu)點(diǎn)展現(xiàn)了它在煉化企業(yè)的廣闊應(yīng)用前景。但是, 由于人們對(duì)滲鋁鋼各種性能的認(rèn)識(shí)不足,尤其是其焊接制造工藝不成熟, 制約著滲鋁鋼的推廣應(yīng)用。筆者通過(guò)大量試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)滲鋁鋼的加工特性進(jìn)行研究、分析,掌握了滲鋁鋼換熱器的制造技術(shù)。2 滲鋁鋼的基本特性2. 1 滲鋁鋼耐蝕性滲鋁鋼是指普通碳鋼經(jīng)特殊的處理工藝, 在鋼材表面生成一層鋁- 鐵合金。目前我國(guó)的滲鋁技術(shù)常用的有熱浸法和固體法(粉末法) 兩種。滲鋁層厚度熱浸法可達(dá)0. 1mm以上, 固體法可達(dá)0. 05mm以上。經(jīng)過(guò)滲鋁處理后的碳鋼滲鋁層含鋁量在50 %以上, 是FemAln 化合物; 在滲鋁層表面為尖晶石型無(wú)空位點(diǎn)陣氧化物Al2O3 FeO 保護(hù)膜。由于這種保護(hù)膜致密性好, 且在腐蝕介質(zhì)中的抗溶解能力高, 所以具有極強(qiáng)的保護(hù)能力, 使?jié)B鋁鋼具有良好的耐蝕能力。滲鋁鋼的金相組織見(jiàn)圖1 ,說(shuō)明滲鋁層是Fe - Al化合物。圖1 滲鋁鋼金相組織150 為考證滲鋁鋼在硫化物中的耐腐蝕性能, 筆者用經(jīng)滲鋁后的10# 鋼進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),所得的數(shù)據(jù)列于表1。表1 滲鋁10# 鋼在硫化物中的耐腐蝕性能(100h) mm/ a溫度400500600700800SO2/O2=3/70.0020.0160.0250.0330.096SO3/O2=2/50.0030.0630.1630.2390.388表1中所列數(shù)據(jù)是在SO2 和O2 比例為3/ 7, SO3和O2 比例為2/ 5 的情況進(jìn)行的試驗(yàn), 在100 小時(shí)下用失重法所得的試驗(yàn)值。根據(jù)文 2介紹,滲鋁鋼在煉油裝置中不同溫度和濃度下的含H2S 介質(zhì)中進(jìn)行掛片試驗(yàn), 測(cè)得的腐蝕速率在0. 070. 003mm/ a 之間。2. 2 滲鋁鋼的導(dǎo)熱性能碳鋼經(jīng)滲鋁后導(dǎo)熱系數(shù)的變化如何將直接影響換熱效果,激光熱導(dǎo)儀測(cè)定的結(jié)果:10mm圓形試件在593 時(shí), 滲鋁前0. 069cm2 / s , 滲鋁后為0. 0678cm2 / s ,說(shuō)明滲鋁鋼與原鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)相近,滲鋁后不影響導(dǎo)熱性。從實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)掛片數(shù)據(jù)看,在500 以下滲鋁鋼有著優(yōu)良的耐腐蝕品質(zhì)。在兩種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)合下,經(jīng)滲鋁處理后的碳鋼, 其腐蝕速率在0. 0070. 03mm/ a之間, 而相同環(huán)境下碳鋼則為0. 30. 6mm/ a , 兩者相差2040 倍, 且滲鋁鋼腐蝕速率的最大值僅為0. 03mm/ a ,腐蝕極微。另外從實(shí)測(cè)的導(dǎo)熱性來(lái)看,滲鋁鋼的導(dǎo)熱性能與原鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)非常相近, 滲鋁后不影響導(dǎo)熱性。2. 3 經(jīng)滲鋁處理后10# 鋼管的機(jī)械性能前面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)驗(yàn)證了經(jīng)滲鋁處理后碳鋼在抗腐蝕能力上和傳熱效率上完全可以滿(mǎn)足換熱器的使用要求, 但人們還普遍關(guān)心經(jīng)滲鋁處理后其材料機(jī)械性能如何?會(huì)發(fā)生什么樣的變化?為此筆者從同爐號(hào)、同批號(hào)、同一軋制工藝按GB8163 - 87 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的10# 冷拔管(25 2. 5) 中抽取若干試樣, 一部分試件經(jīng)950980 溫度下固體滲鋁處理, 其余的試件作為對(duì)比件進(jìn)行試驗(yàn)比較分析,其結(jié)果如下。(1) 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)表2 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)號(hào)滲鋁管非滲鋁管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%六件滲鋁管試件和三件非滲鋁管鋼試件按GB228- 87標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn), 結(jié)果見(jiàn)表2, 數(shù)據(jù)均能滿(mǎn)足GB8163- 87的要求。(2) 擴(kuò)口試驗(yàn)按GB242 - 82 滲鋁管做了四組試驗(yàn), 每組進(jìn)行不同的擴(kuò)口率, 每組試件三個(gè), 非滲鋁管做了一組三個(gè)試件結(jié)果見(jiàn)表3。表3 擴(kuò)口試驗(yàn)數(shù)據(jù)滲鋁管非滲鋁管擴(kuò)口至25.75擴(kuò)口至26擴(kuò)口至26.25擴(kuò)口至27擴(kuò)口至26.25試件1無(wú)裂紋無(wú)裂紋無(wú)裂紋無(wú)裂紋無(wú)裂紋試件2無(wú)裂紋無(wú)裂紋無(wú)裂紋無(wú)裂紋無(wú)裂紋試件3無(wú)裂紋無(wú)裂紋無(wú)裂紋無(wú)裂紋無(wú)裂紋( 3) 壓扁試驗(yàn)根據(jù)GB246- 82,當(dāng)管外徑D= 25, S= 2. 5時(shí),經(jīng)計(jì)算壓板距離為H= 15, ,滲鋁管六件試樣,非滲鋁管三件試樣經(jīng)壓扁至H= 15mm時(shí),均未發(fā)現(xiàn)裂紋。上述試驗(yàn)表明: 滲鋁管力學(xué)性能得到一定的改善, 尤其是b 變得更加穩(wěn)定, 這主要是滲鋁工藝相當(dāng)于對(duì)材料進(jìn)行了正火處理, 改善了材料組織、細(xì)化了晶粒的結(jié)果。另外, 滲鋁層中具有的Fe2Al5 相, 有較高的顯微硬度,可達(dá)HRC60 左右,使?jié)B鋁鋼具有較高的耐磨性和抗沖刷腐蝕能力。試驗(yàn)驗(yàn)證, 10# 鋼管經(jīng)滲鋁處理后, 無(wú)論是其耐腐蝕性能、傳熱性能還是機(jī)械性能都滿(mǎn)足制作加工高硫原油換熱設(shè)備的要求, 然而, 由于其焊接技術(shù)一直困繞著人們,制約了其廣泛應(yīng)用。3 滲鋁管的焊接滲鋁管其可焊性如何及焊接接頭的有關(guān)性能能否滿(mǎn)足可靠性的要求, 是滲鋁管能否用于制造管殼換熱器的關(guān)鍵。3. 1 焊接材料的選擇如前所述, 滲鋁管耐腐蝕性能之所以好, 主要是在其表面形成了一層鐵鋁合金, 因此滲鋁管所用焊材既要保證焊縫和熔合線與滲鋁層具有匹配的抗蝕性能, 又要保證熔合線和熱影響區(qū)的滲鋁層不受損傷。從與滲鋁層的抗蝕性相匹配來(lái)考慮,焊材可選擇含Al 鋼或Cr - Mo 鋼。對(duì)于前者,由于滲鋁層含鋁量高達(dá)50 %以上,需采用含鋁量高的焊接材料,但鋁在焊接時(shí)電弧所引起高溫下對(duì)氧的親和力比別的元素都強(qiáng)很多, 因此焊接過(guò)程中鋁會(huì)被強(qiáng)烈氧化, 使焊縫性能變差。即便是氬弧焊條件下, 鋁不易氧化, 但會(huì)促使焊縫的鐵素體組織粗大而變脆, 因此焊縫性能仍不能滿(mǎn)足耐蝕的要求。而當(dāng)焊材與母材的化學(xué)成分不同時(shí), 由于母材中Al 的作用, 焊后在近縫區(qū)形成脫碳層,俗稱(chēng)“鐵素體帶”,使此處的塑性和韌性很差,室溫下具有較高的缺口敏感性。它是整個(gè)焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié),也是焊接滲鋁鋼的主要問(wèn)題3 。要解決這個(gè)問(wèn)題, 既要考慮母材和焊材化學(xué)成分的影響,又要考慮其晶體結(jié)構(gòu)的影響。經(jīng)多次試驗(yàn)分析, 我們選用了日本產(chǎn)AWS A5標(biāo)準(zhǔn)的Cr - Mo 鋼焊絲和國(guó)產(chǎn)Cr - Mo 鋼焊絲, 并改進(jìn)了焊接工藝,從而解決了滲鋁鋼焊接問(wèn)題,并可實(shí)施異種鋼焊接, 可焊性好, 易于操作, 而所選焊材的耐蝕性能也能與滲鋁鋼相匹配。3. 2 滲鋁管與管板的焊接工藝參數(shù)確定滲鋁管與管板的連接一般都不采用脹管的辦法,而是采用焊接連接,主要是為了保護(hù)滲鋁層不受機(jī)械損傷, 保證其良好的耐腐蝕性, 因此應(yīng)按照GB151 - 1999 附錄B“換熱管與管板接頭的焊接工藝評(píng)定”的要求進(jìn)行焊接工藝評(píng)定, 確定焊接工藝參數(shù),焊接接頭形式如圖2 示。選用日本產(chǎn)AWS A5 標(biāo)準(zhǔn)的焊絲經(jīng)焊接工藝評(píng)定,選定了焊接參數(shù)。這些參數(shù)在焊接技術(shù)指導(dǎo)書(shū)中已詳細(xì)列出,在此不再贅述。圖2 換熱管與管板焊接接頭形式圖3 焊縫金相組織4 焊接接頭性能檢驗(yàn)4. 1 無(wú)損檢測(cè)和金相組織分析按GB151 - 1999 附錄B 規(guī)定, 對(duì)滲鋁管與管板的焊縫進(jìn)行著色檢測(cè), 符合JB4730 - 94 規(guī)定的級(jí)。宏觀檢查: 沿評(píng)定用管中心線剖開(kāi)兩個(gè)焊接接頭, 對(duì)四個(gè)剖面的八個(gè)觀察面用10 倍的放大鏡進(jìn)行宏觀檢查均未發(fā)現(xiàn)裂紋、未融合等缺陷, 角焊縫的H值大于3. 5mm。金相檢驗(yàn): 經(jīng)對(duì)試件切面進(jìn)行金相分析, 焊縫、熔合線、滲鋁層和基體金屬溶合連續(xù), 而且整個(gè)焊縫在焊接后的結(jié)晶組織都沒(méi)有發(fā)生改變, 見(jiàn)圖3、圖4、圖5 的金相組織照片。圖4 相變區(qū)金相組織350 圖5 過(guò)熱區(qū)金相組織350 4. 2 拉脫力從上述焊接工藝評(píng)定用焊接試板中, 按圖6 所示尺寸切割六件評(píng)定用管試件, 進(jìn)行拉力試驗(yàn), 數(shù)據(jù)見(jiàn)表5 , 均斷于母材, 這說(shuō)明焊縫金屬材料強(qiáng)度高于管材的強(qiáng)度, 即使按實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)最小值計(jì)算, 其許用拉脫力 q = / 2 = 57. 4MPa , 也不小于GB151 - 1999規(guī)定的值。表5 拉脫力試件123456bMPa356.7354.9360.1357.8357.8344.8b/n118.9118.3120119.3119.3114.94. 3 對(duì)接接頭強(qiáng)度按試驗(yàn)確定的焊接工藝參數(shù), 取252. 5滲鋁管進(jìn)行對(duì)接焊接。選用AWS A5標(biāo)準(zhǔn)Cr - Mo 鋼焊條,對(duì)接接頭不開(kāi)坡口, 手工氬氣保護(hù)焊, 外部焊逢不留加強(qiáng)高, 共做五個(gè)試件。經(jīng)RT檢驗(yàn), 全部符合JB4730- 94規(guī)定的級(jí); 拉斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6, 均斷于母材,為塑性斷裂。b 值滿(mǎn)足GB8163- 84 規(guī)定下限值335MPa。金相分析, 焊縫處金相組織與圖3、圖4、圖5相同。表6 焊縫抗拉強(qiáng)度試件12345bMPa360.6358.3357.8362.3359.7圖6 拉脫力試件由上述的檢驗(yàn)可以看出: 滲鋁管采用的焊材和焊接工藝滿(mǎn)足要求。另經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)掛片試驗(yàn)焊縫的抗腐蝕能力和滲鋁鋼基本相同。曾采用上述技術(shù)為齊魯公司二化、濟(jì)南煉油廠、廣州石化公司等多家單位的滲鋁鋼管束換熱器制造作技術(shù)指導(dǎo)工作, 制造了十余臺(tái)換熱器, 均能滿(mǎn)足使用要求, 使用壽命都不同程度的