滲鋁鋼管束應用的可靠性分析及研制.doc

滲鋁鋼管束應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)(山東齊魯石化建設有限公司,淄溥255400)摘要:針對滲鋁鋼在含硫介質中應用的可靠性進行試驗分析論證, 并對滲鋁鋼管束制造中所存在的難點進行研究, 確定了其制造工藝。1 前言隨著我國經濟高速持續(xù)發(fā)展, 國家對國際原油市場的依賴度在不斷增加; 煉油企業(yè)大量摻煉進口高硫原油, 使得生產過程產生大量硫化物, 如: SO2 、SO3 、H2S 和有機硫等; 這些腐蝕介質的產生, 加上煉油工藝的高溫條件,加速了對設備材料的腐蝕,使其使用壽命大大縮短; 特別是裝置中所應用的管殼式換熱器,有的僅使用幾個月就因腐蝕報廢,極大地提高了生產成本。對于換熱器來說, 其他元件可以預留大的腐蝕余量來保證其使用壽命。而對于換熱管來說, 受管子流通面積、管內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。而且換熱管同時接觸兩側介質, 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。當然, 人們可以通過選用一些耐腐蝕的、價格昂貴的高合金材料來保證其使用壽命, 但卻使設備投資成倍增加。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,而且價格便宜(僅為18 - 8 不銹鋼的1/ 3 左右) , 這些優(yōu)點展現了它在煉化企業(yè)的廣闊應用前景。但是, 由于人們對滲鋁鋼各種性能的認識不足,尤其是其焊接制造工藝不成熟, 制約著滲鋁鋼的推廣應用。筆者通過大量試驗和生產實踐對滲鋁鋼的加工特性進行研究、分析,掌握了滲鋁鋼換熱器的制造技術。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特殊的處理工藝, 在鋼材表面生成一層鋁- 鐵合金。目前我國的滲鋁技術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0. 1mm以上, 固體法可達0. 05mm以上。經過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空位點陣氧化物Al2O3 FeO 保護膜。由于這種保護膜致密性好, 且在腐蝕介質中的抗溶解能力高, 所以具有極強的保護能力, 使?jié)B鋁鋼具有良好的耐蝕能力。滲鋁鋼的金相組織見圖1 ,說明滲鋁層是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, 筆者用經滲鋁后的10# 鋼進行了實驗室試驗,所得的數據列于表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中所列數據是在SO2 和O2 比例為3/ 7, SO3和O2 比例為2/ 5 的情況進行的試驗, 在100 小時下用失重法所得的試驗值。根據文 2介紹,滲鋁鋼在煉油裝置中不同溫度和濃度下的含H2S 介質中進行掛片試驗, 測得的腐蝕速率在0. 070. 003mm/ a 之間。2. 2 滲鋁鋼的導熱性能碳鋼經滲鋁后導熱系數的變化如何將直接影響換熱效果,激光熱導儀測定的結果:10mm圓形試件在593 時, 滲鋁前0. 069cm2 / s , 滲鋁后為0. 0678cm2 / s ,說明滲鋁鋼與原鋼材的導熱系數相近,滲鋁后不影響導熱性。從實驗室和現場掛片數據看,在500 以下滲鋁鋼有著優(yōu)良的耐腐蝕品質。在兩種實驗場合下,經滲鋁處理后的碳鋼, 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。另外從實測的導熱性來看,滲鋁鋼的導熱性能與原鋼材的導熱系數非常相近, 滲鋁后不影響導熱性。2. 3 經滲鋁處理后10# 鋼管的機械性能前面的實驗數據已經驗證了經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足換熱器的使用要求, 但人們還普遍關心經滲鋁處理后其材料機械性能如何?會發(fā)生什么樣的變化?為此筆者從同爐號、同批號、同一軋制工藝按GB8163 - 87 標準生產的10# 冷拔管(25 2. 5) 中抽取若干試樣, 一部分試件經950980 溫度下固體滲鋁處理, 其余的試件作為對比件進行試驗比較分析,其結果如下。(1) 拉伸試驗數據表2 拉伸試驗數據試驗號滲鋁管非滲鋁管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標準進行試驗, 結果見表2, 數據均能滿足GB8163- 87的要求。(2) 擴口試驗按GB242 - 82 滲鋁管做了四組試驗, 每組進行不同的擴口率, 每組試件三個, 非滲鋁管做了一組三個試件結果見表3。表3 擴口試驗數據滲鋁管非滲鋁管擴口至25.75擴口至26擴口至26.25擴口至27擴口至26.25試件1無裂紋無裂紋無裂紋無裂紋無裂紋試件2無裂紋無裂紋無裂紋無裂紋無裂紋試件3無裂紋無裂紋無裂紋無裂紋無裂紋( 3) 壓扁試驗根據GB246- 82,當管外徑D= 25, S= 2. 5時,經計算壓板距離為H= 15, ,滲鋁管六件試樣,非滲鋁管三件試樣經壓扁至H= 15mm時,均未發(fā)現裂紋。上述試驗表明: 滲鋁管力學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于對材料進行了正火處理, 改善了材料組織、細化了晶粒的結果。另外, 滲鋁層中具有的Fe2Al5 相, 有較高的顯微硬度,可達HRC60 左右,使?jié)B鋁鋼具有較高的耐磨性和抗沖刷腐蝕能力。試驗驗證, 10# 鋼管經滲鋁處理后, 無論是其耐腐蝕性能、傳熱性能還是機械性能都滿足制作加工高硫原油換熱設備的要求, 然而, 由于其焊接技術一直困繞著人們,制約了其廣泛應用。3 滲鋁管的焊接滲鋁管其可焊性如何及焊接接頭的有關性能能否滿足可靠性的要求, 是滲鋁管能否用于制造管殼換熱器的關鍵。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考慮,焊材可選擇含Al 鋼或Cr - Mo 鋼。對于前者,由于滲鋁層含鋁量高達50 %以上,需采用含鋁量高的焊接材料,但鋁在焊接時電弧所引起高溫下對氧的親和力比別的元素都強很多, 因此焊接過程中鋁會被強烈氧化, 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足耐蝕的要求。而當焊材與母材的化學成分不同時, 由于母材中Al 的作用, 焊后在近縫區(qū)形成脫碳層,俗稱“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。它是整個焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié),也是焊接滲鋁鋼的主要問題3 。要解決這個問題, 既要考慮母材和焊材化學成分的影響,又要考慮其晶體結構的影響。經多次試驗分析, 我們選用了日本產AWS A5標準的Cr - Mo 鋼焊絲和國產Cr - Mo 鋼焊絲, 并改進了焊接工藝,從而解決了滲鋁鋼焊接問題,并可實施異種鋼焊接, 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,主要是為了保護滲鋁層不受機械損傷, 保證其良好的耐腐蝕性, 因此應按照GB151 - 1999 附錄B“換熱管與管板接頭的焊接工藝評定”的要求進行焊接工藝評定, 確定焊接工藝參數,焊接接頭形式如圖2 示。選用日本產AWS A5 標準的焊絲經焊接工藝評定,選定了焊接參數。這些參數在焊接技術指導書中已詳細列出,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4. 1 無損檢測和金相組織分析按GB151 - 1999 附錄B 規(guī)定, 對滲鋁管與管板的焊縫進行著色檢測, 符合JB4730 - 94 規(guī)定的級。宏觀檢查: 沿評定用管中心線剖開兩個焊接接頭, 對四個剖面的八個觀察面用10 倍的放大鏡進行宏觀檢查均未發(fā)現裂紋、未融合等缺陷, 角焊縫的H值大于3. 5mm。金相檢驗: 經對試件切面進行金相分析, 焊縫、熔合線、滲鋁層和基體金屬溶合連續(xù), 而且整個焊縫在焊接后的結晶組織都沒有發(fā)生改變, 見圖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 過熱區(qū)金相組織350 4. 2 拉脫力從上述焊接工藝評定用焊接試板中, 按圖6 所示尺寸切割六件評定用管試件, 進行拉力試驗, 數據見表5 , 均斷于母材, 這說明焊縫金屬材料強度高于管材的強度, 即使按實驗所得數據最小值計算, 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 對接接頭強度按試驗確定的焊接工藝參數, 取252. 5滲鋁管進行對接焊接。選用AWS A5標準Cr - Mo 鋼焊條,對接接頭不開坡口, 手工氬氣保護焊, 外部焊逢不留加強高, 共做五個試件。經RT檢驗, 全部符合JB4730- 94規(guī)定的級; 拉斷試驗數據見表6, 均斷于母材,為塑性斷裂。b 值滿足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 焊縫抗拉強度試件12345bMPa360.6358.3357.8362.3359.7圖6 拉脫力試件由上述的檢驗可以看出: 滲鋁管采用的焊材和焊接工藝滿足要求。另經現場掛片試驗焊縫的抗腐蝕能力和滲鋁鋼基本相同。曾采用上述技術為齊魯公司二化、濟南煉油廠、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指導工作, 制造了十余臺換熱器, 均能滿足使用要求, 使用壽命都不同程度的