尿素设备中不锈钢材料的选用
2002-03-11 00:00 来源： 我的钢铁
尿素设备用材的发展,不仅取决于材料本身耐蚀性的好坏，而且还与尿素信工艺流程的发展对用材的要求，本国材料的行情，制造及维修技术的掌握程度等密切相关。当前尿素设备使用最普通的材料还是00Cr17Ni14Mo2，这种状态看来还要保持一段时间。从尿素用材的开发过程来分析，可以看到尿素耐腐蚀用材的一些发展方向。
1.钛材的广泛应用
日本三井东压公司的改良C法，改良D法等流程，美国埃索公司均采用了衬钛合成塔。意大利Snam的氨汽提法流程中的氨汽提塔采用了钛材。我国也自己制造了一些关键部件。
就我国情况而言，尽管钛设备比不锈钢设备的一次性投资高，但是设备的使用寿命相当长，我国的钛资源丰富，并且，对钛设备的设计制造技术已有一定的基础，制造质量不断提高，因此，钛制设备在我国将会得到一定的发展。
2.含铁素体相的不锈钢的应用得到发展
荷兰斯塔米卡帮公司的技术中规定，尿素用不锈钢必须是纯奥氏体不锈钢，不得含有铁素体。
但是日本，美国及我国却越来越多的成功地应用了含铁素体的不锈钢，日本资料认为复相钢Sandvik 3RE60 虽含有60%的铁素体，耐蚀性却与316L类似。
我国试验也得到同样的结果，尤其在甲铵泵钢体中成功地应用了这种材料。
随着制造技术的发展，复相钢的轧锻成型已不再是困难的事，复相钢在尿素设备中的应用也会逐渐增多。
3.不锈钢的含碳量趋于下降
随着不锈钢冶炼技术的发展，尿素用不锈钢的含碳量也趋于下降。
早期欧美尿素设备的耐蚀材料主要是使用普通含碳量的304,316,317等以及稳定化钢321,347,318等，二十世纪60年代以后主要采用316L,317L。
前苏联超低碳的生产技术发展较晚，很长时间都采用普通含碳级的稳定化钢0Cr17Ni12Mo2Ti,0Cr17Ni12Mo3Ti,0Cr17Ni16Mo3Ti等。70年代除使用316L外，还自行研制了00Cr16Ni15Mo3。
我国开始也主要采用稳定化钢1Cr18Ni12Mo2Ti和1Cr18Ni12Mo3Ti，60年代后期以来主要采用超低碳00Cr17Ni14Mo2和00Cr17Ni14Mo3。
日本三井东压公司为了解决高压分解塔用材问题，将含碳量<=0.10%的329改进为含碳量<=0.08%的SUS329J1 ，并继而改进为超低碳的NTK R4。
荷兰斯塔米卡帮公司和瑞典Avesta公司共同研制的汽提管用材2RE69的含碳量已降到<=0.02%。
一些超纯铁素体的商用牌号如美国ASTM的XM27(000Cr26Mo)已将碳含量降到<=0.01%，在尿素设备中得到试用。
为了补偿因含碳量下降而降低的强度和奥氏体化能力，常在超低碳钢中加入少量氮，如316LN,2RE69,NTK R4等均含有<=0.20%的氮。现在有的尿素用奥氏体钢和复相钢已经将碳含量降到<=0.02%，如瑞典的2RE69,日本三井东亚公司的25Cr-7Ni-3Mo等。
4.不锈钢的含铬量有提高趋势
尿素用钢长期采用含铬量为17%的不锈钢。由于尿素甲铵溶液产生晶间腐蚀和选择性腐蚀的能力很强，产生这些腐蚀在材料方面的主要原因是由于不锈钢的局部贫铬，因此在降低含碳量的同时，铬含量有提高的趋势。按照n/8规律，一般把原来的17%含铬量提高到25%。焊条一般选择Avesta P5(含铬22%）较选择含铬17%的NC36L，832SKER，E316，ELC-16等可取得满意的效果。
5.不锈钢的含镍量有下降的趋势
主要是为了节镍考虑。高铬低镍的复相钢，无镍的超纯铁素体等在尿素甲铵溶液中都有很好的耐蚀性，是有前途的尿素用钢。
高压甲铵设备:
银和铅----合成塔最初采用银和铅作为衬里材料,但其使用中存在不少缺点,操作温度必须低于175~180°C,银的腐蚀速度约为0.1~1mm/a；铅的腐蚀速度约为1~10mm/a，也不理想。二氧化碳中的硫含量必须低于5mm/m³，氧含量必须低于10ppm。银和铅均较软，容易遭受到冲蚀。由于这些原因，这两种材料已不再使用。
不锈钢----西欧采用316L；美国除少量采用316L外大多采用317L；苏联和东欧近年也在使用316L和自行研制的超低碳尿素用钢00Cr16Ni15Mo3；我国最早在中小型尿素设备中采用1Cr18Ni12Mo2Ti和1Cr18Ni12Mo3Ti，后来主要采用00Cr17Ni14Mo2，有时也采用00Cr17Ni14Mo3。以往我国的尿素用钢基本上全靠进口，近年来国内发展了AOD（氧氩脱碳精炼），VOD（真空脱碳精炼）等炉外精炼技术，已成功的冶炼出尿素级超低碳不锈钢，生产的产品完全可以替代进口。
钛----日本三井东压公司的改良C法合成塔操作温度达205°C，不锈钢的耐蚀性已不能满足要求，因而不得不采用耐蚀性更好的钛材。日本一制造了大型衬钛合成塔约80台，美国埃索公司也制造使用衬钛合成塔[21]国内试验结果[22]表明，在190°C操作温度下，钛的全面腐蚀速度要比不锈钢低一个数量级，又不象不锈钢那样容易遭受到晶间腐蚀，选择性腐蚀，应力腐蚀破裂等局部腐蚀。
锆----美国的CPI-Allied法尿素合成塔操作温度高达230°C，钛和不锈钢都不能满足要求，因而采用了锆。在200°C以下时，锆的耐蚀性要比钛好一个数量级。由于造价高，在其它的生产方法中还没有得到应用。
中压加热分解设备：
溶液全循环法中的预分离器，一段加热器，一段分离器，一段吸收塔以及改良C法中的高压分离塔等设备均在约1.7MPa压力下操作。尿素甲铵液从合成压力(19.6MPa或24.5MPa)降到1.7MPa的中压，液相中的氧会大量逸出，使氧含量由原来的上百ppm降到0.1~6ppm，氧的分布也很不均匀，使尿素甲铵液的腐蚀性较强。日本源用316L制造这些设备，遭到了严重的奥氏体选择性腐蚀和其它局部腐蚀。曾改用钛，也遭到了局部腐蚀。后经一系列试验才确定了采用25Cr-5Ni-2Mo型的SUS329J1和NTK R4，取得了很好的效果。美国，印度，苏联采用316L,0Cr17Ni16Mo3Ti也曾遭到过严重腐蚀。国内有的厂采用1Cr18Ni12Mo2Ti和00Cr17Ni14Mo2同样遭到严重腐蚀。国内有的厂一段设备采用了0Cr17Mn13Mo2N使用情况良好。国内也曾采用过钛制造加热分解塔，没有出现腐蚀问题。总之，由于中压加热分解设备中的尿素甲铵液氧含量低，以采用对低氧适应性好的低镍和无镍复相不锈钢如0Cr17Mn13Mo2N和NTK R4为宜。
汽提塔：
二氧化碳汽提塔汽提管中的尿素甲铵溶液受到管程高温水的加热，温度较高，腐蚀性较强。荷兰斯塔米卡邦公司开始采用316L管，三年即遭到严重腐蚀。后经试验，发现钛，Cr28Mo2，Cr26Mo以及00Cr25Ni22Mo2N的耐蚀性均比316L好，从价格与制造工艺等方面考虑，他们定型选用了00Cr25Ni22Mo2N作为汽提管材料（瑞典Sandvik 2RF69），取得了很好的使用效果。我国中压联脲汽提塔采用了0Cr17Mn13Mo2N制造，使用效果良好。
减压阀：
溶液全循环法和改良C法合成塔出口减压阀内的尿素甲铵溶液流速很高，压力很大，对阀芯阀座的冲刷腐蚀严重。日本起初用铅制造，寿命很短，后用316L，寿命也不长，一段时间用过钛合金（6Al-4V），寿命也不理想，后来采用锆合金，只需每年检查一次，两年修磨一次，有的厂可用8年以上。我国引进的改良C法装置中锆减压阀的使用情况也很好。国内中小尿素厂一般使用0Cr18Ni12Mo2Ti和316，平均寿命仅约三个月。一些厂使用0Cr17Mn13Mo2N，寿命可在半年或一年以上。有的厂使用了锆以及表面钝化处理后的锆合金，正常情况下寿命可在一年或两年以上[23]。国内曾试用过纯钛和钛合金TC4，寿命很短。从国内情况来看，以采用锆合金和0Cr17Mn13Mo2N为宜。阀芯阀座用料很少，允许使用一些贵重材料。
甲铵泵：
往复式高压甲铵泵的关键易损件为缸体，填料函，单向阀，弹簧等。
缸体和填料函在甲铵液的腐蚀和交变应力的联合作用下，在应力集中部位很容易产生腐蚀疲劳开裂。国外60年代主要采用316,316L,329,X8CrNiMoNb18-12,0Cr17Ni16Mo3Ti等材料制造，平均寿命仅半年。近年日本，欧洲等国采用了316LN，寿命可达两万至五万小时以上。苏联研制采用了00Cr16Ni15Mo3，寿命有所提高。日本三井东压公司材采用了SUS329J1等高铬不锈钢。美国将316L和329进行真空冶炼，寿命可成倍提高。他们采用了E-Brite 26-1，寿命要比316L增加一倍。实验数据表明，E-Brite26-1(00Cr26Mo)，Sandvik 3RE60(00Cr18Ni5Mo3Si2)及316LN都是抗尿素甲铵液腐蚀疲劳性能较好的材料。
单向阀采用钛合金TC4效果很好。
单向阀的弹簧材料采用钛合金TC3，会取得更满意的效果。
1.钛材的广泛应用
日本三井东压公司的改良C法，改良D法等流程，美国埃索公司均采用了衬钛合成塔。意大利Snam的氨汽提法流程中的氨汽提塔采用了钛材。我国也自己制造了一些关键部件。
就我国情况而言，尽管钛设备比不锈钢设备的一次性投资高，但是设备的使用寿命相当长，我国的钛资源丰富，并且，对钛设备的设计制造技术已有一定的基础，制造质量不断提高，因此，钛制设备在我国将会得到一定的发展。
2.含铁素体相的不锈钢的应用得到发展
荷兰斯塔米卡帮公司的技术中规定，尿素用不锈钢必须是纯奥氏体不锈钢，不得含有铁素体。
但是日本，美国及我国却越来越多的成功地应用了含铁素体的不锈钢，日本资料认为复相钢Sandvik 3RE60 虽含有60%的铁素体，耐蚀性却与316L类似。
我国试验也得到同样的结果，尤其在甲铵泵钢体中成功地应用了这种材料。
随着制造技术的发展，复相钢的轧锻成型已不再是困难的事，复相钢在尿素设备中的应用也会逐渐增多。
3.不锈钢的含碳量趋于下降
随着不锈钢冶炼技术的发展，尿素用不锈钢的含碳量也趋于下降。
早期欧美尿素设备的耐蚀材料主要是使用普通含碳量的304,316,317等以及稳定化钢321,347,318等，二十世纪60年代以后主要采用316L,317L。
前苏联超低碳的生产技术发展较晚，很长时间都采用普通含碳级的稳定化钢0Cr17Ni12Mo2Ti,0Cr17Ni12Mo3Ti,0Cr17Ni16Mo3Ti等。70年代除使用316L外，还自行研制了00Cr16Ni15Mo3。
我国开始也主要采用稳定化钢1Cr18Ni12Mo2Ti和1Cr18Ni12Mo3Ti，60年代后期以来主要采用超低碳00Cr17Ni14Mo2和00Cr17Ni14Mo3。
日本三井东压公司为了解决高压分解塔用材问题，将含碳量<=0.10%的329改进为含碳量<=0.08%的SUS329J1 ，并继而改进为超低碳的NTK R4。
荷兰斯塔米卡帮公司和瑞典Avesta公司共同研制的汽提管用材2RE69的含碳量已降到<=0.02%。
一些超纯铁素体的商用牌号如美国ASTM的XM27(000Cr26Mo)已将碳含量降到<=0.01%，在尿素设备中得到试用。
为了补偿因含碳量下降而降低的强度和奥氏体化能力，常在超低碳钢中加入少量氮，如316LN,2RE69,NTK R4等均含有<=0.20%的氮。现在有的尿素用奥氏体钢和复相钢已经将碳含量降到<=0.02%，如瑞典的2RE69,日本三井东亚公司的25Cr-7Ni-3Mo等。
4.不锈钢的含铬量有提高趋势
尿素用钢长期采用含铬量为17%的不锈钢。由于尿素甲铵溶液产生晶间腐蚀和选择性腐蚀的能力很强，产生这些腐蚀在材料方面的主要原因是由于不锈钢的局部贫铬，因此在降低含碳量的同时，铬含量有提高的趋势。按照n/8规律，一般把原来的17%含铬量提高到25%。焊条一般选择Avesta P5(含铬22%）较选择含铬17%的NC36L，832SKER，E316，ELC-16等可取得满意的效果。
5.不锈钢的含镍量有下降的趋势
主要是为了节镍考虑。高铬低镍的复相钢，无镍的超纯铁素体等在尿素甲铵溶液中都有很好的耐蚀性，是有前途的尿素用钢。
高压甲铵设备:
银和铅----合成塔最初采用银和铅作为衬里材料,但其使用中存在不少缺点,操作温度必须低于175~180°C,银的腐蚀速度约为0.1~1mm/a；铅的腐蚀速度约为1~10mm/a，也不理想。二氧化碳中的硫含量必须低于5mm/m³，氧含量必须低于10ppm。银和铅均较软，容易遭受到冲蚀。由于这些原因，这两种材料已不再使用。
不锈钢----西欧采用316L；美国除少量采用316L外大多采用317L；苏联和东欧近年也在使用316L和自行研制的超低碳尿素用钢00Cr16Ni15Mo3；我国最早在中小型尿素设备中采用1Cr18Ni12Mo2Ti和1Cr18Ni12Mo3Ti，后来主要采用00Cr17Ni14Mo2，有时也采用00Cr17Ni14Mo3。以往我国的尿素用钢基本上全靠进口，近年来国内发展了AOD（氧氩脱碳精炼），VOD（真空脱碳精炼）等炉外精炼技术，已成功的冶炼出尿素级超低碳不锈钢，生产的产品完全可以替代进口。
钛----日本三井东压公司的改良C法合成塔操作温度达205°C，不锈钢的耐蚀性已不能满足要求，因而不得不采用耐蚀性更好的钛材。日本一制造了大型衬钛合成塔约80台，美国埃索公司也制造使用衬钛合成塔[21]国内试验结果[22]表明，在190°C操作温度下，钛的全面腐蚀速度要比不锈钢低一个数量级，又不象不锈钢那样容易遭受到晶间腐蚀，选择性腐蚀，应力腐蚀破裂等局部腐蚀。
锆----美国的CPI-Allied法尿素合成塔操作温度高达230°C，钛和不锈钢都不能满足要求，因而采用了锆。在200°C以下时，锆的耐蚀性要比钛好一个数量级。由于造价高，在其它的生产方法中还没有得到应用。
中压加热分解设备：
溶液全循环法中的预分离器，一段加热器，一段分离器，一段吸收塔以及改良C法中的高压分离塔等设备均在约1.7MPa压力下操作。尿素甲铵液从合成压力(19.6MPa或24.5MPa)降到1.7MPa的中压，液相中的氧会大量逸出，使氧含量由原来的上百ppm降到0.1~6ppm，氧的分布也很不均匀，使尿素甲铵液的腐蚀性较强。日本源用316L制造这些设备，遭到了严重的奥氏体选择性腐蚀和其它局部腐蚀。曾改用钛，也遭到了局部腐蚀。后经一系列试验才确定了采用25Cr-5Ni-2Mo型的SUS329J1和NTK R4，取得了很好的效果。美国，印度，苏联采用316L,0Cr17Ni16Mo3Ti也曾遭到过严重腐蚀。国内有的厂采用1Cr18Ni12Mo2Ti和00Cr17Ni14Mo2同样遭到严重腐蚀。国内有的厂一段设备采用了0Cr17Mn13Mo2N使用情况良好。国内也曾采用过钛制造加热分解塔，没有出现腐蚀问题。总之，由于中压加热分解设备中的尿素甲铵液氧含量低，以采用对低氧适应性好的低镍和无镍复相不锈钢如0Cr17Mn13Mo2N和NTK R4为宜。
汽提塔：
二氧化碳汽提塔汽提管中的尿素甲铵溶液受到管程高温水的加热，温度较高，腐蚀性较强。荷兰斯塔米卡邦公司开始采用316L管，三年即遭到严重腐蚀。后经试验，发现钛，Cr28Mo2，Cr26Mo以及00Cr25Ni22Mo2N的耐蚀性均比316L好，从价格与制造工艺等方面考虑，他们定型选用了00Cr25Ni22Mo2N作为汽提管材料（瑞典Sandvik 2RF69），取得了很好的使用效果。我国中压联脲汽提塔采用了0Cr17Mn13Mo2N制造，使用效果良好。
减压阀：
溶液全循环法和改良C法合成塔出口减压阀内的尿素甲铵溶液流速很高，压力很大，对阀芯阀座的冲刷腐蚀严重。日本起初用铅制造，寿命很短，后用316L，寿命也不长，一段时间用过钛合金（6Al-4V），寿命也不理想，后来采用锆合金，只需每年检查一次，两年修磨一次，有的厂可用8年以上。我国引进的改良C法装置中锆减压阀的使用情况也很好。国内中小尿素厂一般使用0Cr18Ni12Mo2Ti和316，平均寿命仅约三个月。一些厂使用0Cr17Mn13Mo2N，寿命可在半年或一年以上。有的厂使用了锆以及表面钝化处理后的锆合金，正常情况下寿命可在一年或两年以上[23]。国内曾试用过纯钛和钛合金TC4，寿命很短。从国内情况来看，以采用锆合金和0Cr17Mn13Mo2N为宜。阀芯阀座用料很少，允许使用一些贵重材料。
甲铵泵：
往复式高压甲铵泵的关键易损件为缸体，填料函，单向阀，弹簧等。
缸体和填料函在甲铵液的腐蚀和交变应力的联合作用下，在应力集中部位很容易产生腐蚀疲劳开裂。国外60年代主要采用316,316L,329,X8CrNiMoNb18-12,0Cr17Ni16Mo3Ti等材料制造，平均寿命仅半年。近年日本，欧洲等国采用了316LN，寿命可达两万至五万小时以上。苏联研制采用了00Cr16Ni15Mo3，寿命有所提高。日本三井东压公司材采用了SUS329J1等高铬不锈钢。美国将316L和329进行真空冶炼，寿命可成倍提高。他们采用了E-Brite 26-1，寿命要比316L增加一倍。实验数据表明，E-Brite26-1(00Cr26Mo)，Sandvik 3RE60(00Cr18Ni5Mo3Si2)及316LN都是抗尿素甲铵液腐蚀疲劳性能较好的材料。
单向阀采用钛合金TC4效果很好。
单向阀的弹簧材料采用钛合金TC3，会取得更满意的效果。
