NACE炼厂腐蚀教材-中文

1、第十五章炼厂用的结构材料学习目的完本钱章学习后,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标准时应当强调的领域*识别设计师通过质量保证方案应当强调的领域_ I ) _ 丁- - j-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

2、金'、| .-讨论镇静钢在预防腐蚀方面的意义 I*比拟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& I*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*讨论质量限制程序,使设计师能够制定验证热处理是否得当的技术规程*比拟和比照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*比拟和比

3、照设计师规定的焊接工艺并讨论用于保证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答复：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、铸造、热处理和焊接等能否成功地制造出规定 的产品形状和生产水平如何？4. 现场安装和后续维修是否比拟方便？5. 如预期设计寿命、可靠性和使用期本钱总的本钱/使用

4、期年数？与对上述大多数问题的预期答复不同,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珍贵的.腐蚀工程的最终举措 包括：1. 设备性能是否令人满意？2. 总本钱是否优化？问题确实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.假设可能,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、

5、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方法：*选择和审查针对预期问题的各种解决方案.*编制明确的行动方案和方案,对各种可以选择的解决方案进行比拟和评价.评价各种可以选择的解决方案,应当比拟以下各项：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平安后果3. 能否得到这样的材料,制造过程是否相比照拟容易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 仅材料本钱很少能够满足各种方案的比拟.本钱比

6、拟应当包括：-总的材料费用*安装的人工费用*维修和方案外停工费用-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%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 1 ' 1 1-心 r全年总费用$15,750$15,380$9,000与“ A比拟全年节省费 用. $3707 , *

7、/T. jT$6,7501i|'按50%计算节省税款广一$185$3,375比“ A 好的投资回报净节省金额c额外费 用0.9%22.5%以上例子证实,当考虑到所有因素时,最终结果几乎与初始本钱没有关系.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L I -I 1 匚概念发生的.根据这样的概念,整个腐蚀反响分为阳极局部和阴极局部,这些反响是 在金属外表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

8、单一的金属外表形成的由于局部外表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根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

9、程中,也必须考虑到那些失效发生频率比拟低的腐蚀形式.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根据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.X I ? _-|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

10、是最有用的. | I | / j r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.根据试验结果能够识别腐蚀类型,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=- . ".丫面积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

11、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.例如: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中选择结构材料,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*材料标准*制造和检验/

12、I 1 j 'i*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. |.r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.应当给供给商提供简要明确的书面技术规 范,保证准确订购所需要的材料.设备应当恰当制造并充分检查,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,保证设备到达预期寿命.当腐蚀 失效发生时,通常与结构材料选

13、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.聘用专业参谋许多大公司,特别是在炼油工业,都有专门的材料工程部门,该部门练习有素的 材料工程师直接与设计师在公司装置上协同工作,努力降低由于腐蚀造成的费用损 失.材料工程师应当精通他们指定效劳的装置的工艺过程,对相应的腐蚀问题应当了 如指掌,能够为设计师提出的任何设计问题提供咨询.设计师也必须具备根本的腐蚀 常识,能够区分出是否存在腐蚀问题并向材料工程专家咨询.必须克服一个根本误 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

14、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给商给予指导.许多材料供给商可以提供他们制 造的材料的有用信息,由于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.他们也知道如何保证他们的产品在使用现场到达最正确性能.但是,设计师在听取供给商的推荐意见时,应当格外谨慎.作为商人,供给商总 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,而不锈钢供给 商希望一切部件都采用不锈钢制造.对这样的问题,为了预防设计师受到供给商宣传 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.材料标准

15、为保证设计师能够真正获得他精心选择的材料,他必须给供给商、制造厂或加工 厂提供准确清楚的材料标准.假设定单不够明确,供给商可能提供错误的或者不适宜 的材料. I |! I I -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/ I2. 制造方法和需要的热处理方法3. 形状、尺寸公差、外表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标准.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

16、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.调查说明,既没有给 塔的制造厂提供适用的材料标准,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

17、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,由于这些制造方法 会直接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.如果热处理不适宜,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、外表光洁度而言,重要的是要保证正确规定所有适宜 的尺寸.技术标准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,外表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.规定特定的外表光洁度要求时,还应包括可以接受的外表光洁度的公 差.例如,假设奥氏体或含铬不锈钢

18、设备的耐腐蚀性需要到达某种光洁度时,应当做 出更具体地规定,而不是仅仅要求光滑的或抛光的外表 .应当具体规定外表粗糙度尺寸和可以接受的公差.国家标准对设计师而言,保证他能够从制造厂得到根据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给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,由于需要对 它们定期进行审查,年复一年地进行修订、改良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,由于它们：*明确规定了工业上有的和任选的要求*为制定公司技术标准、图纸和定单提供了方便的参考减少了误解,消除了熟悉上的分歧*代表一

19、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,降低本钱.设计师可以利用的标准文献有数百种.表15.2列出在美国公布材料标准的一些组织机构.表15.2美国公布标准的组织机构缩写组织机构名称AAAluminum Association 铝行业协会AISIAmerican Iron and Steel Institute美国钢铁学会ANSIAmerican Natio nal Sta ndards In stitute 美国国豕标准学会APIAmerica n Petroleum In stitute 美国石油学会ASMEAmerica n Society of Me

20、cha ni cal Engin eers美 国机械工程师学会ASTMAmerica n Society for Testi ng and Materials 美国材料试验学会AWSAmerican Welding Society 美国焊接学会AWWAAmerican Water Works Association 美国水厂协会CDACopper Developme nt Associatio n 铜业开发协会CMAAmerican Cast Metal Association 美国铸造金属协会MTIMaterials Tech no logy In stitute of the Proces

21、s In dustries 过程工业材料 技术学会NACENACE International美国国家腐蚀工程师学会SAESociety of Automotive Engineers 汽车工程师学会TEMATubular 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 与材料署也公布了许多标准.这些标准包括叫做QQS-联邦标准、MIL-S陆军-海军航空技术标准和航天材料技术标准AMS 等.公司标准由于国家标

22、准不能完全覆盖某些工程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,由于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.专门的材料标准、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,有一专门部门治理公司标准.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 技术标准,并定期审查和修订.由于这些技术标准是针对本公司特有的问题编制的,

23、所以,公司设计师能够从中受益.设计师编制技术标准时需要记住什么1. 技术标准要尽量编写得短小精悍,必须对各项要求和需要到达的质量水准做出明 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. 应当预防模糊不清的陈述,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,采用这样模糊不清的陈述,就可能不必要地增加制造本钱,由于 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,而要具体说明要求到达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并造成质量问题.例如,有家

24、制造厂单独生产了数英里长的3英寸76 mm直径AISI304L奥氏体不锈钢焊接管道.原先的采购技术标准要求所有纵向焊缝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来源于网络看每一张X光片.他们错误地认为 X

25、光穿过了这些焊缝,那么这样的焊缝就是 到达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. 编制技术标准时要考虑到本钱.不应当把技术标准编得过于严格而把令人满意的 合格材料也排除在外.此外,技术标准不应当对制造商有过分的限制,以至影响 至甩们的生产本钱,最后影响到他们不必要的提升供货价格.另一方面,技术规 范决不可模糊不清,而允许质量不符合要求.6任何技术标准,总要把平安问题放在首位.例如,假设

26、必须进行气压试验,试压 前,应当能够检查所有焊缝.如果由于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.假设 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. 但凡可能的时候,要努力降低本钱,利用工业上有的材料按标准建造方法制造设.rI - .备.8. 在技术标准最终定稿前,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,由于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,分馏塔的塔盘或填料应由塔盘制造厂来设计而不是由分馏塔的设

27、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保证质量.10. 技术标准中应当仔细注明,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. 假设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 经证实他们有水平以有竞争力的价格制造出质量稳定的产品.为限制质量设计师应询问的问题关注材料耐腐蚀性的设计师必须采取某些手段来限制质量.否那么,制造厂制造

28、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 限制方案.要记住,设计师能够也应当限制产品的质量.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：来源于网络*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？-该制造厂的竞争水平如何？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

29、正式的形成文件的质量保证和质量限制体系？*是否需要热处理无论是为了设备的稳定性或是耐腐蚀性？*假设需要热处理,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？*假设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方案.根据美国质量限制学会概括的定义,质量是产品或效劳的特点和特性的全部,其.rI - .决定了该产品或效劳满足特定需求的水平.简单来讲,质量限制就是要适合使用.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

30、进行磋商,决定采用 什么检验方法来保证质量.检验本钱是要考虑的,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,由于这样才能够节省大量费用并消除平安危险.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-承受负载的水平,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的水平.*硬度-良好耐磨性指标.*塑性-稍微变形可以复原.*蠕变稳定性-负载下低流动速率.金属还有一些与负

31、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水平,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-允许改变和限制机械性能.低碳钢和中碳钢至少占炼厂全部用量的80%,常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,枯燥烃流体,注入缓 蚀剂,或者放宽腐蚀余量. r .f .佥 n /由

32、于炼油工艺已经开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列出局部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 Fe1-1/4 Cr-1/2 Mo0.15% C max., 1.25% Cr, 0.5% Mo,余量 Fe2-1/4 Cr-1/2 Mo0.15% C max., 2.25%

33、Cr, 1.0% Mo,余量 Fe5 Cr-1/2 Mo0.15% C max., 4%-6% Cr, 0.5% Mo,余量 Fe9 Cr-1 Mo0.15% C max., 8%-10% Cr, 1% Mo,余量 Fe12 Cr (Type 410)0.15% C max., 11%-13% Cr,余量 Fe17 Cr (Type 430)0.12% C max., 14%-18% Cr,余量 Fe26 Cr (Type 446)0.20% C max., 23%-30% Cr,余量 FeType 304不锈钢0.08% C max., 18%-20% Cr, 8%-11% Ni,余量 Fe

34、Type 304L不锈钢0.03% C max., 18%-20% Cr, 8%-12% Ni,余量 FeType 316不锈钢0.08% C max., 16%-18% Cr, 10%-14% Ni, 2%-3% Mo,余量 FeType 309不锈钢0.15% C max., 22%-24% Cr, 12%-15% Ni,余量 FeType 310不锈钢0.15% C max., 24%-26% Cr, 19%-22% Ni,余量 Fe2-1/4%镍钢0.19% C max., 2.03%-2.57% Ni,余量 Fe3-1/2%镍钢0.19% C max., 3.18%-3.82% Ni

35、,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 来源于网络氢侵蚀.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 钼不锈钢预防环烷酸腐蚀.请注意,合金钢确实增加了材料本钱.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,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

36、文所述,炼厂材料的选择是平安、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,所以平安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 f ) 1合金11099% Al轻型结构合金30031.0%-1.5% Mg,余量 Al换热器管子合金60610.8%-1.2% 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.r-J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

37、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80030%-35% Ni, 19%-23% Cr, 40% Fe, 0.10% C管道、管子、板材合金2028%-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

38、.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,此时要参加 脱氧剂,除去二氧化碳这样的气体,否那么,钢水浇注时,这些气体会从熔体中剧烈地 释放出来.参加脱氧剂,可以使钢水浇注过程变得比拟平静.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熟悉的加深,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

39、.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.由于有多种炼钢工艺,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.由于仅局部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处.钢钢是铁与碳、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,并且价格是比拟合理的.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,这使现代承压设备到达所要求的可靠性和平安性.钢是含有碳、锰、其他合金元素的铁基合金的总称.表15.5列出局部常见合金元素,它们在钢中的作用以及它们的主

40、要功能.大多数炼厂用钢的碳含量在0.03%至0.30%之间,保证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i |铬Cr显着硬化；增强耐 腐蚀性适度增加可淬 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 显着硬化；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.1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着增加可淬性钼-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 .' . - 1

41、1 略微增加可淬性；但往往使奥 氏体有较高的碳人曰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 降低可淬性最强2%钛使0.50%碳钢不能硬化使碳固定在惰性颗粒 上；预防长时间加热期 间不锈钢中的铬局部耗 尽炼厂用钢可以分为以下几大类:*碳钢低合金钢铬-钼

42、钢*不锈钢*镍钢在美国,以下组织机构之一或多家公布的化学组成和特性技术标准涵盖了这些钢 种的大多数：*美国材料试验学会ASTM*美国机械工程师学会ASMEI r 1|. _*美国石油学会API*美国钢铁学会AISI*美国国家标准学会ANSI15.6 列在其他国家,也可以采用其他标准机构的技术标准.大多数技术标准包含各种产 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 出局部ASTM标准中采用的管材、板材、铸件和锻件的技术标准.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,

43、A181,A135,A139,A299,A455,A352A234,A268,A178,A179,A515,A516,A350,A372,A192,A210,A537,A570,A420,A508,A214,A226,A573A541A333,A334,A369,A381*,A524,A587,A671, A672, A691C-1/2 Mo 钢A209,A250,A204,A302,:A217,A352,A182,A234,A335,A369,A517, A533A487A336,A508,A426, A672, A691A5411 Cr-1/2 Mo 钢A213,A334,A387, A5

44、17A182,A234,A369, A426A3361-1/4 Cr-1/2 MoA213,A335,A387,A389*,A217, A389*A182,A234,钢A369, A426, A691A517A336, A5412 Cr-1/2 Mo 钢A213, A3692-1/4 Cr-1 Mo 钢A213,A335,A387, A542:A217, A487A182,A234,A369, A426, A691A336,A541,A5423 Cr-1 Mo 钢A213,A335,A387A182, A336A369, A426, A6915 Cr-1/2 Mo 钢A213,A335,A38

45、7A217A182,A234,A369, A426A691A3367 Cr-1/2 Mo 钢A213,A335,A387A182, A234A369, A4269 Cr-1 Mo 钢A213,A335,A387A217A182,A234,A369, A426A336铁素体、马氏体A213,A249,A167,A176*,A297*,A351,A182,A336,和奥氏体不锈钢A268,A269,A240, A412A447*A403, A473*A312,A358,A376,A409,A450,A451,A511*注解：碳钢和合金钢螺累栓螺母包括在技术标准A193、A194、A320、A354

46、、A449、A453、A540、A563* 中*这些技术标准没有获得ANSI/ASME锅炉和压力容器标准的批准设备制造标准或标准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标准是 ASME、ANSI、API标准.碳钢碳钢是含有限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%.由于它们一般需要焊接,所以,碳含量必须比拟低,在0.15%至0.35%的范围内,通常叫做低碳钢或中碳钢.蒸馏塔、别离器、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 :C800 :F

47、,正常采用碳钢更为经济.如果由于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 蚀性能本钱效益较好的方法.C-Mo 钢C-Mo钢主要是C-1/2 Mo等级,优于普通碳钢,改善了高温强度和抗蠕变性能, 特别在426 :C至538 :C800 ：F至1000：F的温度范围内.但是,参加钼并没有显着 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水平,所以,常常规定在高温氢环境下要选用C-1/2

48、Mo钢.但是,最近人们对长期暴露在咼温氢环境中的 C-1/2 Mo钢的性能已经提出了疑冋.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： 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,焊接比拟困难.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,假设硬度超过 HRC

49、 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.高强低合金钢需要限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 :C900 ：F的使用条件下,用含有最多9%铬和1%钼的低合金钢一般本钱效益好

50、于碳钢.就ASME压力容器和 ANSI管道系统标准允许的应力而言,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1/2%或更多的钢能够到达最高的蠕变强度.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钢制造高温高压反响容器.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.+ 产I I I I I I-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

51、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,与碳钢比拟,具有显着更大的低温韧性.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 T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.铬促进钢的外表 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异

52、的.因此,重要的是要精r-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%Ni%其他元素等同的铸造合金410马氏体0.15 max.11.5-13.5-CA-150.15 max.12-14-Se/Mo/ Zr-416马氏体0.20 max.15-171.25-2.5-CB-30431马氏体0.6-0.7516-18-440A 马氏体405铁素体0.08 max.11.5-14.50.5 max.0.1-0.3 Al-0.12 max.14-180.5 max.-430铁素体0.25 max.18-230.5 max.-442 铁素体0.20 max.2