石油化工设备选材基本原则Word文件下载.docx
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响,包括硫化氢浓度、压力、温度、材料特性和拉伸应 力。
在这方面可参考NCAE标准M-15材料要 R0-《7求——炼油设备用抗硫化物应力破裂的金属材
设计工程师的责任。
材料选择涉及方方面面,看来 是一个很复杂的难题。
但从实际出发,一个压力设
备设计工程师只要掌握选材的几个主要方面,选择
料》。
该标准规定了工作参数、适用材料,以及酸眭 条件下使用材料的冶炼要求。
()临氢使用。
在常温下,2即使压力很高,气态 氢也不容易渗透到钢材中去。
然而,当温度高于 20C,2o时材料就有发生内部脱碳的倾向。
这是因为
材料就不是一件难事了。
设备承受压力载荷(均匀的或交变的)及非压 力载荷(自重、载荷、震载荷、风地冲击载荷、属设 附
备载荷、支座反力、运输载荷、波浪载荷、接管处的载 荷等等)。
这些都在承压计算时起主要作用,但并
不是影响材料选择的主要因素。
氢气渗透到钢铁内部,生成甲烷等气体。
这些气体
不能扩散到钢材之外,聚在空隙中就造成裂纹或 集气泡。
在这方面可参考AIP出版物R91炼油和 P4《
1影响材料选择的主要因素
11介质 .
石油化工厂高温临氢压力容器用钢》。
该文献给出
了碳素钢和铬钼钢的工作温度和氢分压上限。
GANln16 eo在97年首次发表了这些数据的图表,s 该图表也称为“eo图表” Nlns。
()应力腐蚀裂纹(C)3SC。
这是由流体中存在 的氯化物或苛性碱引起的。
最初,通常是在高应力 区域发生局部的电化学腐蚀,产生腐蚀裂缝或凹坑。
收稿日期:
051-620-21
介质的性能(主要是腐蚀性)会极大影响材料
的选择。
在这方面可参考各种材料的腐蚀数据资料 加以选用。
更现实的是参考已投入运行的相应装置
的使用情况来选择材料。
对几类主要的介质,如硫 化氢、氢和氯化物的存在要予以注意。
()硫化物应力裂纹(S)1SC。
含有硫化氢和液 态水的流体是酸性介质,可能引起敏感材料的硫化
物应力破裂。
这一现象受多个参数的交互作用影
作者简介:
洪德晓(98)男,13一,教授级高工。
长期从事化工设备标
准的制定、研究工作。
·
2·
化
工
设
备
与
管
道
2006年第2期
尖端处的应力集中导致裂纹的扩展。
发生应力腐蚀 的前提是应力必须为拉应力,可以是焊接、弯曲或其 他成型工艺引起的残余应力,也可以是内压、机械载 荷或热膨胀引起的应力。
SC造成的失效常是突发性的,难预测,能 C很可
着材料厚度增加,性能会降低,且对加工引起不便,
使加工成本增加。
因此对大直径、高压力的设备往 往选用高强度钢可减小壁厚以降低总体成本。
对低
压容器,因压力而所需的厚度,有可能低于保证结构
稳定性所需的最小厚度,因此就没有必要采用高强
度钢。
仅仅在暴露几个小时后就发生,可能在安全运行 也几个月甚至几年之后再发生。
金属在环境中发生
SC问题的实例有:
C黄铜在氨水溶液中;
材在苛性 钢
14流体速度 .流体的速度会产生冲蚀、蚀和汽蚀,磨在选材时
碱或卤氮化合物溶液中;
不锈钢和铝合金在含氯溶 液中;
钛合金在硝酸或甲醇中。
12温度 .
应注意。
流体含有固体颗粒会对冲蚀和磨蚀产生显 著影响。
因此需像防止腐蚀一样给予一定的裕量或
采取其它的防护措施。
15材料的相容性 .
温度影响结构材料的性能,因此是选材的一个
十分重要的因素。
材料的强度以及抗氧化性随着温
承压设备可有多种材料构成,在焊接连接时 更应注意它们的相容性,电化学腐蚀。
对有电 如化学腐蚀的可能时要采取控制措施,阴极保 如护等。
16制造加工的工艺性能 .
度的升高而降低,因此所有材料都有一个合适的最
高使用温度的限制,高于该温度则材料不宜使用。
温度高于某一温度时,料会产生蠕变,材即材料在一
定拉力作用下随着时间的增加材料会形变,即使应 力低于屈服限,在该温度(一般称蠕变温度)以上长 期使用,材料也会产生永久变形,最终导致材料断裂 或变形过大而失效。
碳素钢的蠕变温度约为40c0c 左右,合金钢约为40左右,低5℃不锈钢约为502
—
选择材料要注意其加工性能,如冷加工性能等, 特别是焊接工艺性能,这方面要予以充分了解。
17成本 .
50。
8℃
最优秀的材料选择具有最低的成本寿命比, 如:
有时使用加大腐蚀裕量的碳钢比采用价格较贵的抗 腐蚀材料更为经济(指材料成本、制造成本的总 合) 。
材料的强度随着温度的降低而增加(如 … R、B,mH)但在压力容器设计中不允许采用因温度 降低而升高的材料强度。
在低温压力容器设计中只 允许采用室温的强度指标作为设计依据。
材料的延
在必须使用不锈钢及其它贵重合金材料时,如 厚度较厚可采用以碳素钢或低合金钢为基层的复合
钢板或金属衬里,经济性更显著。
性及韧性随着温度的降低而降低。
材料的韧性(特 指冲击韧性)是确定材料低温使用的依据。
往往要
求一定强度水平的材料在某一低温使用时必须具有 相应的冲击韧性。
材料从韧性状态转变为脆性状态 的温度称为冷脆转变温度。
普通碳素钢的冷脆转变
温度约为O,合金钢(CMnS钢)脆转变 ℃低指——i冷
在某些腐蚀场合下可采用非金属衬里或涂
层,如橡胶、氧树脂、环玻璃或其它专用涂料。
但 这种措施一般要受温度的限制,以及真空度的 限制。
18货源(.规格品种的配套)
一
温度可达一0【,5o对低于一0的场合就有必要采 二5%用特殊的低温用钢或含镍35,%的镍钢或奥氏 .%9
体不锈钢。
要确定材料的冷脆转变温度一般来说也
般材料可直接采购,但一些特殊材料的采购
供应就有时间的约束。
特别是一些多规格、小批量
的材料在采购供应上涉及的不仅是时间和价格的问
题。
因此设计要予以考虑。
19重量 .
容易,当某一材料在某一低温时该材料的冲击韧性 值(即夏比V型缺口冲击值)发生波动时(即数据分 散)此温度即为冷脆转变温度。
,
13压力 .
般同定安置在陆上的设备较少考虑重量的限 制,如安置于海上的石油平台和设备,船上、车上的
压力和设备的尺寸决定了所用材料的厚度。
随
设备重量是影响选材的重要因素。
第43卷
洪德晓.石油化工设备选材基本原则
3
2典型材料
21黑色金属 .
碳素钢和碳锰钢的温度上限大约为50而 0℃,低合金铬钼钢大约为60 0℃。
213不锈钢 ..
黑色金属就是化学成分以铁为主要元素的金 属。
这~类材料主要包括铸铁以及各种含有不同合
金元素的钢。
211铸铁 ..
不锈钢包括范围很大的铁一镍合金,铬.它们有 很强的抗化学腐蚀能力和优良的高温性能。
所有的 不锈钢都至少含铬1%,2这是这些材料抗腐蚀能力 的基本保证。
不锈钢表面可生成看不见的氧化铬薄 膜,正是这层薄膜使不锈钢具有抗腐蚀的能力。
所 有的合金元素的总量不应超过5%,0否则材料将被 归为有色金属。
常规的不锈钢分为三组:
马氏体不锈钢、铁素体
铸铁是压力容器制造中最早使用的材料之一, 迄今还在使用,特别是形状要求比较特殊的压力容 器。
现在铸造压力容器实际上已没有尺寸限制,而 且铸铁是一般用途下价格最低的金属。
铸铁是含碳总量超过17.%的铁碳合金。
随着
含碳量的改变、其它元素的加入以及热处理方式的
不同,不同铸铁的性能差异很大。
灰口铸铁很脆,没 有预兆就可能断裂和失效。
然而,将铸铁中的石墨 制成球状,可以显著改善力学性质,这种铸铁称为球
不锈钢和奥氏体不锈钢。
此外还有双相不锈钢。
()马氏体不锈钢。
如40类型,11含铬1%~2
1%,碳00%一01%,含镍。
铬提高抗腐 4含.8.5不
蚀能力,碳主要用于改善力学性能。
这类材料的强 度与中级碳素钢相似,其温度上限大约为50C 0 ̄。
马氏体不锈钢有时称为不锈铁,主要用于腐蚀并不
严重,需要较大强度、而硬度和抗磨损性的场合。
墨铸铁。
压力容器中主要采用的铸铁为球墨铸铁。
铸铁的防腐能力有限,但这可通过加入多种合
金元素来改善。
球墨铸铁压力容器的设计制造可参考欧盟标准
E145非直接火压力容器”E145“N34“中N34-球墨 6铸铁压力容器及压力部件的设计及制造要求” 。
212碳素钢和低合金钢 ..钢是含碳总量不超过17的铁碳合金。
实际 .%
()铁素体不锈钢。
铁素体不锈钢的铬含量为 2
1%一0碳含量一般低于0173%,.%。
高的含铬量 使其比马氏体不锈钢有更高的防腐能力,对应力腐 蚀开裂也有很高的抵抗能力。
承压设备用铁素体不 锈钢通常分为两组:
7铬钢,3型;
7铬钢,1%40类2%
46类型。
上,为了改善焊接性能,含碳量要小得多,并且大多 数碳素钢的含碳量都不到02%。
降低碳含量可 .5以提高材料韧性,降低硬度。
含碳量低的钢被称为
碳素钢或软钢。
在钢中以不同比例加入铬、、、锰钼镍和钒等金 属,以及硅等非金属,可以获得力学性能各异的钢 材。
例如:
碳锰钢可以改善力学强度,而又不降低韧
403型铁素体不锈钢的机械强度与中级碳素钢 相似,其温度上限约为605℃。
它对硝酸等液体、含 硫气体,以及多种有机和含氧酸都有很强的抵抗 能力。
464型铁素体不锈钢有相当高的机械强度,但 其温度上限降低到约30。
它在含硫大气中具有 5%
抗氧化能力。
性;
低合金钢,11r1o2rM, 如 一M和÷
C-o可以C 1
叶 二 叶
()奥氏体不锈钢。
奥氏体不锈钢含有至少 3
量的钛、铌等稳定化元素可以抑制钢中不利的碳化
改善高温性能;
含镍35、%和9.%5%的钢可以显著 1%的铬和88%镍,含碳量低于01.%。
加入一定数
提高在0℃以下的抗脆性失效的能力。
碳素钢和碳锰钢有很多等级,通常根据它们的 物的沉淀产生。
奥氏体不锈钢通常比马氏体不锈钢
和铁素体不锈钢有更高的抗氧化和抗腐蚀能力。
最
力学性能进行选择。
这类材料的防腐性能与铸铁相
似。
一般碳素钢的韧脆转变温度大约为0℃。
低于 此温度材料就会变脆。
特种碳素钢和碳锰钢的韧脆 转变温度低于0,是这类材料都不适合在 ℃但
常见的奥氏体不锈钢是30系列(34型、10如036 型、2型和37型不锈钢) 314。
34(8rN)0型1C.i是最常见的奥氏体不锈钢。
8 它用于化工、食品、奶制品和饮料等行业。
5℃以下使用。
0
4-
36型(6r2iM)11C一N一o用于化工、12食品、料、饮 造纸行业,以及腐蚀性强的环境。
钼可以防止点蚀。
31型(8r0ii和37型(8r1N—21C一N—)1T41C一0i
蚀或应力腐蚀开裂。
其机械强度与中级碳素钢相 似,温度上限约为60。
这类合金又称为因科乃 0℃尔80Icl80。
在60C时仍具有卓越的抗 0(noy0)o0o氧、氮化及氢脆的能力。
用于石化工厂热交换器和 管路系统、温蒸汽管路以及带保护层的加热源。
高 其改良型Icl 0noy0H及loy0Ho8nl 0T分别在60co80 90,0-10℃时具有较高的屈服强度。
用 5℃7一000于石油化工厂醋酸蒸汽管道、氢精炼设备、炉用管道
N)b用于腐蚀场合和间歇性暴露在温度40C以上 0o环境中的设备。
31型是添加钛得到的,4237型是添 加铌得到的。
在蠕变范围(大约高于50(内使用 4 ̄)i374类型不锈钢要谨慎。
奥氏体不锈钢不会发生低应力脆性断裂,在
169℃以上使用时无特殊要求。
因而这类材料适
基本级的奥氏体不锈钢(3436的最大含 如0、1)
及醋酐破碎机。
合深冷使用。
碳量为00%,.8其机械强度与中级碳素钢相似,使 用温度上限约为70。
0℃ 高温级奥氏体不锈钢(34的含碳量为 如0H)00%~.0.401%。
其机械强度与基本级奥氏体不锈 钢相似,温度上限约为700℃。
更高的含碳量使材 料在极端温度下保持强度。
低碳级奥氏体不锈钢(34)如0L的含碳量被限 制在最高为00%。
其可焊性得到改善,.3但强度有
有几种含钼的镍 铬(、合金也能抵抗 铁.钼铜)氯点蚀或应力腐蚀开裂,包括:
()0合金(5i5e0rb,123N一F一C—)相当于国内32N 牌号N13其机械强度与中级碳素钢相似,S4,温度上 限约为400oC。
在高温条件下对硫酸也具有很好的
抗腐能力。
用于硫酸加工、氢氟酸生产、精炼设备。
()8合金(1i1e9rM)其机械强 223N一F一C-o,324
度与中级碳素钢相似,温度上限约为400℃。
在氧
化介质中具有极好的抗缝隙腐蚀、点蚀及应力腐蚀
开裂的能力。
用于硝酸、酸及磷酸的生产加工 硫
所降低,温度上限降至40C5o。
现在可以买到双级
不锈钢(uleie trl如3434)它们既 dactdmai,0/0L, fiea
(特别对磷酸具有极好的抗蚀性)海洋石油气生 ;
产、精炼热交换器。
能满足低碳级不锈钢的最大含碳量限制,又能达到
基本级不锈钢的强度。
氮加强级不锈钢(34可以增加强度,如0N)其 温度上限约为50C。
5o ()双相不锈钢(US¥10 )超级双 4如N383和相不锈钢(US¥25)通过降低镍含量,铁 如N370是使
()X36N合金(4i6e1rM—uN,2N-F一 一o—)其 42C6C机械强度比28合金高得多,温度上限约为40 0oC。
用途同2合金。
8 ()2485合金(2i8e15rM-.C)4N一F-.C.o3u,2232 其机械强度比28合金略高,温度上限约为50 4℃。
85合金对硫酸和磷酸有非常好的抵抗能力。
具有 2
素体和奥氏体的比例为5:
0的合金。
这类合金比 05
良好的抗缝隙腐蚀、点蚀及应力腐蚀开裂、氧化、还 原酸、碱及海水腐蚀的能力。
用于硫酸厂、核废料再
奥氏体不锈钢有高得多的强度,对氯化物有更强的
抵抗能力。
与奥氏体不锈钢不同,双相不锈钢有可 能发生脆性断裂,温度低于一0(5 ̄时不能使用,i温度 上限约为30。
0℃
22有色金属 .
生产、海洋油气生产的热交换器、苛性钠浓缩、酸洗
设备。
(5)94和9400L合金(5i5e2C6Mo,2N-F-1r4)
其机械强度与中级碳素钢相似,度上限约为 温307 ̄C。
这些材料有时被称作超级奥氏体不锈钢。
在卤化物介质中具有很好的抗缝隙腐蚀、点蚀及应 力腐蚀能力。
用于造纸工业、海洋平台、电厂烟气脱
USN为美国国家标准局(NI提出的金属材料命名体系,以AS)前 单个字母表示合金类别,压力容器材料,A为铝合金,如c为铜合
221镍-铬(、)..铁一钼铜合金 这一组合金既不是铁基合金,又不是镍基合金,
因为在化学成分上两种元素的含量都没有超过 5%。
镍合金和高镍合金常用研发公司使用的名称 0
或编号来表示。
80合金(3i2e1r相当于国内牌号 03N-F一C)42N11N12是一种不含钼的合金,S1,S1,用于抵抗氯点
金,F为铸铁,N为镍合金,为铸钢,JS为不锈钢,R为钛、、, 钽锆K
为其他;
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