大型煤化工装置压力容器选材、设计和制造研讨.pdf

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1、化工设备与管道 2009 全国石油化工设备暨设备网年会会刊 技 术 交 流大 型 煤 化 工 装 置 压 力 容 器 选 材、设 计 和 制 造 研 讨王霞,宋文轩(上海焦化有限公司)随着世界经济特别是以中国为首的新兴国家经济迅速发展,能源需求日益增长,中国作为有丰富煤炭资源的新兴国家,从 20 世纪 90 年代始,大力发展煤化工技术,已成为我们化工界的共识。上海焦化有限公司从 20 世纪 90 年代至今已分别建成 200 kt/a、150 kt/a、450 kt/a 煤制甲醇和 CO装置,正在安徽无为建设 600 kt/a 煤制甲醇和 CO装置。四套装置工艺流程见图 1。图 1 煤制甲醇装置

2、流程简图 在此总结上述四套大型煤制甲醇项目在建设和投运过程中,关于压力容器的设计和制造的感悟,和煤化工行业的设计、制造及第三方设备监理的同行们共享。煤制甲醇装置规模大型化是规模效益的需要,是甲醇装置发展的必然趋势,从 20 世纪 90 年代初我国引进第一套德国鲁齐公司 100 kt/a 煤制甲醇装置,至今已发展至最大单套 600 kt/a 煤制甲醇装置。甲醇设备日益向大型化发展,压力容器设备的直径越来越大,设备壁厚越来越厚(举例见表 1)。对压力容器的用材、设计、制造、检验、运输和安装都提出了新的要求,例如在变换工段的一批分离器和换热器,在 200 kt/a 装置中,壁厚均小于 30 mm,虽

3、然采用了复合板材料,但由于不需作设备整体消除应力热处理,因此复合板设备焊接工艺试板较易通过晶间腐蚀敏感性检验。而在 450 kt/a 装置中设备壁厚均大于 30 mm,采用复合板材料,在设备整体热处理后,焊接工艺评定和产品试板要通过晶间腐蚀敏感2化工设备与管道 2009 化工设备与管道 增刊一技 术 交 流性检验就大大提高了制作难度。当壁厚越厚时为保证板厚方向尤其是板厚中部的机械性能,导致对压力容器的材料(包括板材和锻件)的冶炼、轧制和热处理要求越来越高,对压力容器制造厂冷热成形、焊接、热处理工艺技术的要求也越来越高。在第三套 450 kt/a 煤制甲醇装置建设中,我们凭借前二套装置建设及投运

4、经验的积累,把装置中压力容器按材料特征分类,组织技术班子和设计院共同编制了如下技术文件:(1)煤制甲醇装置厚壁铬钼钢压力容器制造及材料技术要求。(2)煤制甲醇装置厚壁复合钢板压力容器制造及材料技术要求。(3)煤制甲醇装置低温压力容器制造及材料技术要求。(4)煤制甲醇装置酸性气体介质碳钢压力容器制造及材料技术要求。表 1 典型设备壁厚变化比较设备名 称装 置能力材料设 计压 力/MPa设备直 径/mm壁厚/mm德 士古气 化炉200 kt/a 煤制甲 醇SA387Gr11.CL24.72 800=70+6(堆焊)450 kt/a 煤制甲 醇SA387Gr11.CL24.82 800/3 200=

5、76+6(堆焊)600 kt/a 煤制甲 醇SA387Gr11.CL26.53 400=105+6(堆焊)变 换炉200 kt/a 煤制甲 醇SA387Gr11.CL24.62 800=76450 kt/a 煤制甲 醇14Cr1MoR4.62 800=76600 kt/a 煤制甲 醇SA387Gr11.CL26.93 600=142变 换 1#甲醇分离 嚣200 kt/a 煤制甲 醇16MnR+3043.832 800=30+3450 kt/a 煤制甲 醇16MnR(正 火)4.63 200=60600 kt/a 煤制甲 醇16MnR(正 火)6.93 800=120甲醇 合成 塔200 kt

6、/a 煤制甲 醇20MnMoNi555.54 034=74450 kt/a 煤制甲 醇SA387Gr11.CL28.53 600=110600 kt/a 煤制甲 醇SA387Gr11.CL29.53 600=134合成甲 醇分 离器200 kt/a 煤制甲 醇16MnR(正火)+304L5.32 000=38+3450 kt/a 煤制甲 醇16MnR(正火)+304L8.52 600=80+4(复 合层)600 kt/a 煤制甲 醇16MnR(正火)+304L9.52 800=106+4(复合 层)注:上海焦 化有 限公司 450 kt/a煤 制甲 醇装置 中部 分原料 气采 用焦炉 气转化、

7、净化后 直接 送合成 制甲醇 流程,因 此变换 及低 温甲醇 洗装 置 只相当于 350 kt/a 煤 制甲醇 的装置。在煤制甲醇装置压力容器设计中,我们要求设计院按模块化设计思路,把压力容器按材料特征分类,各类压力容器设计图纸中的制造和材料技术要求,分别调用上述技术文件,这样既提高了设计文件的水平和质量,又大大提高了设计效率。而我们焦化有限公司的采购部门也根据上述设备分类,组合成压力容器的采购招标包,进行发包招标工作,这样既有利于中标制造厂对相同特性材料的设备进行材料采购、工艺攻关和组织生产,也有利于第三方监理按相同技术要求进行系统质量监督,因此也大大提高了制造 厂和第三方 监理的效 率。上

8、 海焦化 450kt/a 煤制甲醇装置压力容器在 2008 年 9 月以无任何故障顺利投产,和国内同类装置相比,装置压力容器制造的技术要求完整、投资省、制造周期短和质量高,说明掌握了大型煤制甲醇压力容器的技术规律,就能大大提高煤制甲醇装置建设水平。1 酸性气体介质压力容器的材料选择及制造技术要求上海焦化总厂上述四套煤制甲醇装置均以水煤浆气化工艺为气头,其中只有 450 kt/a 煤制甲醇装置,部分由焦炉气转化为气源。煤气化后经洗涤和变换,原料气中含有大量的 CO2及较高的 H2S,在冷却过程中酸性冷凝液不断析出,在甲醇变换和 CO3化工设备与管道 2009 全国石油化工设备暨设备网年会会刊 技

9、 术 交 流冷却系统的管道和设备材料的选择上作了创新探索。1993 年在设计 200 kt/a 甲醇装置时,设计院对变换后和 CO 冷却系统的设备采用 16MnR+304 复合板材料,大口径气体管道选用全不锈钢材料,该装置在 1995 年 6 月 25 日化工投料试车,6 次开停车,实际运行 28 天,在 1995 年 9 月 11 日发 现变换457 mm 14 mm的 304 不锈钢管道,在离环缝熔合线边缘 3 5 mm处平行穿透性裂缝有四处,中压煤气大量外溢,紧急停车。管道裂缝处取样经宏观和微观开裂形貌和产物的分析。管道所用的管子是由某厂生产 的不锈钢有缝钢管,外观粗糙,几何公差皆超标,

10、不圆度和圆周公差均很大,环缝拼焊时由于错边量大,有明显强制拼装的痕迹,焊缝质量差。我们请上海材料研究所对管道裂缝处多处取样作金相显微分析,取开裂的管子样品进行显微检查,发现发生在环焊缝处裂纹是沿晶间开裂的,在焊缝附近管子内壁出现大面积均匀的晶间腐蚀,说明裂纹是由晶间腐蚀开始,后沿纵深方向发展,裂纹出现大量的分叉,但均沿晶界开裂 奥氏体钢沿晶应力腐蚀开裂(IGSCC),裂纹内充满腐蚀产物 FeS+Fe3O4。在断口的扫描电镜下,呈现出晶间开裂形貌。根据德士古气的成分及不锈钢管内壁腐蚀产物为 FeS+Fe3O4,表明腐蚀介质只有 H2S,但纯 H2S气对不锈钢并不产生晶间腐蚀,只有当与富氧的水汽反

11、应生成连多硫酸,方可发生晶间腐蚀:H2S+FeFeS+H28FeS+11O2+2H2O4Fe2O3+2H2S4O6此反应产物与腐蚀产物检查的结果是一致的,证明此次引起奥氏体不锈钢晶间腐蚀和应力腐蚀开裂的介质是连多硫酸。由于敏化的 304 奥氏体不锈钢晶界析出大量的链状碳化物 Cr23C6而使晶界贫铬而遭连多硫酸的晶间腐蚀。在受敏化的环缝热影响区附近普遍出现 2 3 晶粒的晶间腐蚀,但晶间腐蚀的速度是较慢的,后面的开裂则是连多硫酸应力腐蚀开裂所致,其腐蚀开裂速度达 da/dtn=1.2 10-2mm/h(晶间腐蚀的速度为 8.3 10-5mm/h),与晶间腐蚀速度相差2 3 个数量级。引起应力腐

12、蚀的应力来自焊接残余应力及强制安装应力,根据开裂后裂纹的凹凸现象(0.5 mm)表明宏观第一类应力可超过其屈服应力。从上海材料所的分析报告中,我们可以得出如下结论:煤制甲醇装置中内壁为不锈钢材料的设备和管道,若在热加工过程中在敏化温度区停留时间过长,在加工过程中导致碳化铬析出,不锈钢材料已形成贫铬区,设备和管道内的腐蚀介质是会产生晶间腐蚀的。设备和管道制作过程中特别在焊缝处不能存在较大焊接残余应力。1995 年时国内能提供这种大口径不锈钢管道,只有太原钢厂独此一家,别无分店,而重新从国外采购周期又太长;当时甲醇市场价格又十分火爆,200 kt/a 甲醇装置规模当时在国内属最大,因此我们在万般无

13、奈情况下决定用457 mm 16 mm大口径 20G 碳钢管道作暂时代用,在现场焊接碳钢管道时同时采取如下技术要求:(1)每条环缝严格控制错边量,并作现场焊后消除应力热处理。(2)每条环缝在热处理后在环缝两侧母材、热影响区及熔敷金属作硬度检测,HB180。(3)每条环缝 100%RT-I 检查合格通过。20G 无缝大口径碳钢管道代用投运后,我们一直进行在线跟踪观察,在 1996 年 6 月维修其他设备停车期间,我们在碳钢管道环缝处进行 100%射线检测及管道壁厚测量,拍片结果无裂缝缺陷,壁厚测厚结果最大减薄量 1 mm,结果令人十分鼓舞。上海焦化水煤浆气化装置一直沿用神府煤,总硫含量1.0%(

14、重量比),这说明在含硫量 1.0%(重量比)的煤制甲醇装置中,在保证制造及技术条件的前题下,含有大量酸性冷凝液的变换冷却气体及气液两相大口径管道可以采用碳钢管道。而事实上在水煤浆气化装置中,从德士古气化炉激冷至水洗塔及气化水洗塔至变换的外管管道均为碳钢管道,一直安全运行至今。而当时已投运的大型煤制甲醇和煤制合成氨装置的变换管道,例如渭河化肥厂及渣油气化的镇海石化化肥厂均采用不锈钢管道,且至今投运的国内其他煤制甲醇装置变换的管道和设备还在采用不锈钢材料。在此创新启发下,我们又想到当时不锈钢复合板制作的变换冷却的几十台设备材料是否能改变?1997 年甲醇系统大修时,在甲醇变换几台大分离器中分别作了

15、 20R、16MnR 和多种不锈钢材料腐蚀挂片,对挂片厚度、质量作了精确的记录。在 1998 年再作大修停车时,取出挂片重新检4化工设备与管道 2009 化工设备与管道 增刊一技 术 交 流测,结果 16MnR 和 20R 挂片的减薄量均 0.5 mm。在此挂片腐蚀试验基础上,在 1999 年,上海焦化设计院进行吴泾醋酸工程配套 的 CO 冷却装置设 计时,把 CO 冷却的全部分离器由原来采用 304L不锈钢复合板改为 16MnR 正火板,并制订相应的制造技术要求:(1)设备材料采用 16MnR 正火板(尽管此批设备的 30 mm)。(2)设备焊接后进行整体消除焊接残余应力处理。(3)设备壳体

16、所有焊缝两侧热影响区,熔敷金属及母材硬度180 HB。这批设备在 2000 年投运,一直安全运行至今,在 2006 年 8 月停车期间作了内壁目测检查及无损检测检查,设备内壁光滑,无明显腐蚀迹象。我们在变换及 CO 冷却系统中的气体及气液两相管道采用20G 碳钢管道,在设备中采用 16MnR 正火板,不采用不锈钢复合板材料,再一次被实践证明是正确的。上海焦化 200 kt/a 煤制甲醇装置的低温甲醇洗是由德国林德公司提供工艺软件包,其中的变换气水洗塔工作压力为 3.395 MPa,操作温度 39.6,设备材料为 16MnR 热轧板,此设备为三层浮阀塔,变换后气体在此设备中经水洗冷却后,进入低温

17、甲醇洗装置,塔釜液中含有大量经 洗涤下来的 H2S 和CO2酸性物质。2000 年 10 月在运行设备例行检查时,经测厚仪测定,发现设备壁厚减薄很多,紧急停车经置换后内部检查,发现设备内壁连续鼓起像馒头大小的凸面,沿设备壁厚横剖面上可见像香脆饼一样的金属分层,在塔釜液面上 100 mm 处及塔釜封头处尤为严重。碳钢和低合金钢在含 H2S 的水溶液中,在钢表面的鼓包现象称为氢鼓泡,而且从横剖面上也已看到生成了平行裂纹并连接贯通成阶梯状破裂,这是典型氢诱发阶梯裂纹。因此出现在设备壁厚横剖面像香脆饼一样的金属分层,扩散进入钢中的原子氢在钢材内部的非金属夹杂物和分层式带状等缺陷处,沉积成分子氢后就可能

18、形成鼓泡,随着原子氢的不断进入,在这些缺陷处会形成很高的分子氢压力,使鼓泡不断长大,包围鼓泡的金属也随之发生塑性变形,直至破裂。根据此原理分析,此设备在水洗后特别在塔釜洗涤液液面处积聚,由于存在浓度较大且环境潮湿,而温度又较低(40)的H2S 腐蚀气体,而此设备 16MnR 热轧板材料又存在非金属夹杂物和分层式带状缺陷,因此产生了氢鼓泡和氢诱发阶梯裂纹。但这种腐蚀开裂的过程是十分缓慢的,因为从 1995 年开车直至 2000 年事发,经历 5 年 多。当 时我 们 紧急 调 运了 另 一台 现 成 的16MnR 碳钢设备代替运行,又同时用 16MnR+304L复合板重新制造水洗塔,用复合板制作

19、新水洗塔投运后一直安全运行至今。林德公司根据我们的经验,从此后低温甲醇洗装置中水洗塔均改用不锈钢复合板。根据上 述 经验 教训 我们 在 2006 年建 设450 kt/a 煤制甲醇装置时,关于变换和 CO 冷却的设备和管道的设计,要求设计院对选材原则作了如下规定:(1)管道材料选用原则设计温度300,采用 15CrMo;设计温度在 150 300,采用 20G;设计温度150,采用 321 或 304L。(2)设备材料选用原则 设 计 温 度 300,采 用 14Cr1MoR 或15CrMoR;设计 温度 在 150 300,采用 16MnR 正火板;设计温度 150,采 用 304L+16

20、MnR 复合板。由于 450 kt/a 煤制甲醇装置中变换设备直径均很大,因此 16MnR 正火板的壁厚大多 40,吸取水洗塔发生氢鼓泡的教训,16MnR 正火板的板材质量不许存在内在缺陷,我们对由复合板改用 16MnR 正火板设备的 16MnR 正火板提出较为严格材料要求:(1)应严格控制 S、P 含量,S0.010%,P0.012%。(2)应逐张进行超声波检测,当 30 1/2 深度,宽度大于原焊缝单边 10 mm),并修磨去除2 mm渗碳层,包括焊缝两边 10 mm;39重复上述3237工序;40焊缝 UT 检测;41中间热处理,封头开口向下垫实,垫平;42喷丸处理;43气割拆除防变形工

21、装,并修磨;44清理并打磨焊缝表面,满足探伤要求;45用超声测厚仪从封头顶部开始十字方向 30一档,测壁厚(修磨配合);封头和拼缝 UT 检查;封头内外表面 MT检查(包括防变形工装焊脚处);拼缝 RT检查;宏观检查。该封头热压成形工艺中,拼板对接焊缝是作为工艺性焊缝,封头热压成形后,再经正火+快速冷却01化工设备与管道 2009 化工设备与管道 增刊一技 术 交 流+回火的恢复力学性能热处理后,刨去工艺性焊缝,重新换肉施焊产品焊缝,此热成形封头工艺虽然较为复杂,但只要严格执行工艺纪律,是能确保产品质量的。因此厚壁铬钼钢设备主要受压元件在制作热成形和热处理过程中,若破坏了材料的原供货热处理状态

22、,必须做恢复力学性能的热处理。随着容器壁厚越来越厚,压力容器的热加工工艺采用越来越频繁,因此我们对“恢复力学性能热处理”概念,无论是相应标准规范,还是制造工艺应越来越重视。4 不锈钢复合板(基材为 16MnR 正火板 30 mm)的压力容器的制造要求及实践煤制甲醇装置中,我们在变换和 CO 冷却装置中部分管道和设备,用碳钢代替不锈钢,但仍有很多设备采用不锈钢复合板,且随着甲醇装置大型化,复合板厚达 120 mm,例如气化水洗塔采用 16MnR+316L,=106 mm+4 mm;高 压 甲 醇分 离 器 采 用16MnR+304L,=106 mm+4 mm。根据 GB/T 214332008

23、不锈钢压力容器晶间腐蚀敏感性检验5.1.2.1 规定“只要确认与某介质条件接触的不锈钢曾经是产生过晶间腐蚀现象,就可以认为该介质条件对不锈钢具有产生晶间腐蚀的能力,用这种不锈钢制造的容器在该介质条件工作,应当要求进行晶间腐蚀敏感性检验并且合格”,根据该规范 5.1.2.3 中规定“尤其是对于含酸溶液及酸式盐溶液(呈酸性)等电解质溶液,如果找不到该介质属于不具有产生晶间腐蚀能力的确切依据,一般应对其所有不锈钢容器要求进行晶间腐蚀敏感性检验”。而 200 kt/a 甲醇装置的变换不锈钢管道在 1995 年大面积环焊缝开裂,恰恰是对管道环焊缝现场焊接,没有提出晶间腐蚀敏感性检验要求,这也是事故重要原

24、因之一。前述变换不锈钢管道开裂的分析报告中已明确指出,煤制甲醇系统存在导致不锈钢晶间腐蚀的酸性腐蚀介质,因此在不锈钢管道及不锈钢复合板设备的材料及焊接工艺评定试样和产品试样,材料包括对制造不锈钢复合板压力容器的钢板焊接材料及外协零部件,必须根据 GB/T 214332008 不锈钢压力容器晶间腐蚀敏感性检验 进行检验,并符合要求。在 20 世纪 90 年 代所建 设的 150 kt/a 或 200kt/a 煤制甲醇装置能力较小,基材 16MnR,大多 30 mm。根据相关标准规定设备在制作完毕后不需做整体消除焊接残余应力热处理,只有换热器管箱带分程隔板,且接管直径 DN1/3 设备直径,根据G

25、B 151 规定,复合板管箱部件才需进行焊接后消除应力热处理。而设备封头厚 30 mm,设备焊后需作消除焊接残余应力整体热处理,而根据 JB/T 47092000 钢制压力容器焊接规程 规定,焊后热处理温度为 600 640,正处在敏化温度区附近,热处理时需在此温度停留若干小时。而当复合板封头壁厚较厚时,需在 900 热压成形,然后空冷通过敏化温度区时,也存在形成碳化铬沿晶间析出,从而形成贫铬区可能,一般解决复合板封头碳化铬析出问题,有二种技术方案:(1)复合板封头高温热成形后急速冷却,不在敏化温度区停留时间较久,但冷却速率不易控制,且封头拼接焊缝需重新铇除重焊,工艺复杂。(2)封头分瓣冷成形

26、后再焊接,但必须保证封头拼焊后的圆度,及控制瓣片间的错边量。450 kt/a 煤制甲醇装置 中厚复合板设备的 封头,为了保证晶间腐蚀敏感性检验的合格,大多采用了第二种方案。但这种方案只规避了封头母材高温热成形后,空冷经过敏化温度区的问题。设备整体焊接完成,消除焊接残余应力热处理在敏化温度区保温问题的解决途径,也可采用不锈钢复合板所有焊缝先完成基材和过渡层焊接,然后即进行设备整体消除焊接残余应力热处理,然后再进行复合层面层的焊接,这样能规避焊缝的面层不在敏化温度区停留,但是复合板复合层在设备热处理时仍会在敏化温度区停留。因此厚基层板不锈钢复合钢板压力容器制造时要通过晶间腐蚀敏感性检验,壳体复合钢

27、板供货商还要根据设备模拟焊后热处理要求进行复合钢板晶间腐蚀敏感性检验。而设备制造厂对焊接工艺评定试板和产品试板,在同热成形、热处理条件下,试板的母材、11化工设备与管道 2009 全国石油化工设备暨设备网年会会刊 技 术 交 流热影响区及焊缝熔敷金属均要进行晶间腐蚀敏感性检验并符合 GB/T 214332008 要求。5 低温压力容器的材料和制造技术要求及实践四套煤制甲醇及煤制 CO 装置的低温甲醇洗净化装置的一批 低温设备,设计温度均在-45 -70,设计压力在 4.0 6.9 MPa 条件运行,低温容器制造,特别是厚壁低温容器制造的关键技术问题,第一在于低温钢板、锻件、接管和换热管材料,在

28、设计温度的低温冲击值保证;第二在于焊接工艺评定试板及产品试板在热处理条件下,在低温设计温度的低温冲击值保证;第三在设备热处理后其 A、B、C、D类焊缝及热影响区,在射线、超声波及磁粉检测下,无任何细微裂纹。低温压力容器制造成功是有关低温材料(包括焊接材料)、焊接工艺、热处理工艺及无损检测等的系统工程。在这四套低温压力容器的设计制造过程中,我国的低温材料,包括板材、锻件、管材和焊接材料在冶炼、轧制、热处理及锻造等方面的水平也是一个逐步创新和成长的过程,而压力容器的设计单位和设备制造单位也正在探索成长过程。低温压力容器国产化历经四个阶段:第一阶段由低温设备成套进口;第二阶段材料全部进口,低温压力容

29、器国内成套制造;第三阶段材料部分进口,国内成套制造;第四阶段全部采用国产低温材料和国内成套制造。而我们四套装置低温材料及低温容器制造的成长发展过程也是此四步最典型的缩影。在 1922 年建设 200 kt/a 和 2000 年建设 150 kt/a煤制甲醇和 CO 装置时也同样采用低温设备的全部低温材料向国外采购,整套低温设备分别由上海化机一厂和大连金州重型机器厂成套制造的路线。在 2004 年,我们在建设 450 kt/a 煤制甲醇装置时,在做低温甲醇洗装置的低温容器材料设计选材原则决策时,对国内钢厂的低温钢板和锻件厂的低温锻件及国内大型压力容器厂的低温容器的当时制作现状作了大量调研,武汉钢

30、铁公司和舞阳钢厂的09MnNiDR 钢板在-70 冲击温度下的 AKV值,已达到大约 150 J至 200 J 之间。用 09MnNiDR 低温钢板制作的低温容器应用厚度,在工程界还局限在 40 mm厚板 3.5Ni 钢低温容器在国内制造厂制造时也同样处在摸索中,由于当时国际原油价格攀升,导致国内甲醇供不应求,为求装置建设工期尽量短及质量稳妥,当时我们决定-70 等级的低温容器采用国产 304 不锈钢,这样工期短且设备装置质量无后顾之忧。-45 等级低温容 器 全 部 采 用 国 产 09MnNiDR、09MnNiD 及09MnD 低温材料,共计 22 台(其中换热器 12 台,容器 10 台

31、),全部由湖南长沙化机厂制造完成。我们和设计院共同编制 09MnNiDR 钢制低温压力容器的材料和制造技术要求,其中对 09MnNiDR、09MnNiD 锻件和 09MnD 钢管材料除按现有标准规范外,主要补充技术要求如下:(1)S,P 含量,S0.010%,P0.012%。(2)虽然用在-45 等级的低温压力容器,但对 09MnNiDR 和 09MnNiD 夏比 V 形缺口冲击试验温度要求为-70,对 09MnD 试验温度为-50,夏比 V 形缺口冲击试验冲击功三个试样的平均值AKV54 J,单个试样 AKV48 J,试样取样为横向。由于考虑到国产低温焊接材料的埋弧焊焊丝H08Mn2E 最低

32、冲击试验温度为-60,因为当时21化工设备与管道 2009 化工设备与管道 增刊一技 术 交 流国内还不能生产用于制造药芯焊丝的高冶金质量的低碳钢带,因此我们要求制造厂采购和 09MnNiDR相匹配的国外低温焊接材料。我们把 450 kt/a 煤制甲醇装置中-45 设计温度等级的甲醇富液丙烯冷却器为实际案例来说明国内低温材料和制造的实际水平。该设备为釡式换热器,设备参数见表 9。长沙威重化工机械厂为该设备所采购的 09MnNiDR 钢板、09MnNiD 锻件进厂复验实际数据见表 10 12。表 9 甲醇富液丙烯冷却器参数直径 壁厚设 计压 力设 计温度介 质设备 材料壳 程1 400 222.

33、0-45/50丙 烯09MnNiDR管 程1 000 184.6-45/50甲醇 富液09MnNiDR09MnNiD09MnD注:焊接材 料为 日 本 进 口 3Ni 焊 材,焊 条(3.2 5)NB-3N,焊 丝3.2 2.4ENi3,配套焊 剂 UV418TT。表 10=22 mm 09MnNiDR 板性能报告注:交货状 态:正火。供货 商:武钢。表 11 1 097 mm 190 mm 09MnNiD 管板锻件性能报告注:交货状 态 Q+T。供货 商:无锡宏 达重 型锻压 有限 公司。表 12 09MnD 换热管性能报告注:交货 状态:正 火。供 货商:江 阴兴 澄钢管 厂。以上 数据说

34、 明我 国低温 9MnNiDR(钢板)、09MnNiD(锻件)和 09MnD(钢 管)在规 范所 规定的 最低 试验温 度的冲 击 AKV值均 都大大 高 于规范所规 定的 合格值。从上述数据说明国产的-70 温度等级 0.5Ni低温钢板和锻件的冶炼、轧制和热处理水平及低温冲击性能已达到国际先进水平,ASME II 所规定的3.5Ni 钢 S、P含量大大高于 09MnNiDR,其 AKV标准所规定的值也和我们相当(但实物水平的 AKV值确实也和我们实物水平相当)。在 450 kt/a 煤制甲醇装置中,09MnNiDR 钢板只应用于-45温度等级的低温设备,在制造技术要求中,对焊接工艺评定试板和

35、产品试板低温冲击 AKV值要求不低于母材水平,长沙威重化机厂在制作过程中实际数据见表 13、表 14 所示。据调查 09MnNiDR 钢板在目前国内应用还大多局限在 60mm且设计温度低于-45 低温容器,国内各大工程公司仍沿用采购国外低温材料。从上述 =64 mm 09MnNiDR 厚板进厂复验指标看,-70 AKV值数据大大高于 GB 3531 所规定的27 J指标值,而工程界为何在实际工程中当 60mm厚壁低温容器仍在大量采购国外 3.5Ni 钢呢?且3.5Ni 钢板贵达 3.2 104元/t,而 09MnNiDR 钢板低于 1.5 104元/t,且交货期又短。原因一则在于 GB3531

36、 所规定的使用最厚壁厚60 mm,工程公司按规范选材不敢突破。二则在于低温容器焊接接头性能是取决于焊接材料匹配,焊接工艺和热处理工艺参数的确定,其-70 AKV值实际情况是母材值 手工焊接接头值 自动埋弧焊焊接接头值。母材、手工焊焊接接头和埋弧焊焊接接头的冲击性能差异在于三者金相组织的差异。而厚板低温容器的焊接,大量的焊接工作量必须要靠埋弧自动焊完成,而埋弧自动焊焊接接头的低温冲击性能则取决于焊材匹配、焊接工艺和热处理工艺参数确定,从而使焊接接头的金相组织生成晶粒细化而均匀的铁素体+索氏体组织,从而大大提高焊接接头低温冲击韧性。这正是 60 mm国产低温材料 09MnNiDR 厚板低温设备制造

37、厂所需攻破关键技术难题。我们目前正在进行 600 kt/a 煤制甲醇装置的低温设备的设计工作,变换气甲醇洗涤塔3 200 mm 75 740 mm 92 mm,设计压力 6.5 MPa,塔上下两段设计温度-80/-40,设计温度-80 段采用SA203.GrD 材料,-40 段 L=30 000 mm,我们倾向于采用 09MnNiDR 板。我们正在和舞阳钢厂钢研所探讨,要求壁厚 t/2 处取样-70 AKV54 J,他们认为很困难,目前还只能做到壁厚 t/4 处取样才能达到此指标。我们还准备进一步调研国内几家厚壁低温容器业绩好的大压力容器厂,进一步了解近几年 09MnNiDR 厚板压力容器的实

38、际制作水平,即09MnNiDR 60 mm时,手工焊接和埋弧焊焊接接头,-70 时 AKV值实际水平。在稳妥安全的原则下,为推进低温容器材料和制造的国产化,及技术创新工作而作出应有努力。6 许多重大技术问题还需我们去研究、探索和创新6.1 气化炉材料国产化问题探讨水煤浆气化炉从 20 世纪 80 年代末开始设计和制造,由于美国德士古公司采用 SA387 Gr11 CL2 材41化工设备与管道 2009 化工设备与管道 增刊一技 术 交 流料,我国工程公司设计院一直沿袭至今,仍向国外采购,设备造价是采用国产 14Cr1MoR 材料的 1.5 倍。经过 20 年发展,我国的铬钼钢厚板性能已有了长足

39、进步,在 450 kt/a 煤制甲醇装置中,水煤浆气化炉=76 mm采用 SA387 Gr11 CL2 向国外进口,变换炉=76 mm,我们要求设计院采用国产 14Cr1MoR,两者同为 1.25Gr-Mo 抗氢 钢,且 变换 炉设 计 温度 为480,而气化炉设计温度为 425,且后者因经变换后氢分压比前者还要高。在材料采购及设备制造中我们对关键数据进行跟踪,作了详细对比,气化炉材料是否能国产化十分值得探讨。(1)国 外 采 购 SA387 Gr11 CL2 厚 板 和 国 产14Cr1MoR 厚板性能比较及建议:大型煤制甲醇装置中水煤浆气化炉自从 20 世纪 80 年代引进德士古水煤浆气化

40、技术以来,一直采购国外 SA387 Gr11 CL2 的 1.25Cr-0.5Mo 钢板,并沿袭至今。其实在这 20 多年中,国产厚板 1.25Cr-0.5Mo 钢板(14Cr1MoR)和大锻件(14Cr1Mo)已经有了长足进步,我们在 450 kt/a 煤制甲醇装置建设中,在气化炉(国外材料)和变换炉(国产材料)设备制作中密切关注设备制造过程中材料性能比较。化学成品成分分析比较:从表 3 中 =703 mmSA387 Gr11 CL2 和 =76mm14Cr1MoR 化学成品成分分析数据对比看,S、P杂质及影响回火脆化敏感性系数微量杂质的含量水平相当,说明国内外钢厂冶炼净化工艺水平不相上下,

41、我国钢厂冶炼净化水平已接近国际先进水平。力学性能比较:从表 4 中 SA387 Gr11 CL2 和 14Cr1MoR 钢板两者力学性能比较看,舞阳钢厂所提供=76 mm14Cr1MoR 厚板是作为变换炉壳体材料,在 480 高温屈服限性能均能满足 GB 150 规定值,其-10 冲击性能 AKV值很高,晶粒度级别也满足要求,说明有优良的塑性和韧性,较为遗憾的是其力学性能数据在模拟焊后最长累积时间 8 h 下的数据,但此模拟焊后最长累积时间 8 h的指标是设备制造厂要求的。而舞阳钢厂也曾接受过 1.25Cr-0.25Mo 钢 =70 mm,最长模拟焊后热处理时间为 32 h 的订货要求,且 能

42、 保 证 板 材力 学 性 能。虽 然 国 产 1.25Cr-0.5Mo钢 14Cr1MoR 厚板 20 多年来在化学成分和力学性能方面已有长足进步,但 14Cr1MoR 厚板在气化炉应用上仍无人问津。从表 3 和表 4 数据看,=76 mm14Cr1MoR 厚板能做设计温度 480、设计压力 4.6 MPa 变换炉,为何就不能做 =70 mm 设计温度 425,设计压力 4.6 MPa 气化炉呢?从临氢氛围考虑变换炉反应温度和氢分压均比气化炉还要高。水煤浆气化炉壳体材料国产化的关键在于充分调动钢厂、各大工程公司设计院设计人员和装置建设业主的国产化创新积极性,组织专题攻关,我们认为这是一个较易

43、攻克的课题。(2)关 于 国 产 铬 钼 钢 锻 件(包 括 14Cr1Mo、SA336 F11 CL3 和 SA182 F11 CL2)的建议:最早采用 SA336 F11 CL3 和 SA182 F11 CL2 国外牌号锻件的原因是 20 世纪 80 年代我国锻件产品质量不过关,重要关键设备的 1.25Cr-0.5Mo 钢锻件均向 国 外 采 购,并 采 用 ASME II 标 准。现 在 从SA336 F11 CL3 锻件和 14Cr1Mo 锻件所遵循标准来比较,遵循 JB 47262000 标准的 14Cr1Mo 锻件无论从化学成分和力学性能均和 SA336 F11 CL3 锻件相当。

44、从表 5 和表 6 锻件实物数据比较,表 5 中化学成分中 S、P 杂质含量及影响回火脆化敏感性系数微量杂质含量水平均相当,说明国内锻件厂冶炼净化工艺已达到国际先进水平。表 6 中力学性能方面 14Cr1Mo 锻件指标均不低于国外钢号指标,表 6中 SA336 F11 CL3 和 14Cr1Mo 锻件的力学性能指标均是在 690 10 12 h 模拟焊后热处理状态下取得的,说明我国锻件制造厂锻造和热处理水平确实已达国际先进水平,难道国产锻件产品非要取个洋名才能获得国人的放心吗?因此我们认为不管壳体材料是否国外采购,锻件均可在国内锻件厂采购,并选用国内相应钢号锻件。6.2 关于 1.25Cr-0

45、.5Mo 钢焊接工艺评定模拟焊后热处理许可最长时间问题450 kt/a 煤制甲醇装置的气化炉和甲醇合成塔在上海锅炉厂制作过程中,在对国外采购焊接材料焊接工艺评定试验中,做了模拟焊后 690 10时 3 h、10 h和 15 h的对比力学性能试验,数据见表7,表中数据表明模拟焊后热处理累积时间越长,力学性能随之下降。评定试板力学性能在模拟焊后热处理累积时间小于等于 10 h 才勉强满足规定值,为此上锅厂特发函要求我们业主同意从原技术合同的12 h 降为 10 h,认为 10 h 已能满足该厂热处理工艺51化工设备与管道 2009 全国石油化工设备暨设备网年会会刊 技 术 交 流需要,但是压缩了焊

46、缝返修所需热处理预留时间。这说明无论钢板和锻件性能多么优良,允许模拟焊后热处理累积时间多长,但焊缝金属允许时间较短,那么焊缝金属力学性能就会成木桶原理中的短板,因此随着装置大型化发展,连上海锅炉厂此类国内顶级水平压力容器厂都遇到铬钼钢厚板容器制造中此类瓶颈问题,其他压力容器制造厂都会遇此拦路虎。湖南湘东化机厂在 14Cr1MoR 焊接工艺评定试验中是在模拟焊后热处理 690 10 7 h状态中完成的。因此要承担日益渐厚的铬钼钢厚壁容器,必须解决焊材选材、焊材化学成分调整、焊接工艺参数及热处理工艺参数匹配,从而解决焊缝金属材料力学性能的模拟焊后热处理时间越来越长的瓶颈技术问题。6.3 在气化和甲

47、醇装置中选用不锈钢(包括复合板)设备和管道晶间腐蚀敏感性检验要求问题水煤浆气化炉的水冷却激冷室沿袭采用 SA387Gr11 CL2 内壁堆焊 316L 技术方案,流程中紧接后面的水洗塔采用材料 16MnR+316L复合板方案,至今很多设计院对此两种大型设备未提出晶间腐蚀敏感性检验要求。而在我厂实际运行中变换不锈钢管道环缝大面积开裂的腐蚀分析中,已证明原料气中酸性气体介质会导致不锈钢晶间腐蚀发生,希望同行正视此技术问题。6.4 在气化和甲醇装置中设备选材问题从 20 世纪 80 年代引进美国德士古炉,内壁堆焊 316L,气化水洗塔采用 16MnR+316L 复合板,但从气化炉至水洗塔,水洗塔至变

48、换外管管道采用碳钢管道。而变换大口径的气体及气液两相管道一直沿用不锈钢管道,变换装置中低于 300 的压力容器(包括分离器和各级冷却换热器)均采用复合板,在煤制甲醇装置设计中,各大工程公司同设计院至今仍遵循以上选材原则。在本文中已介绍,我们在三套煤制甲醇装置的建设和运行中,已把变换管道和设备已逐步改为碳钢材料,且长期安全运行,因此水煤浆气化和甲醇变换系统的用材问题值得探讨,此问题经济效益显著。6.5 国产低温钢板和钢管问题低温压力容器的材料和制造国产化问题正在探索中前进,其中 09MnNiDR 板厚的使用厚度现标准上限为 60 mm,在实际应用中已突破此上限,深层次更应探讨 09MnNiDR

49、厚板焊接接头的焊材匹配,焊接工艺和热处理工艺参数确定,特别是厚板自动埋弧焊焊接接头的低温冲击值关键技术问题,从而讨论-45 和-70 两个温度等级的 09MnNiDR 的厚度标准中使用上限问题。另外 09MnND 钢管的使用极限为-50,这样大 大制约了设计温度低 于-50 低温换热器采用国产低温材料可能,因此建议组织对低温换热管攻关。6.6 甲醇合成装置的羰基铁问题甲醇合成装置中压力容器,由于考虑碳钢材料和合成气接触生成羰基铁而会致使合成触煤中毒问题,合成塔内壁、内件及其他设备局部采用不锈钢。而我们 450 kt/a 煤制甲醇装置引进瑞士卡萨里技术,合成塔壳体采用 SA387 Gr11 CL

50、2 材料,内壁直接和合成气接触,不堆焊不锈钢。而在 600 kt/a 煤制甲醇装置中,卡萨里公司甲醇合成塔及其他设备又提出采用不锈钢,但部位又和其他国外工程公司不同。因 450 kt/a开车时间还较短,我们正在密切注视合成塔内反应温度,及触煤活性变化。关于系统论述羰基铁生成机理资料至今还不多,因此甲醇合成设备选材及羰基铁生成也是非常值得探讨的问题。7 结束语随着世界经济发展,能源问题肯定成为世界经济重要关注问题。为迎接下一轮经济周期高潮来临,煤制甲醇、煤制油的大型装置投资一定会迎来新一轮发展。而煤制合成氨装置和煤制甲醇的工艺流程和设备有异曲同工之处,因此在大型煤制甲醇装置设备在材料和制造中的创