專利名稱：抗硫化氫氯化氫應力腐蝕開裂鉻鋁鉬鋼的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及抗硫化氫氯化氫應力腐蝕合金鋼領域。特別是涉及一種制造抗硫化氫氯化氫應力腐蝕的熱交換器專用無縫鋼管、板、鍛件及專用焊材，即鉻鋁鉬鋼—08Cr2AlMo。
隨著我國原油來源及品種擴大。除國產原油外，目前每年需進口大量原油，其中大部分是高硫原油。大部分煉油廠以前煉制的原油主要是低硫原油(S∠0.5％)，硫含量僅為0.08％，而進口原油的硫含量高達3.09％。原油硫含量的增加，餾分中的硫含量隨著沸點的升高而增加，再加上高品質處理，使設備腐蝕環(huán)境更加苛刻。濕硫化氫環(huán)境下的應力腐蝕開裂(SSCC)及均勻腐蝕是高硫原油煉制過程中的首要腐蝕問題。在原油的一、二次加工裝置溫度較低的設備(＜110℃)介質中除了原油所含的硫化氫外，在石油加氫等過程中也可使其它的硫化物與氫氣反應生成硫化氫。硫化氫一方面使鋼管發(fā)生均勻腐蝕，另一方面又是氫離子變成氫原子的催化劑，但又能阻礙氫原子合成氫分子。特別是在含有水及HCN的情況下，如催化裂化裝置，以硫化氫的應力腐蝕開裂(SSCC)及氫鼓泡為代表的腐蝕被加速。當顯微組織中存在有馬氏體或材料硬度＞HRc22(或HB230)時即可發(fā)生開裂，而當硬度較低則可發(fā)生氫鼓泡，這類失效事故屢見不鮮。
為了解決煉油系統(tǒng)中的H2S的應力腐蝕開裂及氫鼓泡的問題，早在70年代初研究出抗H2S-HCN-H2O系應力腐蝕開裂的鉻鋁鉬釩鋼。該鋼具有良好的抗硫化氫應力腐蝕開裂能力，主要用于制造塔體或塔盤。但由于沒有研制專用焊條，在使用過程中也相繼發(fā)生過焊縫開裂的問題。另外，若不能嚴格控制熱處理工藝條件，使其抗H2S應力腐蝕開裂能力明顯下降。近幾年隨著進口原油量的增加，硫化氫腐蝕又日趨突出，石化系統(tǒng)希望有用于制造在含有H2S、HCN、H2O等腐蝕介質中使用的熱交換器的專用鋼，主要是使用管材(φ25×2.5mm)。熱交換器制造過程中管子與管板的焊接或脹接必須按照GB151-89標準執(zhí)行，其中要求管子的硬度必須低于管板，才可有良好的脹接質量。目前的鉻鋁鉬釩鋼難于滿足這些要求。
本發(fā)明目的是提供一種硬度與管板的硬度相匹配，具有良好焊接性的抗硫化氫氯化氫應力腐蝕開裂交換器等專用無縫鋼管、板、鍛件及專用焊材，即鉻鋁鉬鋼—08Cr2AlMo。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的眾所周知，低合金鋼的抗SSCC與鋼的顯微組織及鋼的純凈度密切相關。由此出發(fā)，我們對鉻鋁鉬釩鋼進行了適當?shù)某煞终{整。同時，采用目前國內最先進的冶煉的設備，即“電爐——精煉——連鑄——連軋”生產工藝，以保證其生產鋼管的質量。本發(fā)明鋼保留了鉻鋁鋁釩鋼的耐腐蝕元素Cr、Al及Mo的含量，降低了鋼的碳含量，并不加釩元素，使生產出的鋼管既要滿足了熱交換器的制造工藝，同時又保持了高的抗硫化氫腐蝕的能力。因為當鋼中Cr/C＜0.14時形成的(FeCr)3C對耐硫化氫腐蝕不利，所以把鋼的碳含量降低到0.10％以下。Al的加入可以提高抗單質硫腐蝕的能力，并可提高碳的活度。但是Al可使鋼的鐵素體的脆性增加而導致鋼韌性的降低，特別是焊接時在熔合線處易產生鐵素體帶，故通常把Al控制在中下限。Mo和V都是碳化物強烈形成元素，可以提高鐵素體和珠光體鋼在室溫和高溫的強度，而且Mo的加入可提高鋼在水介質中的耐蝕性。V的加入主要是考慮到鋼厚板的淬透性及細化鋼的晶粒度，使鋼的強度進一步提高，但考慮到與熱交換器管板硬度的匹配和熱交換器用鋼管壁厚較薄，故在新鋼種中不再添加V，從而保證鋼管的硬度低于管板，而滿足熱交換器的制造工藝。本發(fā)明鋼的化學成分(Wt％)為C0.05--0.10％，Si0.17--0.40％，Mn0.20--0.50％，S≤0.013％，P≤0.018％，Cr2.00--2.50％，Al0.30--0.70％，Mo0.30--0.40％，Ca0.0010-0.0050％，[O]0.0001--0.0012％，F(xiàn)e余量。本發(fā)明鋼主要用作熱交換器管，其常用規(guī)格為φ19×2mm及φ25×2.5mm，采用冷拔拉管，最后經(jīng)940℃正火+700℃退火處理。其顯微組織為鐵素體+珠光體(

圖1與圖2)，晶粒度為8級，非金屬夾雜物如硫化物低于0.5級，氧化物低于0.5級，都遠小于1.5級，說明本發(fā)明鋼具有較高的純凈度。
本發(fā)明鋼的常規(guī)力學性能為σs≥250MPa，σb400～550Mpa，δ5≥25％，HRB≤85，其硬度比鉻鋁鉬釩鋼低40～50HB。按照GB/T4338-1995標準進行力學拉伸試驗。結果如圖3所示。從室溫到500℃高溫的拉伸力學性能變化不大，σs不低于500MPa，σb大于400MPa。按照GB/T229-1994標準進行沖擊功試驗，結果如圖4所示。本發(fā)明鋼的沖擊功隨溫度的變化無明顯的突變點，在-60℃時，斷口晶狀百分率為46％，所以確定該鋼的脆性轉變溫度在-60℃以下。
本發(fā)明鋼的耐蝕性能本發(fā)明鋼主要用于石油化工等中易蝕的熱交換器(換熱器、冷卻器、蒸發(fā)器和重沸器)管束。熱交換器介質是多樣的，在評價要發(fā)明鋼的腐蝕抗力時，在H2S-H2O系中抗應力腐蝕開裂能力與鉻鋁鉬釩鋼、鉻鉬鋼和10#鋼相比較，而在循環(huán)水、軟化水及鹽酸水溶液中的腐蝕抗力則與熱交換器常用管材鉻鉬鋼及10#碳鋼進行比較。具體試驗結果如下抗硫化氫應力腐蝕試驗管材及其同種材料焊縫的C型試樣按照ASTM G38標準加工并予加載80％σs。實驗溫度、溶液的成分及濃度等按TM-01-77-90標準執(zhí)行，即溫度為24±3℃，溶液為5％氯化鈉+0.5％冰醋酸水溶液，硫化氫氣體通入至飽和，保證初始pH值等于3，實驗期間pH值不超過4.5。實驗結束后，取出試樣觀察，發(fā)現(xiàn)鉻鉬鋼及10#鋼的焊縫在H2S介質中發(fā)生應力腐蝕開裂，而本發(fā)明鋼(圖5)母材與焊縫均未開裂，即08Cr2AlMo鋼的σth≥0.8σs。值得指出的是，未裂的焊縫是用與本發(fā)明鋼匹配的專用焊接材料焊接的。本發(fā)明鋼在上述水溶液中的均勻腐蝕率為0.2mg/cm2.h。
HCl水溶液中的試驗按照GB10124-88標準，對10#碳鋼，鉻鉬鋼和本發(fā)明鋼試樣分別在80℃不同濃度鹽酸水溶液中浸泡24小時后測定腐蝕率，結果如圖6所示。碳鋼的腐蝕率隨鹽酸濃度的增加而增加，當HCl濃度大于3％時，腐蝕率基本上穩(wěn)定在23mg/cm2.h左右。5％HCl水溶液中，本發(fā)明鋼的腐蝕率大約是碳鋼的20％，鉻鉬鋼的33％。
水介質中的試驗結果煉油廠中的冷卻水通常為軟化水和循環(huán)水兩種，試驗用冷卻水及循環(huán)水均取自實際冷卻水，其水質情況分別如表1及表2所示。表1軟化水水質分析結果
表2循環(huán)水水質分析結果
按照GB10124-88標準，對10#碳鋼，鉻鉬鋼和本發(fā)明鋼試樣進行恒溫水浴試驗，其結果如圖7及圖8所示。在軟化水中碳鋼、鉻鉬鋼、本發(fā)明鋼的腐蝕率隨溫度的增加而增加，但在試驗溫度范圍內，本發(fā)明鋼比碳鋼和鉻鉬鋼的耐蝕性都好。而在循環(huán)水中，在50～60℃時鋼的腐蝕率最高，但本發(fā)明鋼的腐蝕率最低。
本發(fā)明鋼的焊接性能本發(fā)明鋼配有專用焊接材料及焊接工藝，具有良好的可焊性，滿足熱交換器制造鋼的要求?？紤]到熱交換器的抗腐蝕性，所以要求焊縫不僅具有一定的機械強度，同時還必須具有高的耐腐蝕性。
為了保證本發(fā)明鋼鋼管在熱交換器中的制造性能，特研制了匹配的專用焊接材料。本發(fā)明鋼管與16Mn、12Cr2Mol鋼管板焊接時均具有良好的可焊性和耐蝕性。
本發(fā)明鋼的優(yōu)點在于本發(fā)明鋼是在抗H2S-HCN-H2O系應力腐蝕開裂鉻鋁鉬釩鋼的基礎上開發(fā)出的新鋼種—08Cr2AlMo，具有高的抗H2S應力腐蝕開裂能力，并配有專用焊接材料。由于采用100噸電爐冶煉+爐外精煉(真空脫氣)，連續(xù)澆注和熱送連軋等工裝條件和嚴格的質量控制手段，降低了鋼的碳含量和不加釩元素，使鋼的硬度降低，同時鋼的可焊性及制造性有明顯的提高，符合熱交換器的制造標準GB151-89。由于鋼純度的提高，使該鋼在抗H2S-H2O體系中保持了高的抗SSCC能力，并且抗H2S-H2O、HCl-H2O介質的腐蝕能力比碳鋼和鉻鉬鋼有明顯的提高。同時本發(fā)明鋼具有高的高溫力學性能及低的脆性轉變溫度，使用溫度范圍為-20℃到400℃。因此本發(fā)明鋼是一種新的耐腐蝕熱交換器專用鋼管鋼。
圖1是本發(fā)明鋼的縱向顯微組織；圖2是本發(fā)明鋼的橫向顯微組織；圖3是本發(fā)明鋼拉伸力學性能與溫度關系曲線；圖4是本發(fā)明鋼沖擊韌性與溫度關系曲線；圖5是本發(fā)明鋼H2S應力腐蝕照片；圖6是鋼在鹽酸中腐蝕率與鹽酸濃度關系曲線；
圖7是鋼在軟化水中腐蝕率與溫度關系曲線；圖8是鋼在循環(huán)水中腐蝕率與溫度關系曲線。
實施例按照本發(fā)明鋼的化學成份，采用電爐冶煉，爐外精煉，真空脫氣，連續(xù)澆注，接著熱送連軋制備了三爐鋼，其具體化學成分見表3表3鋼的化學成分(Wt％)
經(jīng)實驗測得的三爐鋼的力學性能見表4表4鋼的力學性能
三爐鋼的非金屬夾雜物分別為≤0.5級，≤1.0級，≤0.5級，鋼的晶粒度均為8級。
經(jīng)硫化氫應力腐蝕試驗，三爐鋼均未發(fā)現(xiàn)開裂。
權利要求
1.一種抗硫化氫氯化氫應力腐蝕開裂鉻鋁鉬鋼，其特征在于其化學成分(Wt％)為C0.05-0.10％，Si0.17-0.40％，Mn0.20-0.50％，S≤0.013％，P≤0.018％，Cr2.00-2.50％，Al0.30-0.70％，Mo0.30-0.40％，Ca0.0010-0.0050％，[O]0.0001-0.0012％，F(xiàn)e余量；其夾雜物＜1.5級，晶粒度＞7級；其力學性能為σs≥250MPa，σb400-550MPa，δ5≥25％，HRB≤85。
2.根據(jù)權利要求1所述的鉻鋁鉬鋼的制造方法，其特征在于其工藝過程包括電爐冶煉，爐外精煉，真空脫氣，連續(xù)澆注和熱送連軋，從300mm方坯一火軋制到Φ60mm棒料，再穿孔、拉拔成材。
3.根據(jù)權利要求1所述鉻鋁鉬鋼的用途是制造石油化工用熱交換器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種抗硫化氫氯化氫應力腐蝕開裂熱交熱器等專用無縫鋼管、板、鍛件及專用焊材,該鋼是在鉻鋁鉬釩鋼的基礎上降碳去釩得到的鉻鋁鉬鋼－08Cr2AlMo,該鋼通過電爐冶煉,爐外精煉,真空脫氣,連鑄連軋工藝制造,鋼的純凈度高,S≤0.013%,P≤0.018%,
≤0.0012%,夾雜物<1.5級,因此具有很高的抗硫化氫氯化氫應力腐蝕開裂性能σ
文檔編號C22C38/22GK1346901SQ0113651
公開日2002年5月1日 申請日期2001年10月15日 優(yōu)先權日2001年10月15日
發(fā)明者朱忠亞 申請人:朱忠亞