不锈钢材料在大型尿素装置中的应用

王　群

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉　430223)



不锈钢材料在大型尿素装置中的应用

王群

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉430223)

摘要：阐述了大型尿素装置的腐蚀问题与防腐措施，介绍了不锈钢材料在大型尿素装置中的应用，对新型不锈钢材料的推广应用进行了展望。

关键词：尿素装置；腐蚀；防腐措施；不锈钢

1大型尿素装置的腐蚀

1.1腐蚀原因

尿素设备腐蚀的原因比较复杂，主要有以下几点。

(1)设备结构设计不合理，使某些部位气体和液体分布不均匀，造成局部温度过高或缺氧而加剧腐蚀。

(2)选材不当或用错钢材、衬里或焊接材料。

(3)制造加工和焊接工艺条件控制不当，焊接质量差，出现弧坑、飞溅和裂纹等缺陷。

(4)检验水平低，制造中遗留的缺陷没有被发现或没有进行处理。

(5)工艺操作指标控制不严，偏离最佳操作范围，没有遵守操作规程，发生超温、超压等现象；开、停车次数过多，封塔时间过长。

(6)无科学的检修方法，在用材和检修工艺上有缺陷，检修质量差。

1.2防腐措施

1.2.1合理设计设备的结构

(1)设计设备结构时，应避免在设备内部形成死角和滞流区。

(2)避免产生过大的应力集中结构，减少疲劳载荷。在结构设计上，应尽可能使接管焊缝免受或少受外力的影响，当接管承受较大的外力、外力矩或振动载荷时，应采取适当的措施予以减轻，以避免与腐蚀介质接触的焊缝受到上述因素带来的附加不利影响；对于弯管以及其他弯制构件，在条件允许时，应尽量采用大弯曲半径；当接触介质有应力腐蚀时，不锈钢应进行固溶热处理。

(3)内件连接应尽量采用焊接结构，要求全焊透，条件允许时应尽量采用双面焊。当必须采用螺栓连接时，可选择耐腐蚀性能更好的材料(如25-22-2型不锈钢、钛或钛合金、双相不锈钢)制作紧固件或采取适当结构将螺纹连接面包覆起来，避免与腐蚀介质直接接触。

(4)尽量不采用会造成施焊和检验困难的结构。

(5)应防止可能引起冲刷、磨损和缝隙腐蚀、电偶腐蚀的结构设计，应考虑能及时流畅地排放冷凝液的设计。对流速较大、流动状态较复杂的部位，应采用耐冲刷的材料(如25-22-2型不锈钢)做成可拆式保护套筒或防护板，保护和隔离耐冲刷腐蚀性能较差的材料。对由于工艺气液反应形成的表面严重紊乱而加速腐蚀的部位(如汽提管上部)，则需通过控制加热蒸汽压力的方法，以降低管子内壁的腐蚀加速程度，或选用更高一级的材料(如不锈钢+锆的双金属管或Safurex)。

(6)采用合理的设计结构，消除产生缝隙腐蚀的形成条件。根据Stamicarbon的经验，当结构空间的深度和宽度之比<10时，就能保证缝隙与介质接触的金属得到充足的氧。为此，在条件允许时人孔应尽量选择敞开式密封。对其他存在积液的环隙，也应尽量将其宽度尺寸设计得大一些。

(7)设备和管道的壁厚要留有足够的腐蚀裕量。

1.2.2选择适宜的耐蚀钢材

(1)尿素高压设备中与腐蚀介质接触的材料应选用专利工艺包规定的尿素级材料(如316Lmod，X2CrNiMo25-22-2或双相不锈钢)，严格遵守尿素用材专用技术规格书和检验、试验标准，对材料的冶炼、轧制和热处理等过程严格按相关标准加以控制，确保金相组织分布均匀；加强对材质的验收和管理，确保设备用材必须是按材料标准和工程标准检验合格，并经固溶处理和酸洗后的合格产品。

(2)控制铁素体的含量。通过控制母材和焊缝金属的化学成分，确保焊后及热处理后的母材和焊缝金属中的铁素体含量达到最小，不会形成网状铁素体组织。

(3)提高钢材的含铬量，降低碳含量，如选25-22-2型母材或采用25-22-2型焊接材料，可提高焊缝金属的抗腐蚀能力。

(4)采用铁素体相对稳定的双相不锈钢材料和焊条。

(5)汽提管和分布管等换热管，应逐根进行涡流探伤和超声波检查。

2尿素生产常用不锈钢材料

针对尿素生产装置的腐蚀问题，作为大型尿素装置全面腐蚀控制的重要一环，选择耐蚀金属材料和对材料的耐腐蚀性提出更高的要求，成为尿素工业发展过程中的重要课题。

大型尿素生产装置所用耐蚀金属材料，主要按照设备用途、功能和接触介质的种类、成分、浓度、工作温度和压力及腐蚀性，选择适宜的耐蚀钢材，主要有碳钢、镍铬钼不锈钢、双相不锈钢、钛材和锆材等。由于不锈钢具有良好的机械性能和耐蚀性能及较长的使用寿命，在大型尿素装置中得到了较为广泛和充分的应用。

2.1尿素装置部分非标设备用不锈钢

大型尿素装置生产的方法有多种，各种生产方法选用的耐蚀金属材料大体相似，但不同的工艺又有各自的特点。下面以内蒙古某50-80化肥项目采用荷兰Stamicarbon CO2汽提法工艺生产尿素装置为例，介绍部分非标设备用不锈钢。CO2汽提法工艺尿素装置部分非标设备用不锈钢见表1。

表1　CO2汽提法工艺尿素装置部分非标设备用不锈钢

续表

2.2镍铬和镍铬钼不锈钢的应用

从表1可知，尿液、甲铵液是一种较强的腐蚀性介质，与之接触的中低压设备、内件，一般选用有良好耐蚀性能的镍铬、耐酸不锈钢和镍铬钼不锈钢，如304L(022Cr19Ni10)、304(06Cr19Ni10)、316L(022Cr17Ni12Mo2)。

为改善不锈钢的耐蚀性，提高抗晶间腐蚀能力，介质为尿液的一段蒸发器、二段蒸发器、一段蒸发分离器、二段蒸发分离器、尿液贮槽等设备多采用超低碳不锈钢304L。

镍铬钼不锈钢用于与腐蚀性较强的甲铵液接触的设备，如低压甲铵冷凝器、低压甲铵冷凝器液位槽等。尿素装置的腐蚀主要是高温、高压下甲铵液的腐蚀，高温、高压下的甲铵液是一种强腐蚀性介质，而危害最大、最主要的腐蚀为晶间腐蚀。因此，与高温高压下甲铵液接触的设备应选用有优良抗晶间腐蚀性能的镍铬钼超低碳不锈钢，如316L(022Cr17Ni12Mo2)、317L(022Cr19Ni13Mo3)。如果耐蚀性能要求更高，则应采用25-22-2(00Cr25Ni22Mo2N)。

尿素级316Lmod是大型尿素生产装置普遍使用的耐蚀结构材料和衬里材料，在正常的维护操作条件下，尿素级316Lmod合成塔(R201)衬里腐蚀速率均在0.1mm/a以下，如果防腐蚀工作做得好，其腐蚀速率可控制在0.05mm/a以下。

CO2汽提塔(E201)介质由于氨碳摩尔比低，氧含量也较低，特别是汽提管中容易局部超温、操作不稳定时，管内介质中的氧含量降得更低，在这种环境下，316L容易产生晶间腐蚀和选择性腐蚀。所以汽提塔4 065根φ31 mm×3 mm×6 000 mm的汽提管及其上段升汽管必须考虑特殊材料。长期以来，国内尿素装置普遍选用25-22-2材料，含铬量约提高到25%，耐腐蚀性可显著提高，同时加工制造比较简单，可以满足CO2汽提塔汽提管使用条件下的要求。

上世纪90年代，Snamprogetti公司推出一项在汽提塔中采用衬锆双金属换热管的新设计，并应用于其氨汽提尿素生产工艺中，取代了过去一直使用的钛合金管。钛合金管虽然抗腐蚀性能良好，但其内管壁不耐局部冲刷侵蚀，会导致汽提塔使用寿命缩短，而衬锆双金属管中锆合金的抗腐蚀和抗冲刷性能均明显优于钛合金，其外层材质为25Cr-22Ni-2Mo(Sandvik 2RE69)，要求最小厚度在2 mm以上；内层材质为锆合金(Sandvik Zr702)，最小厚度为0.7 mm。这种双金属管将两部分通过机械作用复合而成，能确保基层提供足够的强度和内层管壁具有良好的导热性能，增强抗腐蚀能力。

因双金属管的价格低于过去的钛合金管，而且锆的抗腐蚀性要优于钛，因此新设计既提高了抗腐蚀/侵蚀性能，又节省了制造费用。另外双金属管较之钛合金管壁厚减薄，外径减小，因而新型汽提塔结构更为紧凑。

但近十年来，随着工程材料技术的进步和发展，引进的Stamicarbon工艺专利包中的尿素4大高压设备——汽提塔(E201)、高压洗涤器(E203)、池式冷凝器(E205)、尿素合成塔(R201)中的耐蚀材料及换热管已开始使用更高级别的新型高性能双相不锈钢Safurex材料，逐渐取代了 X2CrNiMoN 25-22-2。

2.3双相不锈钢的应用

铁素体-奥氏体双相不锈钢，兼有铁素体钢和奥氏体钢的特征。双相不锈钢在强腐蚀性的甲铵液中有着良好的耐蚀性能，在尿素用材中发展很快。

上世纪60年代荷兰Stamicarbon公司就将第1代的双相钢用于高压甲铵泵基体、阀门和非焊接件。上世纪70年代双相钢的研究取得了突破性进展。上世纪80年代双相钢已用在DSM的大型尿素装置上，在130 ℃条件下，对含微量氧或不含氧的甲铵液，双相钢已替代了钛材和高镍合金，并取得了良好的效果。1993年10月，世界上第1个全部用双相钢(列管和管板堆焊层)，并由双相钢焊接的高压甲铵冷凝器和高压洗涤器已用于尿素装置。

上世纪90年代荷兰Stamicarbon公司与瑞典Sandvik公司共同合作研发了一种用于Stamicarbon工艺的尿素装置新型高性能双相不锈钢——Safurex。Safurex属于高铬氮低镍钢种，是双相钢的重大突破，Safurex的抗腐蚀性极其优良(包括焊接和热影响区)，抗腐蚀能的提高也就意味着使用寿命的延长，Safurex的强度高于2RE69，这可以使壁厚减小，降低材料成本，节约费用。由于Safurex材质卓越的机械特性和改良的加工性能(如焊接)，其使用消除了尿素装置中可能产生的任何已知活性的腐蚀。应用于高压段，该材质胜过先前使用过的所有材料和贵金属，如钛和锆。

除了在酸性环境中具有良好的抗一般腐蚀能力外，双相钢还有很强的抗点蚀及应力腐蚀裂纹的能力。这两种腐蚀都是由氯的存在而引起。Stamicarbon专有设备池式冷凝器冷凝管上管端里侧的腐蚀就是因为制造时管孔和管子外壁表面清理不干净，使附着在表面的Cl-残留下来，或在壳程水压试验时Cl-含量超标，过量的氯离子浓缩富集在管子与管孔的夹缝中，这些带入残留的氯离子在高温条件下对不锈钢产生了应力腐蚀，导致开裂或孔蚀，316L和2RE69都不能解决这种腐蚀，而Safurex抗腐蚀性超强，具有对氯离子不敏感的特性，只要氯离子的浓度≤200 mg/m3，就不会产生任何影响。在正常的尿素生产环境中，基本没有可能达到如此高的氯离子浓度。因而，我们可以确信，由于Safurex的应用，长期困扰我们的因氯离子导致的设备材料应力腐蚀裂纹的问题得到了彻底消除。

Safurex可以实现一个几乎免维护的尿素装置，与其他任何商用尿素装置相比，其寿命显著延长。

3结语

尿素生产发展及完善的过程，实际上就是人们在工程实践中不断研究尿素生产系统腐蚀机理和耐蚀金属材料的过程，是耐蚀金属材料发展的过程。随着尿素装置规模的不断扩大，伴随着科技的不断更新、进步，相信今后会有抗腐蚀性能更好、强度更高、价格更低廉的新型材料被开发研究出来，并用于大型尿素工程装置。

修改稿日期： 2015-08-21

Application of Stainless Steel Materials in Large Urea Plants

WANG Qun

(WuhuanEngineeringCo.,Ltd.,WuhanHubei430223China)

Abstract：This paper expounds the corrosion issues and anticorrosion measures of large urea plants and introduces the application of stainless steel materials in large urea plants and looks into the application promotion of new stainless steel materials.

Keywords：urea plant; corrosion; anticorrosion measure; stainless steel

作者简介：王群(1967年-)，男，江苏南京人，1989年毕业于武汉化工学院化工设备与机械专业，高级工程师，长期从事化工设备及压力容器的设计工作。

中图分类号：TQ 050.4

文献标识码：B

文章编号：1004-8901(2016)01-0029-04

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.007 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.007