CN1426340A - 焊接二联钢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在保护气存在下焊接二联钢的方法，焊接中不使用焊接助剂，而在保护气中加入氮气，并采用其铬含量为28－35重量％，镍含量为3－10重量％的奥氏体－铁素体二联钢。

Description

焊接二联钢的方法
本发明涉及在有保护气存在焊接二联钢的方法。
二联钢为具有不同组分的铁素体-奥氏体两相结构的不锈钢。二联钢意指铬和钼主要以铁素体相存在，镍和氮以奥氏体相存在。
二联钢由于其耐腐蚀特性常用于有腐蚀气氛的环境中。二联钢特别在尿素装置中得到成功的应用，在尿素装置中，二联钢要与腐蚀性的氨基甲酸铵接触，特是在尿素装置的高压区。在这些地方关键的部件如高压容器和人孔、管道、法兰和阀门周围的密封件均由二联钢制造。
在工厂中二联钢的使用要求二联钢部件互相相连。二联钢的焊接是接合双金属零件领域的技术人员所已知的方法。双金属零件在有所谓保护气下焊在一起，该保护气提供惰性气氛。本领域技术人员通常采用氩和氦作为保护气。这些保护气防止在焊接过程中的氧化。
二联钢焊接的缺点是，如果必须保持钢的特性，则在不使用维护焊缝的焊接助剂时不能将二联钢零件焊在一起。该钢的特性包括机械特性如抗拉强度、延展性和耐腐蚀性。特别是在采用如IBW(内孔焊接)、激光束焊接或电子束焊接等焊接技术时，在不损害二联钢的特性条件下不能使用二联钢，因为这些焊接技术不允许使用焊接助剂。这些焊接技术例如对制造无裂隙的管对管板的连接是需要的。本领域技术人员通常采用焊接助剂如涂剂焊电极和固体焊料或充填焊料。
本发明的目的是消除上述缺点，并在无焊接助剂的情况下焊接二联钢，同时又不损害二联钢的特性。
申请人发现一种在有保护气下不使用焊接助剂的二联钢焊接方法，在保护气中加有氮气。更具体而言，该方法是在有保护气存在下不使用焊接助剂焊接二联钢的方法，保护气中加有氮气，并采用奥氏体-铁素体二联钢，其铬含量为28-35重量％，镍含量为3-10重量％。
优选使用下列组成的奥氏体-铁素体钢：
C：         最大0.05重量％
Si：        最大0.8重量％
Mn：        0.3-4.0重量％
Cr：        28-35重量％
Ni：        3-10重量％
Mo：        1.0-4.0重量％
N：         0.2-0.6重量％
Cu：        最大1.0重量％
W：         最大2.0重量％
S：         最大0.01重量％
Ce：        最大0.2重量％
其余为Fe和通常的杂质和添加剂，铁素体含量为30-70体积％。
较优选是C含量为最大0.03重量％，特别优选最大为0.02重量％；Si含量最大为0.5重量％；Cr含量为29-33重量％；Ni含量为3-7重量％；Mo含量为1-3重量％，特别是1-2重量％；N含量为0.36-0.55重量％；和Mn含量为0.3-1重量％。
铁素体含量较优选为30-55体积％。奥氏体相的Cr含量较优选至少为25重量％，特别是至少27重量％。
优选将1-10体积％的氮加到保护气中，特别是1-5体积％，更优选为1-3体积％。
本发明的优点在于，可采用IBW焊接、激光束焊接、电子束焊接按二联钢，同时保持其特性。
将铁素体-奥氏体钢焊接在一起的广泛使用的实施方案包括通过所谓的搭接焊将钢部件互相连接。为此使用已知的焊接方法通过将一层铁素体-奥氏体二联钢施加到通常较廉价的碳钢的基面上以制成接触表面。使用本发明的焊接方法将另一个二联钢物体或用二联钢接触面连接到所述的搭接焊上。但是所焊的物体常会因为在搭接焊的二联钢中的细裂纹的产生而剥落。
现已发现，通过一种能使二个或多个二联钢零件经搭接焊的方法来消除该缺点。在该方法中，金属零件的接触面部分或全部由铬含量为28-35重量％和镍含量为3-10重量％的铁素体-奥氏体钢制成，接着去除接触面最上面的0.1-1.0mm，优选0.2-0.8mm，特别是0.3-0.7mm，然后再将金属零件焊在一起。该上面层可用本领域技术人员已知的方法如研磨、锉、使用磨料等来去除。
本发明的焊接和搭接焊方法在制造管部件如法兰和阀门的制造中特别有用，因为这类管部件对裂隙腐蚀不太敏感。这类部件由铬含量为28-35重量％和镍含量为3-10重量％的二联铁素体-奥氏体钢制成，并用焊接方法或搭接焊方法相互连接，过程中不使用焊接助剂，而是将1-10体积％的氮加到保护气中。
特别是在尿素装置的高压区的法兰和阀门的特殊的焊缝能以本发明方法有效地制造。
因此，本发明特别涉及焊接方法和搭接焊方法在尿素装置中的应用。
上述的管部件是泄漏的来源。在采用对裂隙腐蚀敏感的材料时，腐蚀将随时间在管部件所内含的裂隙中发生，这就导致工艺流体的泄漏。特别是例如在尿素装置的高压区会发生。这样装置将会因安全及环境法规而停运。如果这类管部件使用本发明方法制造，则其对裂隙腐蚀的敏感性小得多，并且防止了泄漏。
在采用上述二联钢时，对腐蚀的低敏感性就可使用更多的泵来代替重力以输送工艺物流。着就不需要将设备单元布置成一个在另一个的上面，如尿素工厂的高压氨基甲酸盐冷凝器和反应器那样。所有设备单元都可在地面布置，这可实现大量投资节省。
重要的是本发明中使用的二联钢要有好的铁素体-奥氏体分布。如果其分布不是最佳，则该钢的特性将下降。这可导致管道和设备的裂纹，并且该钢对腐蚀也更敏感。已发现通过涡流线圈进行测量可容易地测试铁素体-奥氏体钢的均匀性。当一片金属通过这种线圈时，会直接显示分布不足的地方。代替这种涡流线圈测量的方法是破坏性方法。
尿素可在合适的压力(如12-40MPa)和合适的温度(如160-250℃)下将(过量)氨和二氧化碳引入合成区来制备，首先按下列反应形成氨基甲酸铵：
然后形成的氨基甲酸铵按下式经脱水形成尿素：
由氨和二氧化碳反应成尿素的理论上可达到的转换率由热力学平衡状态决定，并取决于例如NH3/CO2比(N/C比)、H2O/CO2比和温度，并可借助于下列文献描述的模式计算：Bull.of the Chem.Soc.ofJapan(日本化学学会会刊)，1972年，45卷pp.1339-1345和J.AppliedChem.of the USSR(苏联应用化学杂志)(1981)，54卷，pp.1898-1901。
在由氨和二氧化碳转化为尿素中，涉及作为反应产物的尿素合成溶液，它主要由尿素、水、氨基甲酸铵和未结合的氨。除尿素合成溶液外，还可包括合成区的未转化的氨和二氧化碳和惰性气体的气体混合物。将氨和二氧化碳从气体混合物中去除，并优选返回到合成区。
实际上，可采用各种方法制备尿素。起初是在所谓的通常的高压尿素装置制备尿素，它在60年代末采用在所谓的尿素汽提装置实施的方法成功的。
通常的高压尿素装置意指未转化成尿素的氨基甲酸铵被分解的尿素装置，通常过量的氨在比合成反应器的压力低很多的压力下排放。在通常的高压尿素装置中，合成反应器在温度为180-250℃和压力为15-40MPa下操作。在通常的高压尿素工厂中，在1.5-10MPa压力下膨胀、解离和冷凝后，未转化成尿素的反应物作为氨基甲酸盐物流返回尿素合成区。此外，在通常的高压尿素装置中，氨和二氧化碳直接送入尿素反应器。在通常高压尿素工艺的尿素合成中的N/C比为3-5，CO2转换率为64-68％。
起初，这类通常的尿素装置曾设计成所谓的“一次操作”工艺。这时未转化的氨经酸(如硝酸)中和并转化成氨盐(如硝酸铵)。不久这些通常的一次通过的尿素工艺被通常的再循环工艺所取代，在再循环工艺中，所有未转化的氨和二氧化碳作为氨基甲酸盐物流返回尿素反应器。在回收区，未转化的氨和二氧化碳从在合成反应器中得到的溶液中去除，在此工艺中尿素包含在水中。接着在蒸发区利用减压蒸发掉水，而使水溶液中的尿素转变成尿素。
尿素汽提装置意指未转化成尿素的氨基甲酸铵基本上被分解的尿素装置，通常过量的氨在与合成反应器几乎相等的压力下基本上被排放。在加有或未加有汽提剂的汽提器中发生分解/排出。在汽提过程中，二氧化碳和/或氨在加入到反应器之前可作为汽提气。这种汽提是在装置在合成反应器下游的汽提器中完成的，在该汽提器中，来自尿素反应器的含有尿素、氨基甲酸铵和水以及氨的合成溶液在加热下用汽提气进行汽提，这里也可使用热汽提。热汽提意指氨基甲酸铵被分解，并且存在的氨和二氧化碳仅采用提供热来从尿素溶液中去除。汽提也可以二步或多步完成。在已知的方法中，第一步纯的热汽提后是加热下的CO2汽提。从汽提器来的含氨和二氧化碳的气流返回反应器，不管是否经由高压氨基甲酸盐冷凝器。
在尿素汽提装置中，合成反应器在160-240℃，优选170-220℃下操作。合成反应器的压力为12-21MPa，优选12.5-19.5MPa。在汽提装置的合成中，N/C比为2.5-4，CO2的转化为58-65％。合成可在一个或两个反应器中进行。当使用两个反应器时，第一个反应器例如可采用实际上新的原料操作，而第二个反应器采用例如从尿素回收来的完全或部分再循环的原料操作。
经常采用的以汽提法制备尿素的实施方案是在European ChemicalNews(欧洲化学信息)，尿素副刊，1969年1月17日，17-20页中指述的Stamicarbon CO2汽提法。在汽提操作中得到的较大部分气体混合物在高压氨基甲酸盐冷凝器中经冷凝和吸收，之后形成的氨基甲酸铵物流返回到合成区用于形成尿素。
高压氨基甲酸盐冷凝器例如可设计成NL-A-8400839中描述的所谓潜管冷凝器。该潜管冷凝器可水平或垂直放置。但特别优选是在水平的潜管冷凝器(所谓池式冷凝器；参看例如Nitrogen No.222，1996年7-8月，29-31页)中进行冷凝。
在汽提操作后，经汽提的尿素合成溶液的压力降到尿素回收的低水平，并且该溶液经蒸发，之后释出尿素，低压的氨基甲酸盐物流循环到合成区。
在通常的尿素工艺和尿素汽提工艺中，将氧化剂加入装置中以保护结构材料免受腐蚀。在金属部件上形成氧化物表面层以防腐蚀。该过程称为钝化。钝化剂可以是例如US-A-2727069中所描述的氧或释氧化合物。通常氧以空气形式使用。钝化剂例如可加到原料之一中。
虽然加入氧/空气保护了结构材料免受腐蚀，但它有下列缺点：
—氧/空气必须从过程中去除，同时没有氨和二氧化碳离开该过程。这就需要用于这些气体物流的昂贵又耗能的洗涤系统；
—在现代的氨装置中产生的用于尿素制备的原料(氨和二氧化碳)经常含有痕量的氢。这些氢与提供的钝化空气一起在装置某些区域可导致爆炸性的氢/空气混合物的形成。为防止或防护这种情况，需要昂贵的措施。
已知采用二联钢可大大减少氧/空气的加入或可免于加入，这些上述缺点较少发生，如果多少有一点，也可达到高的可靠性。WO-95/00674中提到在尿素装置中二联钢的应用，并提到不使用钝化气体。
此外，通过用按本发明的焊接方法和搭接焊方法制造的管道和设备件来替换在腐蚀发生的区的管道和设备件，此方法非常适合于改进和优化现有的装置。通过在二联钢搭接焊中会形成毛状裂缝的区域采用本发明的连接工艺，该方法特别适用于改进现有的尿素装置。
本发明可应用于现在的尿素工艺中，包括通常的尿素工艺和尿素汽提工艺。可应用本发明的通常的尿素工艺的实例是所谓的“一次操作”工艺、通常的“再循环”工艺和热再循环工艺。可应用本发明可用的尿素汽提工艺的实例是CO2汽提工艺、NH3汽提工艺、自-汽提工艺、ACES(省能省钱的改进型工艺)工艺、IDR(等压-双循环)工艺和HEC工艺。
以下列实施例描述本发明。
实施例I
在基于CO2汽提工艺的尿素装置的池式冷凝器(管壳式换热器)中，来自高压洗涤器的高压氨基甲酸盐通过换热器的壳侧，并且冷却蒸汽冷凝液通过换热器的管侧。这在壳侧提供附加的停留时间的优点，导致尿素形成，这产生了较高的冷凝温度，并因此有较好的传热。由二联钢制造管和管对管板的连接是有利的，因为在这种情况下，只需少量氧(或无需氧)加入过程中。但是二联钢的管对管板的连接必须是无裂缝。这种管对管板的连接采用本发明方法的IBW工艺来进行，将2体积％的氮加到保护气如氩中。IBW工艺无需焊接助剂。实施例II
在位于CO2汽提工艺的反应器下游的汽提器中，来自反应器的合成溶液用二氧化碳汽提，同时加热和分解氨基甲酸铵和排出气体。汽提器的顶室(汽提器上端)含有由较薄(5-10mm)钢板组成的所谓的内部构件，它需要连接到汽提器柱的壁上。由碳钢制造汽提器的上端并以二联钢搭接焊来防止碳钢的腐蚀是有利的。仅通过本发明的搭接焊方法就可通过焊接过程将内部构件连接到搭接焊上。
实施例III
实践表明，按现有经验，尿素装置平均可维持及运行约半年时间。这意味尿素装置每半年要停机，这是因为在高压区由裂缝腐蚀造成管道部件的泄漏所引起的。这种停机频率可通过由本发明方法所应用的二联钢来制造这种管道部件而减至最少。可将生产运行延长几年，因此通过减少生产停机而获得明显的经济效益。

Claims (12)

1.一种在有保护气存在下焊接二联钢的方法，其特征在于，不采用焊接助剂，并且将氮加入到保护气中。
2.权利要求1的方法，其特征在于，使用奥氏体-铁素体二联钢，其铬含量为28-35重量％，镍含量为3-10重量％。
3.权利要求1-2的方法，其特征在于，采用下列组成的奥氏体-铁素体二联钢：
C：                     最大0.05重量％
Si：                    最大0.8重量％
Mn：                    0.3-4.0重量％
Cr：                    28-35重量％
Ni：                    3-10重量％
Mo：                    1.0-4.0重量％
N：                     0.2-0.6重量％
Cu：                    最大1.0重量％
W：                     最大2.0重量％
S：                     最大0.01重量％
Ce：                    最大0.2重量％
其余为Fe和通常的杂质和添加剂，铁素体含量为30-70体积％。
4.权利要求1-3的方法，其特征在于，采用Cr含量为29-33重量％的奥氏体-铁素体二联钢。
5.权利要求1-4的方法，其特征在于，采用Ni含量为3-7重量％的奥氏体-铁素体二联钢。
6.权利要求1-5的方法，其特征在于，采用奥氏体相中Cr含量为至少25重量％的奥氏体-铁素体二联钢。
7.权利要求1-6的方法，其特征在于，在保护气中加入1-10体积％的氮。
8.一种通过搭接焊连接二种或多种金属部件的方法，其特征在于，金属部件金属的接触面部分或全部由其铬含量为28-35重量％和镍含量为3-10重量％的铁素体-奥氏体钢制造，制造后将其最上面去除0.1-1.0mm，然后将金属部件相互焊接。
9.一种制造管道部件的方法，其特征在于，这种管道部件由其铬含量为28-35重量％和镍含量为3-10重量％的铁素体-奥氏体钢制造，并以焊接方法或搭接焊方法将其互相连接，过程中不使用焊接助剂，并且在保护气中加有1-10体积％的氮。
10.权利要求1-9的焊接方法及搭接焊方法在尿素装置中的应用。
11.一种改进和最佳化现有尿素装置的方法，它通过采用权利要求1-9的焊接方法及搭接焊方法制造的管道和设备件替代发生腐蚀区域的管道和设备件来实现。
12.一种改进现有尿素装置的方法，它通过在二联钢搭接焊中产生毛状裂缝的区域采用权利要求8的连接方法来实现。
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