SE508594C2 - Användning av en ferritisk Fe-Cr-legering vid framställning av kompoundrör, samt kompoundrör och användning av röret - Google Patents

Description

508 594 10 15 20 30 2 begränsad beständighet mot metal dusting, vilket medför förkortad livslängd eller gör att för utbytet ej optimala processparametrar måste användas vid ångreformeringen. Nickelbaslegeringarna är vidare pga högt legeringsinnehåll och krävande tillverkningsprocesser mycket dyra.

Ett syfte med föreliggande uppfinning är således att få fram en mer beständig produkt till lägre kostnad än nuvarande lösningar. Detta syfte har ernåtts genom att använda legeringar enligt krav 1 vid tillverkning av kompoundrör.

Tillverkningen av kompoundröret görs så att de två olika komponenterna tillverkas på konventionellt sätt till stång. Stängerna borras och svarvas med noggranna toleranskrav och sätts ihop till ett strängsprutningsämne. Vanligtvis utgör den korrosionsskyddande ferritiska järn-krom-legerade legeringen mellan 20-50% av den totala väggtjockleken. Ämnet uppvärms till en temperatur mellan 900 och l200°C och strängsprutas till rör. De strängsprutade rören svalnar i luft för att minimera krokighet pga termiska spänningsar som uppkommer vid svalningen. Om nödvändigt följer kallbearbetningsoperationer (kallvalsning) till färdig dimension. Under strängpressningsoperationcn uppstår den metallurgiska bindningen. Denna, liksom de båda komponenternas skikttjocklek, vidimeras genom en kontroll av den färdiga produkten i leveranstillstånd.

Föreliggande uppfinning baserar sig på upptäckten att kompoundrör i viss legeringskombination kan uppfylla alla de krav som kan ställas på konstruktionsmaterial avsedda att användas som bajonettuber, överhettar- och reformerrör i ångreformerings- anläggningar. De krav som måste tillgodoses är god motståndskraft mot metal dusting, oxidationsbeständighet, tillräckliga mekaniska egenskaper (såsom hållfasthet), samt strukturstabilitet. 10 20 508 594 3 Vid provningar i laboratorieskala samt i produktionsanläggningar har den ferritiska järn-krom-legeringen visat sig överlägsen de material som idag normalt används i ångreformeringsanläggningar. Tidigare kända material beskrivs i exempelvis Stahl och Themsen: Survey of Worldwide Experience with Metal Dusting, presenterat vid AIChE:s symposium om säkerhet vid ammoniak, Tucson, Arizona, 18-20 september 1995; Grabke, Krajak och Müller-Lorenz: Werkstoffe und Korrosion 44:89-97 (1993), samt Richardson: Nitrogen No. 205, september-oktober 1993.

Uppfinningen omfattar användningen av en järn-krom-legering med ferritisk struktur och innehåller, i vikt-%: NivÅ' 1 2 3 kol <0.05 <0.l0 <0.3 krom 20-30 15-40 15-60 nickel <2 <10 molybden <2 <5 kisel <2 <5 kväve <0.05 <0.l0 <0.3 mangan <2 <5 järn rest (förutom sedvanliga föroreningar) I Nivå 3: lämplig halt Nivå 2: föredragen halt Nivå l: särskilt föredragen halt Legeringen ovan skall utgöra den för korrosion genom metal dusting och uppkolning utsatta komponenten i ett genom samextrusion tillverkat kompoundrör, där den andra, lastbärande komponenten består av ett lägre legerat legerat kolstål, s.k. 9-12% kromstål, ett konventionellt rostfritt stål eller en nickelbaslegering . Vilken av 508 594 l0 l5 20 30 4 komponenterna som är ytter- respektive innerkomponent beror på om processgasen strömmar på in- eller utsidan av röret.

De miljöer där metal dusting och uppkolning uppkommer karakteriseras av en hög kolaktivitet och relativt lågt syrepartialtryck i processgasen och en temperatur på typiskt 450-900°C. För att ett metalliskt material skall vara beständigt mot denna typ av korrosionsangrepp krävs att det har en god förmåga att bilda en skyddande oxid på ytan. Avgörande för denna förmåga är i huvudsak materialets halt av det oxidbildande ämnet samt dess mikrostruktur. På grund av den relativt låga syrehalten i gasen kan i praktiken endast tre typer av skyddande oxider bildas i den aktuella miljön: aluminiumoxid. kromoxid och kiseloxid. Legering av stål eller nickelbaslegeringar med aluminium eller kisel för att gynna bildning av dessa typer av oxider medför försämrad duktilitet hos legeringen, vilket gör att tillverkning blir mycket svår. Diffusionen av det oxidbildande ämnet till ytan är kritisk, varför det i det aktuella temperaturområdet är en förutsättning att legeringen har en mikrostruktur med ferritisk grundmassa.

Det ferritiska järn-krom-legerade materialet som uppfinningen avser har å andra sidan mycket låg hållfasthet vid höga temperaturer och kan dessutom försprödas under drift genom bildning av s.k. sigmafas. Detta gör att materialet ej lämpar sig för användning vid tillämpningar där det underkastas mekaniska påkänningar. Den låga hållfastheten gör vidare, att det lätt deformeras genom krypning. vilket är negativt bl.a. för skyddet mot metal dusting, eftersom den skyddande oxiden då lätt bryts upp. Dvs, det ferritiska järn-krom-legeradc materialet kan som sådant inte användas som bajonettuber. övcrhettar- och reformerrör i ångreformeringsanläggningar.

Genom att i form av ett kompoundrör sammanfoga det korrosionsbeständiga ferritiska järn-krom-legerade materialet, som vanligtvis utgör mellan 20 och 50% av den totala väggtjockleken med en legering med hög hållfasthet, så att det järn-krom-legerade 10 l5 20 25 30 508 594 5 materialet exponeras mot den korrosiva processgasen, erhålls en produkt som klarar både kravet på beständighet mot metal dusting och mekanisk varm-hållfasthet. Rören kan ha en ytterdiameter på 15-200 mm och en total väggtjocklek på 2-20 mm.

Valet av lastbärande komponent, dvs den komponent på vilken det ferritiska järn-krom-legerade korrosionsskyddet skall anbringas, beror på arbetstemperatur och mekanisk påkänning för komponenten. Förutom krav på hållfasthet ställs krav på den lastbärande komponentens beständighet mot oxidation i förbränningsgaser eller vattenånga.

Generellt kan sägas att oxidationsegenskaperna blir mer avgörande ju högre arbetstemperatur komponenten skall användas vid. Vanligen uppnås oxidationsbeständighet genom legering med krom. Lämpliga legeringar för lastbäraren är därför vid högre (T _>_ 550°C) temperatur, austenitiska rostfria stål eller Ni-Cr-legeringar. Vid lägre temperatur (T S 600°C) kan lägre legerade stål, s.k. 9-l2% kromstål, vara lämpliga som lastbärare.

Exempel på lämplig lastbärare för den typ av kompoundrör, som skall användas vid temperaturer över 600°C, är legeringen Alloy 800H (Fe-30Ni-20Cr-0.4Al-0.4Ti). Den karakteriseras av god kryphållfasthet och strukturstabilitet, vilket gör den lämplig för användning i trycksatta applikationer. Vidare har den en god oxidationsbeständighet som gör att den motstår angrepp från exempelvis förbränningsgaser.

Exempel på lämplig lastbärare för den typ av kompoundrör, som skall användas vid temperaturer under 600°C, är legeringen 88142203 (Fe-0.15C-9Cr-l Mo). Den karakteriseras av god varmhållfasthet och är godkänd för användning i trycksatta applikationer. Vidare har den en god oxidationsbeständighet som gör att den motstår angrepp från exempelvis förbränningsgaser vid den aktuella temperaturen. 508 594 l0 15 30 6 Nedan följer en kort redogörelse för varje ingående grundämnes inverkan på den slutliga stållegeringen. Grundämnenas inverkan avgör naturligtvis angivna min.- resp max.-halter enligt ovanstående nivåöversikt.

C, N: alltför hög kol/kväve-halt har negativ inverkan på den lastbärarande komponenten. Under drift diffunderar kolet/kvävet in i denna och ger en försämrad duktilitet (sprödhet).

Cr: Kromhalten bör vara >5% och företrädesvis >l5% för att bildning av en skyddande kromoxid skall kunna ske. Alltför höga kromhalter medför stora bearbetningsproblem.

Ni: nickel är austenitstabiliserande. dvs vid för höga halter blir inte grundmassan längre ferritisk, vilket är en förutsättning för att ett skyddande oxidskikt skall bildas. Vidare är Ni ett dyrt ett legeringsämne och bör därför hållas lågt.

Mo: höga halter av Mo kan ge upphov till bildning av en smält oxid vid höga temperaturer, vilket nedsätter materialets metal dusting-beständighet. Mo är dessutom dyrt.

Mn: är liksom nickel austenitstabiliserande, dvs vid för höga halter blir inte grundmassan längre ferritisk, vilket är en förutsättning för att ett skyddande oxidskikt skall bildas.

Si: Alltför höga kiselhalter verkar försprödande och medför stora bearbetningsproblem.

Exempel l En stålsmälta med sammansättning A (legeringen enligt föreliggande uppfinning) enligt tabell 1 tillverkades på konventionellt vis genom smältning av skrot i ljusbågsugn, raffinering och färskningi AOD-konverter och stränggjutning till formatet 265x26S mm. Det stränggjutna ämnet varmvalsades sedan till rundstång av format øl44 mm. Ur denna stång kapades ett 520 mm långt ämne, vilket svarvades 10 15 20 25 3() 508 594 7 till en ytterdiameter av øl20 mm och i vilket ett ø93 mm genomgående hål borrades.

En stålsmälta med sammansättning B, vilken är avsedd för den lastbärande komponenten, enligt Tabell 1 tillverkades på samma sätt som smälta A, men varmvalsades i stället till rundstång av format øl20 mm. Ur denna stång kapades ett 520 mm långt ämne, vilket svarvades till en ytterdiameter av ø93 mm och i vilken ett 945 mm genomgående hål borrades.

De två kutsarna sammanfogades genom att ämnet från smälta B placerades inuti ämnet från smälta A, varefter de två komponenterna samsträngsprutades vid llOO°C till ett rör med ytterdiameter G48 mm och väggtjockleken 4.5 mm. Röret glödgades och stegvalsades sedan till ytterdiameter ®3l.8 och väggtjocklek 3.0 mm.

Det färdiga röret erhölls med en utvändig komponent av tjockleken l.l7-1.30 mm och en invändig med tjockleken 1.54-l .74 mm. Dessa variationer är normala och helt acceptabla.

Ringvidgningsprovning, som innebär att korta rörbitar vidgas genom att pressas ned över en konisk dorn som tvingar ringen (rörbiten) att expandera, genomfördes för att kontrollera rörens duktiltet. Samtliga provade ringar klarade kravet på 20 % vidgning.

Plattningsprovning, som innebär att utkapade rörbitar pressas ihop i radiell riktning, genomfördes också för att kontrollera rörens duktiltet. Samtliga provade rörbitar klarade plattning från 31.8 till 9 mm. vilket är godkänt.

Dragprovning av hela rörsektioner, dvs båda komponenterna, gav: Sträckgräns Rp0.2: 352-380 MPa Brottgräns Rm: 573-592 MPa Brottförlängning A50: 40.2-42.6 % Eftersom de två komponenterna har olika hållfasthet, utgörs dessa värden av ett medelvärde av de bidrag som ges av respektive 10 15 20 25 508 594 8 komponent. Värdena kan anses normala och visar att det färdiga röret har godkända egenskaper.

Ta 1 1 v" ' ' -° Charge %C %Si %Mn %Cr %Ni %Mo %Al %Ti %N A 0.19 0.44 0.88 26.44 0.43 0.06 0.003 0.01 0.16 B 0.065 0.43 0.56 20.80 31.09 0.03 0.45 0.40 0.017 Exempel 2 En stålsmälta med sammansättning C enligt Tabell 2 tillverkades på konventionellt vis genom smältning av skrot i ljusbågsugn. raffinering och färskning i AOD-konverter och stränggjutning till formatet 265x265 mm. Det stränggjutna ämnet varmvalsades sedan till rundsttitig: av format øl85 mm. Ur denna stång kapades ett 775 mm långt ämne. i vilken ett øl 17 mm genomgående hål borrades.

En stålsmälta med sammansättning D, vilken är avsedd lt»- den lastbärande komponenten, enligt Tabell 2 tillverkades på summa sätt som smälta A, men varmvalsades i stället till rundstång av torrry ø138 mm. Ur denna stång kapades ett 775 mm långt ämne. vilket svarvades till en ytterdiameter av øll? mm och i vilket ett øtšl mi: genomgående hål borrades.

De två kutsarna sammanfogades genom att ämnet frun sm.. ' B placerades inuti ämnet från smälta A. varefter de två komponcnit-w samsträngsprutades vid 1l00°C till ett rör med ytterdiameter QSU mi: och väggtjockleken 7.5 mm. Röret glödgades och stegvalsades sedan till ytterdiameter ø63 och väggtjocklek 5.0 mm. Härmed erhölls ett färdigt rör med en utvändig komponent med tjockleken 3.6 mm och en invändig med tjocklek 1.4 mm. 10 9 508 594 Det färdiga röret kontrollerades med oförstörande ultraljudprovning. Inga defekter, t.ex. i den s.k. bindzonen mellan inner- och ytterkomponent, påträffades. 0 Charge %C %Si %Mn %Cr %Ni %Mo %A1 %Ti %N C 0.17 0.59 0.78 26.70 0.26 0.02 0.003 0.01 0.18 D 0.067 0.59 0.53 20.15 30.20 0.08 0.46 0.53 0.014 hittills ouppnådd beständighet mot metal dusting, med lång funktionsduglig livslängd. Även sammandraget utgör en del av denna beskrivning.

De enligt uppfinningen producerade kompoundrören har en

Claims (9)

508 594 10 15 20 30 10 PATENTKRAV

1. Användning av en järn-krom-legering med ferritisk struktur vid framställning av kompoundrör innefattande dels ett skikt av nämnda järn-krom-legering, dels ett skikt av en lastbärande komponent, samt eventuellt flera skikt, varvid nämnda järn-krom- legering innefattar i vikt-%: kol: < 0,3%, 15-60%, nickel: < 10%, krom: molybden < 5%, kisel < 5%, kväve < 0,3%, mangan < 5%, samt resten järn, förutom naturligt förekommande föroreningar.

2. Användning enligt krav 1, varvid kromhalten är mellan 15 och 40 vikt-%.

3. Användning enligt krav 1 eller 2, varvid nickelhalten är <. 2 vikt-%.

4. Användning enligt krav 1, 2 eller 3. varvid kiselhalten är < 2 vikt-%.

5. Användning enligt något av föregående krav, varvid kvävehalten är < 0,10 vikt-%.

6. Kompoundrör innefattande åtminstone ett skikt av en järn- krom-legering, åtminstone ett skikt av en lastbärande komponent, samt 10 15 20 508 594 ll eventuellt något eller några ytterligare skikt, kännetecknar därav, att järn-krom-legeringen har följande sammansättning i vikt-%: kol: < 0,3%, 15-60%, < 10%, krom: nickel: molybden < 5%, kisel < 5%, kväve < 0,3%, mangan < 5%, samt resten järn, förutom naturligt förekommande föroreningar.

7. Kompoundrör enligt krav 6, vari rörets ytterdiameter är mellan 15 och 200 mm och har en sammanlagd väggtjocklek på mellan 2 och 20 mm.

8. Kompoundrör enligt krav 6 eller 7, vari nämnda skikt av järn-krom-legeringen utgör 20-50% av den totala väggtjockleken.

9. Användning av kompoundrör enligt krav 6-8 såsom bajonettuber samt överhettar- och reformerrör vid ångreformering.