新型尿素用雙相不銹鋼DP28W的性能及應用

張鳳魁

（兗礦魯南化肥廠，山東 滕州 277527）

1 概 述

尿素生產過程中的工藝介質——尿素－氨基甲酸銨溶液具有極強的腐蝕性，因此尿素用材具有一定的特殊性。尿素生產工藝的發展也是隨著尿素用材的開發同步進行的。長期以來，對尿素裝置耐腐蝕材料的研究開發一直是一個重大的課題。尿素工藝開發商和專業材料供應商相繼配套開發了多種尿素級不銹鋼材料，如Stamicarbon公司和Sandcvik公司聯合開發了3R60尿素級不銹鋼（316Lmod）和2RE69（00Cr25Ni22Mo2N）、雙相不銹鋼Safurex等。

東洋工程技術公司與住友金屬工業公司曾共同開發了DP12，且有20a以上的應用業績。為滿足尿素裝置設備大型化和高可靠性的需求，迫切要求材料能進一步提高耐蝕性和強度，上述兩公司共同開發了能取代DP12的高耐蝕雙相不銹鋼DP28W。該產品具有卓越的抗尿素－氨基甲酸銨溶液腐蝕的能力，并且可以在氯化物環境中高度抵抗應力腐蝕開裂。此外，該產品還擁有較高的機械強度，良好的焊接性能，較好的成形性，從而為工廠設計提供了更大的優勢，同時也為安全操作帶來了更大的保障。

2 適用標準

DP28W 對應SEA和ASTM制定的UNS（UNS是 “UNIFIED NUMBERING SYSTEM”的縮寫，是由美國機動車工程師學會和美國材料與試驗協會于1967年共同設計的一種便捷地編號系統，其目的在于代替或至少補充現行各標準的產品牌號系統），材料編號為32906；對應ASMEⅡ標準中 ASME SA240／SA213／SA789／SA790／SA479中S32906牌號。

3 化學成分

表1列出了新型高耐蝕雙相不銹鋼DP28W及其他尿素用材料的主要化學元素成分。卓越的抗腐蝕性能，依靠合理、科學的合金元素成分設計。較之DP12，DP28W增加了Cr含量和Ni含量，并減少了Mo含量，適當增加了W含量，保持了鐵素體－奧氏體兩相的適度平衡。尤其是W的增加，改進了熱循環周期中熱影響區的抗腐蝕性能。σ相的深沉使材料的相位得以穩定。

表1 DP28W及其他尿素用材化學成分表%

4 物理特性

密度7.86g／cm3，熱膨脹系數見表2，熱導率及比熱見表3，彈性模量見表4。

5 機械性能

DP28W具有非凡的機械性能，室溫下的機械性能見表5，拉伸試驗對比結果見表6。

由表5、6可以看出，與雙相不銹鋼DP12及奧氏體不銹鋼25Cr－22Ni－2Mo和316L相比，DP28W具有較高的機械強度，在尿素設備的設計制作中有較明顯的優勢。

圖1顯示了DP28W在高溫下典型的強度特性，且該材料無論是高溫還是低溫下都具有良好的沖擊韌性，圖2顯示了其典型的抗沖擊性能，其脆性轉變溫度預計在－100℃左右。

表2 DP28W的熱膨脹系數

表3 DP28W的熱導率及比熱

表4 DP28W的彈性模量 MPa

表5 DP28W在室溫下的機械性能

表6 DP28W和其他尿素級不銹鋼材料機械性能比較

6 金相組織

DP28W典型金屬微觀組織結構見圖3，良好的雙相（σ相＋β相）組織改進了材料的耐腐蝕性能和機械性能。

7 耐腐蝕性能

晶間腐蝕試驗通常被用于評價某種材料在尿素廠應用中的耐腐蝕性能，圖4顯示了DP28W和DP12（S31260）在晶間腐蝕試驗中的結果。雙相不銹鋼焊縫和熱影響區的加速腐蝕有時會導致一系列問題，這種加速腐蝕源于鐵素體－奧氏體兩相配比的不平衡，或者是金屬碳化物的沉淀。最佳的合金化學元素配比組合，及專業焊接材料的支持，使DP28W解決了材料的耐腐蝕問題。

即使在高溫熱影響區，適當增加奧氏體形成元素仍能夠保持鐵素體－奧氏體的適度平衡。Mo和W的加入，是為了防止σ相在熱循環過程中的沉淀，這使DP28W在休氏試驗中展現出良好的耐腐蝕性能。

圖1 DP28W高溫條件下的機械強度

圖2 DP28W抗沖擊性能曲線

圖3 DP28W典型的材料微觀組織

DP28W焊接材料的化學組成較母材有所改變，焊材樣品考慮到極快的冷卻速度，不至于惡化其腐蝕性能。休氏試驗結果見圖5，DP28W焊材的腐蝕速率大約是DP12的1／2。表明DP28W在沸硝酸中有較高的耐腐蝕性能，其焊縫也同樣有較好的耐腐蝕性能。

圖4 DP28W和DP12在沸硝酸中的腐蝕速率

圖5 DP12和DP28W焊接試樣休氏試驗結果對比

DP28W在尿素－甲銨溶液中的抗腐蝕性能，在試驗工廠和實際生產工廠中得到了驗證。

圖6顯示了該材料在試驗工廠進行浸蝕試驗的結果。在鈍化膜被破壞時，316L尿素級不銹鋼腐蝕量較大，是因為其鈍化膜被破壞后耐腐蝕性受損。即使在這種情形下，DP28W仍然顯示出卓越的耐腐蝕能力，腐蝕速率比DP12低10%～20%，在工廠中使用DP28W的設備有較長的壽命。

圖6 三類材料在尿素－甲銨液中的腐蝕試驗結果

對于DP28W，因為其含Cr量較高，而較普通奧氏體不銹鋼含Ni低，所以有較高的再鈍化特性。DP28W的這種能力來源于在很低溶氧環境下抵抗活化腐蝕的鈍化層，其再鈍化特性減少了活化腐蝕的風險。

8 焊接性能

DP28W具有較好的焊接性能。該材料的化學元素設計可防止σ相在熱循環過程中的沉淀，并且母材和焊縫部位都展現出卓越的抗腐蝕能力。不需要焊前預熱和焊后熱處理。焊接時層間溫度控制在150℃左右。與之匹配的鎢極氬弧焊及（氣體）電熔渣焊焊接材料已被開發出來。

圖7 用ESW焊接的焊縫外觀

電熔渣焊的焊道外觀如圖7。電熔渣焊是尿素高壓設備制造過程中最常用的焊接方法。其焊接熔渣很容易脫落，焊縫和母材的交界處無咬邊現象。帶材和焊劑組合的匹配，使焊縫的化學成分為最佳配比，并使其具有優良的抗腐蝕性能。

9 成形性

DP28W具有良好的成行形。圖8為通過著色檢測的彎曲U形管的表面情況。擴口和壓扁測試符合SATM的標準要求，結果令人滿意。

圖8 DP28WU形管外觀

10 DP28W在工廠長期運行中的優勢

DP28W期望的腐蝕速率低于當前尿素裝置使用的不銹鋼材料。熱影響區和焊縫的腐蝕較傳統的雙相不銹鋼有較大的改善。以下特征為尿素廠的長周期運行提供了保證。

·延長與尿素－甲銨液接觸的設備及管件等部件的使用壽命。

·降低設備維護頻次。

·減少由于活化腐蝕而產生的不可預知的危險。

11 結 語

DP28W已于2002年應用于采用TEC生產工藝的尿素廠。2004年，該材料被推薦（在日本）用于淘汰TEC溶液循環改良C法工藝用尿素合成塔原用材料，適用于原操作條件的合成塔為鈦材制作。即便鈦材，在此高溫下也需要一些鈍化空氣。通過一年的合成塔內部浸漬試驗，DP28W較其他候選材料展現出更好的性能，其腐蝕速率遠遠低于鈦材。2006年，用DP28W焊接制造的合成塔已成功應用于原用鈦材的裝置。如此一來，DP28W作為新一代尿素設備用材，就具有廣闊的市場前景。

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