山特維克雙相不銹鋼為煉油廠換熱器提供高性價比方案

山特維克材料科技管材全球技術市場專家Eduardo Perea

他山之石

山特維克雙相不銹鋼為煉油廠換熱器提供高性價比方案

山特維克材料科技管材全球技術市場專家Eduardo Perea

在煉油廠和化工廠，對固定設備的材料投資需求往往很高。由于裝置要在不斷提高溫度的條件下具有耐腐蝕性能，對其所有材料的選擇需要進行特別的考慮。這不僅指材料是否適用，更重要的是耐腐蝕性能是以確保高效可靠的運行。

精挑細選的材料可以使得設備的使用壽命更長、維修費用更低、并防止煉油產品由于腐蝕受到污染，并盡可能減少設備結垢引起的熱損耗。

目前，隨著原油含酸量的提高及煉油廠需要加工的終端產品增多，為了防止裝置失效，對防腐蝕材料的需求也變得更為迫切。在整個煉油過程中，非烴類化合物和助劑會逐漸堆積，從而引起一系列腐蝕問題。這些沉積物在換熱器管道內外的堆積會隨著附著力強的烴類物質、工藝料漿甚至原油塔頂冷凝器中的氯化銨沉積物，從加工過程中擴散出去。同樣地，冷卻水源中也可能含有沙子或沉淀物，也會由于水平安裝的換熱器的低流速而堆積下來。所有這些都會對煉油廠的效率產生不利影響。

使用防腐蝕材料不僅可以防止計劃外的停工，同時還降低了代價高昂的生產損失、緊急維護修理等風險。在選擇材料時，還需要考慮在材料臨界點蝕溫度（CPT）下，這些沉積物下發生的間隙腐蝕。

通常，碳鋼極其容易腐蝕，并且廣泛用于換熱器管道的奧氏體不銹鋼，也很容易產生應力腐蝕開裂（SCC），尤其在含氯環境下，更是如此。研究顯示，這些材料在煉油廠不斷提高的工作溫度下極易受到腐蝕。與此同時，業內開始認識到雙相不銹鋼將防腐蝕性、機械性能以及出色的加工性能完美地結合在一起，帶來諸多的好處，如實質性降低成本等。如果再將制造過程中與其它材料的配合性能予以綜合考慮，就會得到理想的材料。不只是對于新設備制造商，即便是對現有的換熱器管道進行重新改造、更換碳鋼甚至奧氏體不銹鋼時，也同樣適用。

比如Sandvik SAF 2304TM等精益雙相不銹鋼，具有強度高、熱膨脹系數低、焊接性優良、物理性能優越、設計方便、加工容易、韌度高等優勢，其屈服強度為ASTM 316L的2倍。

正是由于材料的技術優勢和設計便利性，以及相對于傳統不銹鋼和碳鋼的成本優勢，使得雙相不銹鋼倍受歡迎。

化學組成

由于含鎳量少，Sandvik SAF 2304TM呈雙相組織結構，鐵素體含量約為50%。高達23%的鉻含量，彌補了鉬的缺失，使材料具有極好的耐腐蝕性能(見表1)。材料所含的氮元素進一步提高了材料的強度，改善了焊接性和耐點蝕性能。

表1 不銹鋼的化學成分和顯微結構 %

機械性能

Sandvik SAF 2304TM、奧氏體不銹鋼和碳鋼材料不同機械性能的直接比較見表2。其中清晰地呈現了Sandvik SAF 2304TM材料除了具備出色的屈服強度，還有較高的拉伸強度和硬度。

焊接和非焊接材料在不同溫度條件下的沖擊強度見圖1。整個溫度范圍內所具有的韌度使得這種材料比碳鋼更適用，因為后者通常會在0～-80℃時由韌性轉變為脆性。

熱膨脹低

雙相不銹鋼熱膨脹系數低的特點為設計帶來了極大便利。從圖2可以看出，這種材料的熱膨脹性遠低于奧氏體不銹鋼，與碳鋼相近。如用于管殼式換熱器，不管是新造還是更換現有的碳鋼管，雙相不銹鋼的低熱膨脹特性都使之成為與其他合金一起使用的理想材料。

表2 20℃條件下Sandvik SAF 2304TM和普通不銹鋼的機械性能

圖1 Sandvik SAF 2304TM和碳鋼的夏比沖擊強度（樣品尺寸：10 mm×10 mm）

圖2 熱膨脹系數（平均值）

耐腐蝕性

即便是在酸性溶液中，Sandvik SAF 2304TM的耐腐蝕性也強于ASTM 304L，主要原因在于含鉻量較高。實際上，這種材料在大多數酸性環境中的表現甚至比ASTM 316L更勝一籌。這可以從圖3中的等腐蝕速率曲線看出，它表示的是甲酸環境下0.1 mm/a的腐蝕速率。

圖3 等腐蝕速率圖呈現了材料在甲酸中的表現

含鉻量高也使材料能夠更好地耐受均勻腐蝕、點蝕和間隙腐蝕，從圖3可以看出，它比奧氏體牌號的更好。雙相不銹鋼在水性溶液中，具有出色的耐應力腐蝕開裂(SCC)性能。Sandvik SAF 2304TM適用于140℃左右的溫度，不會產生耐應力腐蝕開裂。

與此相對，ASTM 304L和ASTM 316L只能用于60℃以下，中性氯化物溶液臨界點蝕溫度（CPT）見圖4。

測試時間1 000 h，一定測試溫度下載荷≥屈服強度，含氧（-8×10-6）中性氯化物溶液中的防應力腐蝕開裂（SCC）性能見圖5。

圖4 中性氯化物溶液CPT值（恒電勢測定為300 mV）

圖5 在含氧（-8×10-6）的中性氯化物溶液中的防應力腐蝕開裂（SCC）性能

成本優勢

成本是許多項目考慮的首要因素。然而，就裝置的效率而言，材料是否能夠滿足所有應用需求，則是考慮的重點。

材料強度是非常重要的因素。例如，在選擇Sandvik SAF 2304TM這樣的雙相不銹鋼牌號時，盡管單位重量的價格比較高，但依然不失為一種最經濟的選擇方案，因為承受一定內壓或拉伸負荷的管壁與材料的強度直接相關。由于可以降低管壁厚度，這種雙相不銹鋼管可以降低約35%的成本，而其它類型的鋼管為了達到同樣的強度，則需要增加管壁厚度（見表3）。另外，較薄的雙相不銹鋼管，還節省了運輸、安裝、焊接等費用。

對于許多應用而言，上述材料都是一種經濟的解決方案，因為它抗腐蝕性強，尤其是耐應力腐蝕開裂。

考慮了所有相關數據，包括維護、投資成本、使用壽命、通脹等因素，用計算機對壽命周期成本進行計算，結果清晰地表明成本節約是可以實現的。

表3 在一定內壓或拉伸負荷條件下，Sandvik SAF 2304TM、ASTM 304L/316L鋼管的成本比較

總結

煉油廠除了烴類外，還有氯、氨化合物、硫化氫、二氧化碳、各種酸和水。當這些物質混雜在一起時，會因腐蝕而導致銅基合金、鋼材和不同類型奧氏體不銹鋼等材料的過早失效。大量實驗測試、化工廠和煉油廠成功的裝置安裝等記錄表明，在該環境下，雙相不銹鋼具有出色的耐腐蝕性能。因此，易制造、節約成本、耐久的雙相不銹鋼不僅能為新設備，還能為現有換熱器的管道改造帶來巨大優勢。

（本欄目編輯：涂閩）