壓力容器殼體復合材料的研究應用與探討

任金鎖

(山西陽煤化工機械(集團)有限公司，山西 太原 030032)

前 言

隨著各種化工設備向大型化、節能型、復合型、高效型、高質量的迅速發展，煤焦化、煤氣化、合成氨、化肥已成為我國占主要地位的煤化工產業，并得到持續、快速發展。且煤制氣、煤制甲醇、煤制油等煤化工產業建設加快了速度步伐。對于煤化工行業來說，因管道設備等長時間處于高溫、高壓、腐蝕性的環境中，設備腐蝕嚴重，造成管道、設備使用壽命大打折扣。所以，提高設備的抗腐蝕能力，延長設備的使用壽命，降低企業生產成本，是提高企業競爭力及經濟效益的重要手段。為適應以上工藝苛刻條件及清潔、高效、節能降耗的需求，化工設備在材料的選擇上多選用碳鋼基材+復合不銹鋼層或基材+堆焊不銹鋼層復合材料，其中，堆焊分為帶極埋弧堆焊和電渣堆焊技術。作為一種復合板材料和堆焊不銹鋼層材料，為煤化工設備的制造、升級改造提供了可靠的材料保障。例如，煤化工行業的氣化爐、加氫反應器、焦化行業的蒸氨塔等設備采用復合板或堆焊耐高溫，抗氧及硫化氫等腐蝕的不銹鋼襯里層，即有效的降低了材料的成本，又滿足了工藝條件的要求。

本文通過對壓力容器設備氣化爐主體材料選用3種方法的特點及性價比進行比較及歸納，有助于工程技術人員的了解和掌握，在實際工作中得到充分的借鑒作用。

1 國內設備氣化爐殼體材料的選擇

目前，國內氣化爐承壓殼體材料采用碳鋼基材+復合不銹鋼板結構，碳鋼基材+堆焊不銹鋼材料兩種結構形式。

其中，德士古、干粉煤氣化爐殼體材料主要采用SA387 Gr11 CL12+不銹鋼復合層襯里結構；水煤漿水冷壁氣化爐(晉華爐)、四噴嘴殼體材料采用Cr-Mo鋼材料+不銹鋼埋弧堆焊材料或Cr-Mo鋼基材+不銹鋼電渣堆焊材料；四噴嘴氣化爐為首次采用Cr-Mo鋼材料+不銹鋼堆焊材料。

2 復合不銹鋼板復合層、埋弧堆焊和電渣堆焊性能的特點

2.1 復合板材料的工藝特點

使用不銹鋼復合板替代原來的純不銹鋼板，能夠降低設備成本，而設備的使用卻不受影響。不銹鋼復合板可用于氣化爐、脫硫塔、脫苯塔、蒸氨塔等，成本低、耐腐蝕；以脫苯塔為例，采用不銹鋼復合板代替純不銹鋼板，成本可下降30%以上。

不銹鋼復合板保留了純不銹鋼的耐腐蝕、耐磨、抗磁的性能以及外表美觀的特點，又兼有具有碳鋼良好的可焊性、成形性、拉伸性、導熱性的特點。可廣泛的使用于焦化設備中，以提高焦化設備的耐腐蝕性，以延長設備的使用壽命。

采用不銹鋼復合板，既能抗腐蝕，又有高的強度承受壓力。節約資源，減少貴重金屬的用量，大幅度降低工程造價，實現低成本和高性能的完美結合需挖補焊接處理。

復合鋼板的要求：對不銹鋼復合鋼板的關鍵性能指標-復合界面的結合剪切強度規定不小于200 MPa(B3級)或210 MPa(B1或B2)，不銹鋼復合鋼板的使用范圍應同時復合基材和覆材使用范圍的規定[2]。

爆炸復合板主要缺點：

1) 板幅受爆炸范圍及國內不銹鋼板幅(國內不銹鋼板幅一般在1 800 mm寬度以下)的影響，在復合1 800 mm寬度以上的復合板時需要在不銹鋼層進行拼接，不銹鋼復層長度方向有焊縫，增加使用隱患。同時長度方向一般不能超過10 000 mm，尤其是薄規格復合時板長不能超過6 m，太長則影響復合，并不能保證鋼板的平整度和板形。

2) 交貨周期不確定性大，周期較長。且受自然等因素的影響。如在大風、雨、雪及霧霾等天氣下不能施工。

3) 因鋼板薄規格對爆炸力的耐受性有限，復合薄規格的復合板時成本較高且板形不好。

4) 復合強度不均勻，隨著爆點向外爆速的衰減而逐漸降低，且爆點處受爆速影響產生不復合。

2.2 埋弧堆焊的工藝特點

埋弧堆焊其熔敷效率高，質量可靠，生產效率高，稀釋率低，良好的焊縫成行等優點，選擇正確的焊接材料和焊接工藝規范保證其耐腐蝕和抗抗裂性。

生產效率高。埋弧焊的生產率可比焊條電弧焊提高5倍～10倍。由于埋弧焊是焊絲上無藥皮，焊絲可很長，并能連續送進而無需更換焊條，故可采用大電流焊接(比焊條電弧焊大6倍～8倍)，由于埋弧焊通過焊劑層的保護，有效的防止了電弧光對操作工的眼睛及身體健康的傷害，電弧能量得到很好的利用，保護了焊接接頭的成型，焊縫質量得到有效的控制，焊接質量高，而且外觀成型好。

埋弧焊的缺點：是適應能力差，只能在水平位置焊接長直縫或大直徑的環焊縫。

2.3 電渣堆焊工藝特點

堆焊主要是以獲得特定性能的表層、滿足工藝介質對耐蝕環境性能為目的，所以堆焊工藝應注意以下特點：根據技術要求合理地選擇堆焊合金類型；以降低稀釋率為目的，選擇堆焊方法；為了獲得預期的堆焊成分和效果，就必須減小母材向焊縫金屬的熔入量，即稀釋率；由于通常堆焊層與基體的化學成分差別很大，為防止堆焊層與基體間在堆焊、焊后熱處理過程中堆焊材料化學成分元素的燒損及稀釋減少，在選用堆焊材料時，應考慮相應元素化學成分的含量控制，從而滿足對耐蝕層性能的要求，同時控制堆焊層的厚度，避免堆焊層與基體的熱膨脹系數和相變溫度過大，造成堆焊層開裂及剝離。

電渣堆焊影響因素：

在電渣堆焊過程中，渣池的穩定性對堆焊質量影響極大，而電壓的波動又是影響渣池穩定性的最關鍵因素，所以在堆焊過程中，希望電壓波動最小，因此要求選用恒壓特性的直流電源。此外，電源應具有低電壓，大電流輸出、控制精度高、較強的補償網路電壓波動的能力和可靠的保護性能。

3 埋弧堆焊和電渣堆焊的性價比

如表1所示是不同堆焊材料的成本費用(不含人工費、電費、折舊費)。

在實際使用過程中，采用60焊帶比75焊帶總成本高(含面層與過渡層各3 mm)20元/m2，且效率低23%。

表1 不同材料堆焊層性價比

4 電渣堆焊與埋弧堆焊應用對比

通過模擬單層電渣堆焊試驗[1]，單層堆焊金屬化學成分及耐磨性、耐蝕性、耐熱性等性能方面能夠滿足項目工藝技術要求，提高了生產率，節能降耗，同時帶極電渣堆焊與帶極埋弧堆焊比有以下優點：1) 熔敷效率高，在中等電流下，比埋弧焊高50%；2) 堆焊層成形良好，不易有夾渣等缺陷，表面質量優良，表面不平度小于0.5 mm(埋弧堆焊時大于1 mm)故表面無需機械加工，省料省時；3) 帶極中合金元素燒損和不利元素增量極少，堆焊層的塑性和韌性高于埋弧難焊；4) 由于接頭熔合區的碳擴散層窄，馬氏體帶寬度小，故接頭熔合區性能優于帶極埋弧堆焊；正由于帶極電渣堆焊具有上述優點，國內外在氣化爐、加氫反應器、煤氣工程熱壁交換爐、核電站設備中壓力容器的內表面大面積堆焊中均得到了廣泛應用，設備能夠滿足安全、穩定、長周期、滿負荷運行，為企業創造了良好的經濟效益和社會效益。

5 不銹鋼復合板的應用范圍

對于低壓、中壓壓力容器，板厚在50 mm以下，容器殼體優先選用不銹鋼復合板，可以避免選用堆焊造成殼體圓度的變形影響，制造工期縮短，效率高、表面質量高；對于50 mm以上厚板選用堆焊較合適，并且堆焊層與基材熔合比不銹鋼結合強度高，避免不銹鋼復合板復層與基材界面的貼合分離缺陷。

6 結語

綜上所述，通過對壓力容器及設備氣化爐殼體主材在選擇不銹鋼復合板層、堆焊層材料的優缺點及性能的比較，便于設計人員在材料選擇時，根據不同的壓力、溫度、介質等環境下，合理的選擇復合板或堆焊技術，實現節能降耗，提質增效的目的。