双相不锈钢在含氯介质中的应用探讨分析

  在二氯乙烷(EDC)/氯乙烯单体(VCM)等装置中,多数设备为碳钢制作,但它们接触的大多是含氯介质,且工艺主气流中常常会带有微量氯和HCl以及一定量的水。因此,一旦操作有波动,特别是开停车温度低于气流的露点时,腐蚀就相当严重。这些装置中换热器的使用寿命一般都在2~3年,塔器在4~5年,维修和更换任务繁重,这给连续生产和整个工厂的经济效益带来极不利的影响。上海氯碱公司四氯化碳装置中,吸收液冷却器管程介质为液相的Cl2、C2Cl4、CCl4和HCl工作温度为进口40℃，出口21℃。设计时管箱壳体材料选用16MnDR、管板材料选用16MnDÒ、换热管材料选用10碳钢,腐蚀裕度取3mm。自1990年4月开车投入使用,到1993年4月发现泄漏,泄漏部位发生在管子和管板连接处,管箱壳体内表面也出现不同程度的凹坑腐蚀。循环蒸发器管程介质为气液相的C2Cl4、CCl4,工作温度为192e。设计时管箱壳体材料选用16MnR、管板材料选用16MnÒ、换热管材料选用10碳钢,腐蚀裕度取3mm。自1990年4月开车投入使用,到1994年2月发现泄漏,泄漏部位发生在管程物料进口侧的管子与管板连接处,该侧管箱壳体内表面也出现不同程度的凹坑腐蚀。以上两台设备在以后的备品备件设计中,我们将管箱、管板和换热管材料改用SAF2205双相不锈钢后,吸收液冷却器从1996年1月一直使用至2004年2月才更换，循环蒸发器从1996年8月使用至2004年1月才更换。

 为了减少设备非计划停车,减少不必要的维修和停车损失,综合考虑这些设备的使用寿命、维修费用和对生产的影响,双相不锈钢是目前这些装置中含氯化物介质设备最适宜的选材,综合技术经济指标较好。实践也肯定了它们在强酸性含氯化物介质中的使用效果。

  双相不锈钢具备了铁素体和奥氏体不锈钢的特性。

  1、在低应力情况下有良好的耐氯化物应力腐蚀开裂能力,且耐点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、均匀腐蚀和磨蚀的性能也很好。

  2、屈服强度高,约为奥氏体不锈钢的2倍,高温强度介于铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢之间。

  3、比奥氏体不锈钢导热性好,导热系数大,而线胀系数大致与碳钢相同,使这类钢随温度的变化而引起的应力比较小。

  4、韧性优于铁素体不锈钢,冷热加工成形性能好,且在一定条件下具有超塑性。

  5、焊接性能好,热裂倾向小,一般焊前不需预热,焊后不需热处理。

  6、双相不锈钢中,控制铬含量为18%~25%,镍含量为5%~7%,由于镍含量低,与镍基合金相比价格相对便宜。

  双相不锈钢与通用的304L和316L奥氏体不锈钢相比较,有较低的镍含量和较高的铬含量，这决定了双相不锈钢的显微结构中铁素体占60%~50%和奥氏体占40%~50%,因而兼备了铁素体和奥氏体的双相特性。而作为耐氯离子应力腐蚀的双相不锈钢,铁素体和奥氏体两相比例以及合金元素在两相中的平衡,都直接影响到双相不锈钢的耐氯化物应力腐蚀开裂性能,同时也显著地提高了双相不锈钢的力学性能。

 根据耐氯化物应力腐蚀开裂的滑移溶剂断裂机理,双相不锈钢显微组织的作用必须是:¹使塑性变形时位错呈网状分布,能抑制产生具有方向性的粗大位移台阶;º使钝化电位向正方向移动,从而使滑移台阶的再钝化困难(易于活性溶解),难于产生局部集中腐蚀,亦即由局部腐蚀造成的裂纹扩展亦困难;»使合金再钝化能力提高,一旦产生滑移则再钝化迅速,因而裂纹不易成核。根据上述原则,具体到双相不锈钢中每种合金元素的作用如下。

 1、铬

 铬能促使钢的再钝化,抑制阳极溶解,铬含量大于25%可显著提高钢的耐点腐蚀性能,但铬含量过高会增大钢的脆性倾向。为此双相不锈钢选择铬含量为18%~25%,且加入钼,利用铬、钼复合作用,使钢的耐点腐蚀性能优于316L奥氏体不锈钢,同时对两相起平衡作用。

 2、镍

  镍能提高钢的钝化电位,随镍含量增加使位错呈网状分布,具有从机械、化学两方面抑制应力腐蚀开裂能力。镍又为奥氏体的成形元素,控制其含量使基体获得合适的两相比例,这种组织不仅可提高钢的耐氯化物应力腐蚀开裂性能,也可提高屈服强度,并保证良好的塑性,使钢具有耐氯化物应力腐蚀开裂性能及良好的力学、工艺等综合性能。为保证奥氏体组织占40%~50%,根据镍、铬当量的计算,双相不锈钢中的镍含量控制在4.5%~5.5%为佳。

 3、钼、铜

  钼、铜是钢中起阴极保护作用的合金元素,可强化表面钝化膜,但对耐氯化物应力腐蚀开裂性能不利。双相钢中通过钼与铬复合来提高钢的耐点腐蚀及均匀腐蚀性能。要得到合适的铁素体和奥氏体两相比例,铬、镍以及钢中各合金成分必须平衡,其中钼含量的调整十分关键,钼含量高时,镍含量要近于上限,而铬含量要近于下限。

 4、硅

 硅是双相不锈钢中的关键元素,加入硅有助于钢中化学成分的平衡,不但能提高钢的耐氯化物应力腐蚀开裂性能,增大表面钝化能力,提高耐蚀性,而且能减少475℃脆性,以及减缓由于钢中因钼带来的脆性相。双相不锈钢中的硅含量宜控制在5%~2.0%。

 5、氮

 氮能提高钢的耐点蚀性能,对双相不锈钢耐氯化物应力腐蚀开裂性能有利。氮又是强烈的奥氏体成形元素(为镍的30倍),钢中含少量氮有助于两相比例的平衡,其量控制在0.05%~0.08%。双相不锈钢中,除考虑各合金元素对抗局部腐蚀及耐氯化物应力腐蚀开裂性能的作用外,同时兼顾钢的综合力学和工艺性能,为此铬含量控制为18%~25%,镍含量控制为4%~7%。