山特维克双相不锈钢为炼油厂换热器提供高性价比方案

山特维克材料科技管材全球技术市场专家Eduardo Perea

他山之石

山特维克双相不锈钢为炼油厂换热器提供高性价比方案

山特维克材料科技管材全球技术市场专家Eduardo Perea

在炼油厂和化工厂，对固定设备的材料投资需求往往很高。由于装置要在不断提高温度的条件下具有耐腐蚀性能，对其所有材料的选择需要进行特别的考虑。这不仅指材料是否适用，更重要的是耐腐蚀性能是以确保高效可靠的运行。

精挑细选的材料可以使得设备的使用寿命更长、维修费用更低、并防止炼油产品由于腐蚀受到污染，并尽可能减少设备结垢引起的热损耗。

目前，随着原油含酸量的提高及炼油厂需要加工的终端产品增多，为了防止装置失效，对防腐蚀材料的需求也变得更为迫切。在整个炼油过程中，非烃类化合物和助剂会逐渐堆积，从而引起一系列腐蚀问题。这些沉积物在换热器管道内外的堆积会随着附着力强的烃类物质、工艺料浆甚至原油塔顶冷凝器中的氯化铵沉积物，从加工过程中扩散出去。同样地，冷却水源中也可能含有沙子或沉淀物，也会由于水平安装的换热器的低流速而堆积下来。所有这些都会对炼油厂的效率产生不利影响。

使用防腐蚀材料不仅可以防止计划外的停工，同时还降低了代价高昂的生产损失、紧急维护修理等风险。在选择材料时，还需要考虑在材料临界点蚀温度（CPT）下，这些沉积物下发生的间隙腐蚀。

通常，碳钢极其容易腐蚀，并且广泛用于换热器管道的奥氏体不锈钢，也很容易产生应力腐蚀开裂（SCC），尤其在含氯环境下，更是如此。研究显示，这些材料在炼油厂不断提高的工作温度下极易受到腐蚀。与此同时，业内开始认识到双相不锈钢将防腐蚀性、机械性能以及出色的加工性能完美地结合在一起，带来诸多的好处，如实质性降低成本等。如果再将制造过程中与其它材料的配合性能予以综合考虑，就会得到理想的材料。不只是对于新设备制造商，即便是对现有的换热器管道进行重新改造、更换碳钢甚至奥氏体不锈钢时，也同样适用。

比如Sandvik SAF 2304TM等精益双相不锈钢，具有强度高、热膨胀系数低、焊接性优良、物理性能优越、设计方便、加工容易、韧度高等优势，其屈服强度为ASTM 316L的2倍。

正是由于材料的技术优势和设计便利性，以及相对于传统不锈钢和碳钢的成本优势，使得双相不锈钢倍受欢迎。

化学组成

由于含镍量少，Sandvik SAF 2304TM呈双相组织结构，铁素体含量约为50%。高达23%的铬含量，弥补了钼的缺失，使材料具有极好的耐腐蚀性能(见表1)。材料所含的氮元素进一步提高了材料的强度，改善了焊接性和耐点蚀性能。

表1 不锈钢的化学成分和显微结构 %

机械性能

Sandvik SAF 2304TM、奥氏体不锈钢和碳钢材料不同机械性能的直接比较见表2。其中清晰地呈现了Sandvik SAF 2304TM材料除了具备出色的屈服强度，还有较高的拉伸强度和硬度。

焊接和非焊接材料在不同温度条件下的冲击强度见图1。整个温度范围内所具有的韧度使得这种材料比碳钢更适用，因为后者通常会在0～-80℃时由韧性转变为脆性。

热膨胀低

双相不锈钢热膨胀系数低的特点为设计带来了极大便利。从图2可以看出，这种材料的热膨胀性远低于奥氏体不锈钢，与碳钢相近。如用于管壳式换热器，不管是新造还是更换现有的碳钢管，双相不锈钢的低热膨胀特性都使之成为与其他合金一起使用的理想材料。

表2 20℃条件下Sandvik SAF 2304TM和普通不锈钢的机械性能

图1 Sandvik SAF 2304TM和碳钢的夏比冲击强度（样品尺寸：10 mm×10 mm）

图2 热膨胀系数（平均值）

耐腐蚀性

即便是在酸性溶液中，Sandvik SAF 2304TM的耐腐蚀性也强于ASTM 304L，主要原因在于含铬量较高。实际上，这种材料在大多数酸性环境中的表现甚至比ASTM 316L更胜一筹。这可以从图3中的等腐蚀速率曲线看出，它表示的是甲酸环境下0.1 mm/a的腐蚀速率。

图3 等腐蚀速率图呈现了材料在甲酸中的表现

含铬量高也使材料能够更好地耐受均匀腐蚀、点蚀和间隙腐蚀，从图3可以看出，它比奥氏体牌号的更好。双相不锈钢在水性溶液中，具有出色的耐应力腐蚀开裂(SCC)性能。Sandvik SAF 2304TM适用于140℃左右的温度，不会产生耐应力腐蚀开裂。

与此相对，ASTM 304L和ASTM 316L只能用于60℃以下，中性氯化物溶液临界点蚀温度（CPT）见图4。

测试时间1 000 h，一定测试温度下载荷≥屈服强度，含氧（-8×10-6）中性氯化物溶液中的防应力腐蚀开裂（SCC）性能见图5。

图4 中性氯化物溶液CPT值（恒电势测定为300 mV）

图5 在含氧（-8×10-6）的中性氯化物溶液中的防应力腐蚀开裂（SCC）性能

成本优势

成本是许多项目考虑的首要因素。然而，就装置的效率而言，材料是否能够满足所有应用需求，则是考虑的重点。

材料强度是非常重要的因素。例如，在选择Sandvik SAF 2304TM这样的双相不锈钢牌号时，尽管单位重量的价格比较高，但依然不失为一种最经济的选择方案，因为承受一定内压或拉伸负荷的管壁与材料的强度直接相关。由于可以降低管壁厚度，这种双相不锈钢管可以降低约35%的成本，而其它类型的钢管为了达到同样的强度，则需要增加管壁厚度（见表3）。另外，较薄的双相不锈钢管，还节省了运输、安装、焊接等费用。

对于许多应用而言，上述材料都是一种经济的解决方案，因为它抗腐蚀性强，尤其是耐应力腐蚀开裂。

考虑了所有相关数据，包括维护、投资成本、使用寿命、通胀等因素，用计算机对寿命周期成本进行计算，结果清晰地表明成本节约是可以实现的。

表3 在一定内压或拉伸负荷条件下，Sandvik SAF 2304TM、ASTM 304L/316L钢管的成本比较

总结

炼油厂除了烃类外，还有氯、氨化合物、硫化氢、二氧化碳、各种酸和水。当这些物质混杂在一起时，会因腐蚀而导致铜基合金、钢材和不同类型奥氏体不锈钢等材料的过早失效。大量实验测试、化工厂和炼油厂成功的装置安装等记录表明，在该环境下，双相不锈钢具有出色的耐腐蚀性能。因此，易制造、节约成本、耐久的双相不锈钢不仅能为新设备，还能为现有换热器的管道改造带来巨大优势。

（本栏目编辑：涂闽）