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不锈钢与容器钢爆炸复合钢板性能研究与工业应用

2010-03-04 12

 

完成时间:19928

完成单位:中国石化总公司北京设计院、大连爆炸加工研究所、抚顺石化公司石油三厂

项目主持人及参加人员:陈火金、苟家福、殷凤春、赵安德、霍满泰、丁国福、王勇、

                       

稿 人:赵安德

 

1  前言

随着我国石化工业的飞快发展,对复合钢板的需求日益扩大,我国生产的轧制复合钢板远远满足不了需要,不得不大量地从国外进口复合钢板或采用造价高、难度大的不锈钢堆焊来代用,花去了大量的外汇,增加了不必要的投资。大连爆炸加工研究所,近几年来,应用爆炸焊接技术,已批量生产出板面达20m2的爆炸复合钢板,并在石油、化工、轻工、冶金、电力等工业部门获得应用。

为了确保压力容器长期安全、可靠地运行,就必须对爆炸成型复合钢板的各项性能做全面系统地试验研究,同时找出保证质量的最佳生产程序。为此,由中石化总公司北京设计院、大连爆炸加工研究所和抚顺石化公司石油三厂共同承担了中国石油化工总公司重点科技开发项目“不锈钢与容器钢爆炸复合板性能的研究”0crl8Ni9Ti+15CrMo0Cr18Ni9Ti+16MnR1Crl8Ni9Ti+20g1Crl3+15CrMo1Crl3+20g0Crl8Ni9+16MnR9种类型的复合钢板在爆炸焊接、正火、正火+回火及消除应力状态下的界面贴合率、界面剪切强度,界面粘接强度、拉伸、冷弯、冲击、扭转、硬度、金相、界面微观特性、晶间腐蚀等各项性能试验。在试验研究中,以0crl8Ni9Ti+15CrMo复合板为重点并以此种复合板制造了一台预加氢反应器,在抚顺石化公司石油三厂连续重整装置中进行工业考核,为便于观察和研究复合钢板经长期操作后的性能变化状况,还在反应器内部放置了四块挂片。反应器于19908月投入使用,经过近一年时间的运行,开罐进行全面检查,使用情况良好。在较高温度和压力以及临氢条件下长期操作,爆炸焊接的复合钢板会不会出现剥离现象,也是我们担忧的问题之一,为解决这一问题,我们还做了0Crl8Ni9Ti+15CrMo复合钢板,在4812MPa三种氢分压,380°C430°C两种温度,50°Ch100°Ch200°Ch三种冷却速度下的氢剥离试验,结果是令人满意的,无剥离现象出现。

 

2  研制中的主要技术指标

根据中国石油化工总公司重点科技开发项目合同的要求,以石化压力容器常用的基层材料20R16MnR15CrMoR及复层材料0Crl8Ni9Ti0Crl3为基础组合成的各种类型的复合板进行全面的性能试验,对表征复合板特性的贴合率、界面剪切强度等指标,以当前世界的先进水平为基准,结合我们的使用条件,提出了更苛刻的要求。主要技术指标:一般压力容器用复合板要求贴合率大于98.5%;临氢设备用复合板要求100%贴合;界面剪切强度大于196MPa;其他性能(包括力学性能、晶间腐蚀、焊接等)均应符合压力容器用材的相应要求。

 

3  临氢反应器用0Crl8Ni9Ti+15Crio复合钢板

3.1 反应器的基本要求

临氢反映器的设计压力小到0.5MPa,大的可到19MPa,温度有的只有200°C,有的高于500°C,介质中除油气、氢气外,大多数都含有硫化氢之类的腐蚀介质,因而普遍采用抗氢钢做受压壳体,内表面使用抗硫化氢腐蚀的不锈钢层,它可以是堆焊层,也可以是复合层。目前厚度较薄(小于50mm)、直径较大的压力容器,通常采用复合钢板来制造,这类复合钢板在国外主要采用轧制法、爆炸焊接法、爆炸焊接轧制法来生产,而我国均未曾生产过满足加氢反应器要求的复合钢板。由于在我国要采用轧制法来生产这种复合钢板,困难较大,短期内难以实现,因而我们采用了爆炸焊接法来生产。石油三厂40t/年连续重整装置中预加氢反应器的设计压力为2.81MPa,设计温度为385℃,两者均较低,若压力突然降低,不结合处面积会逐渐扩大直至产生鼓泡之类的分层。因此,爆炸复合钢板的基本性能,必须满足此类容器的要求。

3.2 试验用材料

基层15CrMo钢板,国内难以订货,选用国外进口的13CrMo44钢板,供货状态为正火+回火,钢板规格为22mm×2000mm×4000mm,钢板的化学成分、常温及高温力学性能均符合DINl7155中对13crMo44的规定。复层钢板选用从日本进口的SUS32l冷轧板,化学成分及力学性能符合美国的SA240TP321的规定。

3.3 性能试验及试验结果

试样状态分别为爆炸焊接状态、爆炸后正火和爆炸后正火+回火状态,部分试样为爆炸后消除应力退火状态。共进行了界面结合率、界面剪切强度、界面微观特性、抗氢剥离等13项试验。试验结果表明,我们研制的爆炸焊接复合板可用于制造石油化工的压力容器。

3.4 工业考核

用材质为0Cr18Ni9Ti+15crMo,厚度为3+34mm的复合钢板,为石油三厂制造了一台重整装置中的预加氢反应器,于19908月投入使用,操作约一年之后进行了开罐检查,发现有14处可记录缺陷,其中未结合缺陷3处,总面积为19cm。,单个最大面积为9cm。,结合率为99.99%,符合我国国标所规定的一级复合板的质量标准。

对反应器内取出的挂片按“复合钢板超声波探伤法”进行双面超探,对复层按JB7411980进行渗透探伤,结果未发现任何缺陷。

3.5 工业考核结论

(1)0Crl8Ni9Ti+15CrMo爆炸复合钢板爆炸焊接参数的选择是合理的,复合钢板的界面结合率可达到100%,界面剪切强度远高于196MPa

(2)爆炸复合钢板的常温及高温强度、塑性、韧性、耐蚀性、焊接及热加工性能均达到了合同规定的在临氢状态下使用的要求。

(3)通过金相及界面微观特性的观察可以看出,爆炸复合钢板基层与复层的结合部存在着加工硬化现象,经热处理之后硬化可以消除。但经抗氢剥离试验,没有发现有氢剥离现象,说明爆炸复合钢板的抗氢剥离性能是良好的。

(4)分析爆炸复合钢板在爆炸、正火、正火加回火及消除应力退火四种状态下的强度、塑性和韧性试验数据,其综合性能以正火加回火状态为最佳,宜在此热处理状态下使用。

(5)经过近一年的工业考核和挂片试验,爆炸复合板的各项性能均无变化。

根据以上分析,我们认为大连爆炸加工研究所生产的爆炸复合钢板,满足了该项目所提出的各项要求,可以用来制造操作条件不太苛刻的加氢精制反应器和换热器等临氢压力容器。

 

4  研制开发爆炸复合钢板的社会效益和经济效益

0Crl8Ni9Ti13CrMo449种爆炸焊接复合钢板的研制成功,填补了我国一项技术空白,将我国的复合钢板生产技术向前推进了一步,结束了这类复合钢板必须依靠进口的局面,可为国家节省大量外汇。

目前我国加工高酸值原油、高硫原油或加氢裂化提供原料的常减压装置以及催化裂化装置、焦化装置,都需要大量的复合钢板。按每年建造2250t/年常减压,280t/年催化,250t/年催化,1100t/年催化,240t/年加氢精致,220t/年重整等装置进行估算,共需900t不锈钢复合板,进口复合钢板与国产复合钢板每吨平均差价按4500元计算,每年可节省人民币405万元。

采用爆炸焊接复合钢板制造的预加氢反应器,在生产应用中未发生任何事故,一直安全平稳地运行,确保了40t/年连续重整装置的正常运转,由此而为国家间接增收的利税,据石油三厂估算,每年可达2000万元。(摘自《中国典型爆破工程与技术》)