抗环烷酸腐蚀阀门堆焊SF_5T的应用.pdf

文章编号 100225855 2008 0420023204 作者简介高清宝1930 - ,男,沈阳人,教授级高工,从事阀门密封面堆焊材料的工艺研究。 抗环烷酸腐蚀阀门堆焊SF- 5T的应用 高清宝,苏志东,于德纯 沈阳阀门研究所,辽宁 沈阳110142 摘要 叙述了原油介质中含环烷酸和含硫化氢对阀门密封面的腐蚀特点,介绍了SF - 5T焊 条的各种性能和耐环烷酸腐蚀的应用实例。 关键词 环烷酸腐蚀;阀门;密封面;堆焊 中图分类号 TG42211 文献标识码 A Application of SF25T overlaying on corrosive2resistant to naphthenic acid valve GAO Qing2bao , SU Zhi2dong , YU De2chun Shenyang Valve Research Institute , Shenyang 110142 , China Abstract Talks about corrosive characteristics on valve sealing surface caused by naphthenic acid and sulfureted hydrogen contained in crude oil , introduces various kinds of properties of SF25T electrodes and the practical examples for corrosive2resistance to naphthenic acid. Key words naphthenic acid corrosion ; valve ; sealing surface ; overlay 1 概述 我国的辽河油田、山东胜利油田、 些新开发 的油田以及从中东进口的原油都含有大量的环烷酸 和较高的含硫量,而且一些原油含环烷酸的酸值和 含硫量有逐年增加趋势。原油中含环烷酸和硫较高 时,对炼油设备的腐蚀非常严重。在高温条件下油 品中的环烷酸对阀门密封面冲刷腐蚀造成设备泄漏 的事故时有发生,给装置安全生产带来很大威胁。 通过对几种阀门密封面常用堆焊材料的性能对比试 验,选择SF - 5T堆焊阀门密封面用于含环烷酸介 质的工况应用,取得了满意的效果。本文仅阐述抗 腐蚀阀门密封面堆焊SF - 5T的应用实践。 2 环烷酸腐蚀的机理 211 较高温度的环烷酸腐蚀 环烷酸包括CnH2n - 1COOH、CnH2n - 3COOH 和CnH2n 1COOH , 3种羧酸往往存在于原油中。 其混合比例依原油产地而异。环烷酸在原油中的含 量用酸值高低表示。近年来原油中含环烷酸值高达 5 mg KOH/ g ,含硫量高达0134 。环烷酸低温 时腐蚀性不强。在180～400℃环烷酸的腐蚀性, 随温度的升高而增强。在较高温度下,环烷酸不仅 与铁直接作用产生腐蚀,还能与腐蚀产物如硫化亚 铁反应,生成可溶于油的环烷酸铁。腐蚀反应式为 2RCOOH Fe→Fe RCOO2 H2↑ 2RCOOH FeS→Fe RCOO2 H2S 当环烷酸与腐蚀产物反应时,不但破坏了具有 一定保护作用硫化亚铁膜,同时游离出来的硫化氢 又可进 步腐蚀金属。式中R代表环烷基, Fe RCOO2可溶于油。在高温下硫化物分解并释放 出H2S , H2S与铁反应,生成 H2S Fe→FeS H2↑ 因此,在阀门密封面上,保护膜被破坏处,就 会暴露出新的金属表面,而使腐蚀继续进行。 212 环烷酸腐蚀特性 在原油加工过程中发现,原油的酸值越高,阀 门密封面腐蚀越快。其腐蚀特性表现为均匀层状腐 蚀。装置的压力,介质的流速对环烷酸腐蚀影响很 大,高流速介质使阀门密封面腐蚀加剧。原油中所 含的水为碱性水,在含碱原油中形成的环烷酸钠, 将加速阀门密封面环烷酸腐蚀。 213 低温部位HCl - H2S - H2O系统的腐蚀 低温部位的腐蚀是指塔顶上部和塔顶冷凝、冷 322008年第4期 阀 门 却系统的腐蚀。低温腐蚀与原油中所含的氯盐和硫 化物有关。氯盐在有水存在时在一定温度下水解成 氯化氢。原油在加工过程中硫化物分解生成H2S , 在低温部位HCl、H2S和凝结水形成HCl - H2S - H2O体系。HCl以盐酸的形态存在,腐蚀性很强, 它可以与铁直接反应,也可以与硫化铁腐蚀产物反 应,后者是H2S与铁反应的产物。一般情况下, 硫化亚铁可以成为保护膜覆盖铁不再暴露在腐蚀介 质中,但由于盐酸的作用,保护膜被破坏,因而在 HCl - H2S - H2O体系中铁不断的被腐蚀。常压塔 顶和减压空冷阀门密封面就属于这种典型的低温系 统腐蚀。 低温部位抗HCl - H2S - H2O体系中阀门密封 面防腐措施可以选用合适的阀门密封面堆焊材料解 决,也可以采用其他工艺措施加以缓解。 214 选择抗环烷酸腐蚀阀门堆焊材料的技术要求 阀门堆焊材料的选择应有良好的抗环烷酸的高 温腐蚀和抗HCl - H2S - H2O低温腐蚀性能。密封 面堆焊材料应具有良好的抗冲蚀性,抗擦伤性、热 态组织稳定性、抗热疲劳性能,密封面材料应具有 定的常温和高温硬度和硬度稳定性、抗磨损等性 能。此外还应具有良好的堆焊工艺性,和一定的性 价比。 3 材料性能试验及金相分析 311 挂片腐蚀试验 选用316L、HS111 钴基合金、SF - 5T三 种合金材料做为抗环烷酸腐蚀对比试验。三种合金 材料制成相同尺寸挂片放在管路中进行腐蚀对比试 验。目的是寻找抗环烷酸腐蚀性能优良的阀门密封 面堆焊材料。 试验条件 在管路工况条件下进行挂片腐蚀对比试验,是 将SF - 5T和HS111 钴基合金挂片放在管路中 最苛刻的位置, 316L片处于管路中一般的位置。 挂片位置处在常减压减二线管路。介质的压力PN ≤4MPa、T 280～400℃、介质为含环烷酸原油 酸值mg kon/ g 5。 第一次三个月挂片的腐蚀对比结果如表1。 表1 三种材料三个月挂片腐蚀结果 编号挂片材料挂片时间腐蚀结果 1HS111钴基合金腐蚀严重,无法统计 2SF - 5T3个月无腐蚀 3316L轻微腐蚀 笫二次两年时间挂片腐蚀对比结果如表2。 表2 两种材料两年挂片腐蚀结果 编 号 挂片 材料 挂片时间 年 合金系统 腐蚀率 mm/ a 1316L200Cr17Ni14Mo2013 2SF - 5T2Cr - Mn - Mo - V - W - B410 - 3 312 在强酸、强碱介质中的腐蚀试验 试验表明,常温状态下3种材料在HNO3溶液 中都没有腐蚀。在H2SO4溶液中D547Mo没腐蚀, SF - 5T次之、HS111最差。在HCl溶液中HS111 最好, SF - 5T次之, D547Mo最差。在NaOH溶 液中都没有腐蚀。沸腾状态下, SF - 5T在H2SO4、 HCl溶液中耐腐蚀性最好, D547Mo次之, HS111 最差。在NaOH溶液中HS111的 耐 腐 性 优 于 D547Mo和SF - 5T新材料表 3 。 表3 常温及怫腾温度状态下的腐蚀结果对比 温度℃时间h介质及浓度10 腐蚀量 g/ h m2 SF - 5TD547MoHS111 常温500H2SO4017702152 HNO3000 HCl1218181825111 NaOH000 沸腾12H2SO42411839519150918 HNO3121109311 HCl3691457116126411 NaOH8160160 分析常温及沸腾状态下的腐蚀结果, SF - 5T新材料综合耐腐蚀性能较好,优于D547Mo和 42 阀 门 2008年第4期 HS111钴基合金,可以满足抗环烷酸腐蚀阀门密 封面的使用要求。 313 抗气蚀性试验 抗冲蚀性对比试验是在转盘冲蚀试验装置上进 行的。试验时圆盘转速3 000r/ min。室内压力 011MPa、室温25℃、试验时间23h。试验按各试 件失重衡量,试验结果见表4。 表4 堆焊金属的抗冲蚀性对比 试件材料原重g试后重g23h失重mg失重率mg/ h抗冲蚀系数 A1022918837529163521248154101801 SF - 5T2818487128182930191401841218 抗冲蚀系数越大,材料的抗冲蚀性越好。 般 选择0Cr18Ni9 A102焊条不锈钢抗冲蚀系数为 1。从表5中可以看出SF - 5T合金的抗冲蚀系数 是A102不锈钢的1218倍。 314 抗擦伤性能试验 抗擦伤试验是模拟闸阀密封面的使用状态,非 定量地检查堆焊金属的磨损性能试验。闸阀密封面 在启闭时受到很大的挤压力,随着温度的升高,金 属硬度和强度逐渐降低,金属间抗擦伤性也相应降 低。在高温状态下抗高温擦伤性能尤为重要。常温 擦伤试验用开始出现第一次擦伤的往复次数衡量 表 5 。高温擦伤试验是固定擦伤次数,用擦深比 擦伤深度μm/试块移动距离 m 表示表 6 。 表5 常温擦伤试验结果对比 材料牌号比压MPa温度℃擦伤次数 D547Mo60室温7 7 3 SF - 5T60室温47 18 42 从表5可知常温状态下SF - 5T的抗擦伤性能 比D547Mo好。这是因为SF - 5T中含有较多Mn , 具有一定的冷作硬化特性,大量的含硼量也增加了 抗擦伤性能。由此可见,合金系统的合金成分、组 织、硬度,直接影响金属的抗擦伤性能。 表6 高温擦伤试验结果对比 材科牌号比压MPa温度℃擦深比μm/ m D547Mo40470350 400216617 4502250 SF - 5T404501550 4002250 4704500 材料在高温状态下擦伤,所得的擦深比越小, 抗高温擦伤性越好。从表6可知, D547Mo在 400℃ 和470℃ 的擦深比要比SF - 5T小一些,而在 450℃ 情况下,又不如SF - 5T新材料好。从试验 结果得知, SF - 5T与D547Mo的抗高温擦伤性能 相仿。从试验结果得知, SF - 5T新材料的抗高温 擦伤性能能够满足 些高温阀门运行的需要。 315 堆焊金属的化学成分、硬度及金相分析 3种堆焊金属成分和硬度如表7 , SF - 5T堆 焊金属是铁基Cr - Mn - B合金系统加Mo、W、V 等强化元素组成。SF - 5T是作为代替D547Mo和 HS111钴基合金而研制的阀门堆焊材料。 表7 SF- 5T、D547Mo和HS111堆焊金属的化学成分和硬度 材料名称 化学元素的质量分数 CSiMnCrMoWVBNiNbCo 硬度HRC SF- 5T≤0138≤2107～101410～1810 215～415115～218115～310≤110---32～40 D547Mo≤0118318～615016～510 1410～2110 315～710018～112--615～1210 015～112-≥37 HS111019～114014～210≤11026～32-315～610----余量40～45 SF - 5T的金相组织是以奥氏体γ为基体, 含有少量的铁素体α。第二相是以骨络状的网状 共晶硼化物 Fe 2B、Cr2B ,并有一定量的条状 M23 C 1 B 6型硼碳化合物和圆豆状的复合化合物。 堆焊金属的硬度32～40HRC 〔1〕。 4 SF- 5T堆焊工艺 SF- 5T合金焊条堆焊时电弧稳定,成型良 好,脱渣容易。堆焊中小件不需预热,堆焊工艺性 522008年第4期 阀 门 良好 〔2〕。在碳纲 WCB、奥氏体不锈钢CF8、 CF8M、合金钢 C5 或 C12 、高温钢CF3、 CF3M闸阀阀件上, 按一定的堆焊工艺,可以堆 焊DN50～500口径的闸阀产品。密封面加工后经 着色渗透检查,没有裂纹、气孔缺陷。SF - 5T堆 焊合金抗裂性良好。密封副都堆焊同一种SF - 5T 材料,不搞硬度差配对。 411 堆焊应注意的问题 a 焊条使用前须经300℃ 烘干,保温2h后方 可使用。以防止堆焊时产生气孔。 b 堆焊前检查待堆焊加工面是否有气孔、夹 渣、裂纹等缺陷,必要时进行着色渗透检查。如有 缺陷应清理干净,补焊加工后再行堆焊。 c 堆焊时焊工要按图纸和工艺要求,保证堆 焊、机加工后达到图纸要求。尽量保证一次堆焊合 格,避免局部冷补焊产生裂纹。 d 闸板件预热温度的选择见表8。 表8 各种结构型状闸板预热温度选择 材质奥氏体不锈钢闸板预热温度选择 结构特点用小轴连结复合型弹性闸板堆焊时铸造整体弹性闸板堆焊时楔式闸板刚性闸板堆焊时 预热温度DN≤250※不预热DN≤150不预热DN≤100不预热 DN≥300 预热200～300℃ h/英寸保温 DN≥200 预热200～300℃ h/英寸保温 DN≥150 预热200～300℃ h/英寸保温 注 1 密封面硬度35～40HRC或PN≥614MPa闸板较厚时;DN≥250闸板堆焊后应立刻放在200℃ 的电炉中保温缓冷,待同口径全部工 件堆焊完,一起升温回火。 2当各种尺寸和结构型状的闸板材质为WCB或C5C12时,可以在闸板上先堆焊一层A102不锈钢过渡层,不用加工,再在上面堆焊两 层SF - 5T焊条即可。可把这些材料视为奥氏体不锈钢件处理,不再另给预热规范数据。 e DN≤400的不锈钢阀座可以不预热堆焊, DN≥450不锈钢阀座堆焊前需预热200℃。 f WCB、C5、C12基体堆焊SF - 5T之前可 先在工件上堆焊一层不锈钢过渡层,不必加工,在 上面直接再堆焊两层SF - 5T焊条,然后再加工密 封面尺寸,要保证SF - 5T堆焊层加工为215mm 高度。毛坯粗加工时要考虑其总体尺寸。 412 堆焊操作要点 a SF - 5T焊条采用直流反极性接法,焊条接 正极,工件接负极。 b 闸板和阀座堆焊2～3层。密封面加工高度 最少215mm。 c 同 直径SF - 5T焊条堆焊时如采用大电 流堆焊,因熔渣较薄,可不清渣继续堆焊第二层。 如用小电流堆焊,因熔渣较厚,应清除第一层熔渣 之后再焊第二层,要控制堆焊金属的宽度和高度, 防止堆焊层不够加工。 413 堆焊层补焊 a SF - 5T堆焊层局部冷补焊易产生裂纹,因 此不允许局部冷补焊。 b 补焊有两种办法。一种是将有缺陷的堆焊 金属加工去除重新堆焊。另一种是局部清除缺陷后 将工件预热300～400℃,出炉后立即用SF - 5T焊 条局部补焊。 414 堆焊后回火处理 所有用SF - 5T焊条堆焊的阀件包括补焊 件都要进行550℃ 消除应力回火处理。保温时间 按工件厚度每25mm保温1h计算。回火后再进行 密封面机加工。 5 结语 据统计1992～2000年,用SF - 5T焊条共堆 焊各种规格的闸阀807台,产品中约有1/ 3是抗环 烷酸阀门,产品规格为DN50～500 ,堆焊阀件有 WCB、304、316等材质,经锦西、锦州炼油化工 总厂等单位使用,效果良发。SF - 5T焊条堆焊阀 门密封面解决了抗环烷酸腐蚀问题,同时也是一种 良好的抗硫阀门新型堆焊材料天燃气中抗H2S 应力腐蚀裂纹和原油中抗环烷酸和高硫的均匀层状 腐蚀 , 2001年获得发明专利证书证书号 ZL 95 1 120911 3 。 参考文献 〔1〕 高清宝,黄艰生,苏志东,等.高温耐腐蚀阀门密封面堆焊 合金SF - 5T的研究及应用 〔A〕.第五届全国阀门与管道学 术活动论文集 〔C〕.合肥机械工业部合肥通用机械研究 所, 1999. 〔2〕 高清宝,黄艰生,苏志东,等.SF - 5T用于抗环烷酸腐蚀 阀门堆焊的研究 〔J〕.阀门, 1999 , 2 . 收稿日期 20081051 10 62 阀 门 2008年第4期