焊接二聯鋼的方法

2023-12-10 15:51:07 2

專利名稱：焊接二聯鋼的方法
技術領域：
本發明涉及在有保護氣存在焊接二聯鋼的方法。
二聯鋼為具有不同組分的鐵素體-奧氏體兩相結構的不鏽鋼。二聯鋼意指鉻和鉬主要以鐵素體相存在，鎳和氮以奧氏體相存在。
二聯鋼由於其耐腐蝕特性常用於有腐蝕氣氛的環境中。二聯鋼特別在尿素裝置中得到成功的應用，在尿素裝置中，二聯鋼要與腐蝕性的氨基甲酸銨接觸，特是在尿素裝置的高壓區。在這些地方關鍵的部件如高壓容器和人孔、管道、法蘭和閥門周圍的密封件均由二聯鋼製造。
在工廠中二聯鋼的使用要求二聯鋼部件互相相連。二聯鋼的焊接是接合雙金屬零件領域的技術人員所已知的方法。雙金屬零件在有所謂保護氣下焊在一起，該保護氣提供惰性氣氛。本領域技術人員通常採用氬和氦作為保護氣。這些保護氣防止在焊接過程中的氧化。
二聯鋼焊接的缺點是，如果必須保持鋼的特性，則在不使用維護焊縫的焊接助劑時不能將二聯鋼零件焊在一起。該鋼的特性包括機械特性如抗拉強度、延展性和耐腐蝕性。特別是在採用如IBW(內孔焊接)、雷射束焊接或電子束焊接等焊接技術時，在不損害二聯鋼的特性條件下不能使用二聯鋼，因為這些焊接技術不允許使用焊接助劑。這些焊接技術例如對製造無裂隙的管對管板的連接是需要的。本領域技術人員通常採用焊接助劑如塗劑焊電極和固體焊料或充填焊料。
本發明的目的是消除上述缺點，並在無焊接助劑的情況下焊接二聯鋼，同時又不損害二聯鋼的特性。
申請人發現一種在有保護氣下不使用焊接助劑的二聯鋼焊接方法，在保護氣中加有氮氣。更具體而言，該方法是在有保護氣存在下不使用焊接助劑焊接二聯鋼的方法，保護氣中加有氮氣，並採用奧氏體-鐵素體二聯鋼，其鉻含量為28-35重量％，鎳含量為3-10重量％。
優選使用下列組成的奧氏體-鐵素體鋼
C 最大0.05重量％Si最大0.8重量％Mn0.3-4.0重量％Cr28-35重量％Ni3-10重量％Mo1.0-4.0重量％N 0.2-0.6重量％Cu最大1.0重量％W 最大2.0重量％S 最大0.01重量％Ce最大0.2重量％其餘為Fe和通常的雜質和添加劑，鐵素體含量為30-70體積％。
較優選是C含量為最大0.03重量％，特別優選最大為0.02重量％；Si含量最大為0.5重量％；Cr含量為29-33重量％；Ni含量為3-7重量％；Mo含量為1-3重量％，特別是1-2重量％；N含量為0.36-0.55重量％；和Mn含量為0.3-1重量％。
鐵素體含量較優選為30-55體積％。奧氏體相的Cr含量較優選至少為25重量％，特別是至少27重量％。
優選將1-10體積％的氮加到保護氣中，特別是1-5體積％，更優選為1-3體積％。
本發明的優點在於，可採用IBW焊接、雷射束焊接、電子束焊接按二聯鋼，同時保持其特性。
將鐵素體-奧氏體鋼焊接在一起的廣泛使用的實施方案包括通過所謂的搭接焊將鋼部件互相連接。為此使用已知的焊接方法通過將一層鐵素體-奧氏體二聯鋼施加到通常較廉價的碳鋼的基面上以製成接觸表面。使用本發明的焊接方法將另一個二聯鋼物體或用二聯鋼接觸面連接到所述的搭接焊上。但是所焊的物體常會因為在搭接焊的二聯鋼中的細裂紋的產生而剝落。
現已發現，通過一種能使二個或多個二聯鋼零件經搭接焊的方法來消除該缺點。在該方法中，金屬零件的接觸面部分或全部由鉻含量為28-35重量％和鎳含量為3-10重量％的鐵素體-奧氏體鋼製成，接著去除接觸面最上面的0.1-1.0mm，優選0.2-0.8mm，特別是0.3-0.7mm，然後再將金屬零件焊在一起。該上面層可用本領域技術人員已知的方法如研磨、銼、使用磨料等來去除。
本發明的焊接和搭接焊方法在製造管部件如法蘭和閥門的製造中特別有用，因為這類管部件對裂隙腐蝕不太敏感。這類部件由鉻含量為28-35重量％和鎳含量為3-10重量％的二聯鐵素體-奧氏體鋼製成，並用焊接方法或搭接焊方法相互連接，過程中不使用焊接助劑，而是將1-10體積％的氮加到保護氣中。
特別是在尿素裝置的高壓區的法蘭和閥門的特殊的焊縫能以本發明方法有效地製造。
因此，本發明特別涉及焊接方法和搭接焊方法在尿素裝置中的應用。
上述的管部件是洩漏的來源。在採用對裂隙腐蝕敏感的材料時，腐蝕將隨時間在管部件所內含的裂隙中發生，這就導致工藝流體的洩漏。特別是例如在尿素裝置的高壓區會發生。這樣裝置將會因安全及環境法規而停運。如果這類管部件使用本發明方法製造，則其對裂隙腐蝕的敏感性小得多，並且防止了洩漏。
在採用上述二聯鋼時，對腐蝕的低敏感性就可使用更多的泵來代替重力以輸送工藝物流。著就不需要將設備單元布置成一個在另一個的上面，如尿素工廠的高壓氨基甲酸鹽冷凝器和反應器那樣。所有設備單元都可在地面布置，這可實現大量投資節省。
重要的是本發明中使用的二聯鋼要有好的鐵素體-奧氏體分布。如果其分布不是最佳，則該鋼的特性將下降。這可導致管道和設備的裂紋，並且該鋼對腐蝕也更敏感。已發現通過渦流線圈進行測量可容易地測試鐵素體-奧氏體鋼的均勻性。當一片金屬通過這種線圈時，會直接顯示分布不足的地方。代替這種渦流線圈測量的方法是破壞性方法。
尿素可在合適的壓力(如12-40MPa)和合適的溫度(如160-250℃)下將(過量)氨和二氧化碳引入合成區來製備，首先按下列反應形成氨基甲酸銨
然後形成的氨基甲酸銨按下式經脫水形成尿素
由氨和二氧化碳反應成尿素的理論上可達到的轉換率由熱力學平衡狀態決定，並取決於例如NH3/CO2比(N/C比)、H2O/CO2比和溫度，並可藉助於下列文獻描述的模式計算Bull.of the Chem.Soc.ofJapan(日本化學學會會刊)，1972年，45卷pp.1339-1345和J.AppliedChem.of the USSR(蘇聯應用化學雜誌)(1981)，54卷，pp.1898-1901。
在由氨和二氧化碳轉化為尿素中，涉及作為反應產物的尿素合成溶液，它主要由尿素、水、氨基甲酸銨和未結合的氨。除尿素合成溶液外，還可包括合成區的未轉化的氨和二氧化碳和惰性氣體的氣體混合物。將氨和二氧化碳從氣體混合物中去除，並優選返回到合成區。
實際上，可採用各種方法製備尿素。起初是在所謂的通常的高壓尿素裝置製備尿素，它在60年代末採用在所謂的尿素汽提裝置實施的方法成功的。
通常的高壓尿素裝置意指未轉化成尿素的氨基甲酸銨被分解的尿素裝置，通常過量的氨在比合成反應器的壓力低很多的壓力下排放。在通常的高壓尿素裝置中，合成反應器在溫度為180-250℃和壓力為15-40MPa下操作。在通常的高壓尿素工廠中，在1.5-10MPa壓力下膨脹、解離和冷凝後，未轉化成尿素的反應物作為氨基甲酸鹽物流返回尿素合成區。此外，在通常的高壓尿素裝置中，氨和二氧化碳直接送入尿素反應器。在通常高壓尿素工藝的尿素合成中的N/C比為3-5，CO2轉換率為64-68％。
起初，這類通常的尿素裝置曾設計成所謂的「一次操作」工藝。這時未轉化的氨經酸(如硝酸)中和並轉化成氨鹽(如硝酸銨)。不久這些通常的一次通過的尿素工藝被通常的再循環工藝所取代，在再循環工藝中，所有未轉化的氨和二氧化碳作為氨基甲酸鹽物流返回尿素反應器。在回收區，未轉化的氨和二氧化碳從在合成反應器中得到的溶液中去除，在此工藝中尿素包含在水中。接著在蒸發區利用減壓蒸發掉水，而使水溶液中的尿素轉變成尿素。
尿素汽提裝置意指未轉化成尿素的氨基甲酸銨基本上被分解的尿素裝置，通常過量的氨在與合成反應器幾乎相等的壓力下基本上被排放。在加有或未加有汽提劑的汽提器中發生分解/排出。在汽提過程中，二氧化碳和/或氨在加入到反應器之前可作為汽提氣。這種汽提是在裝置在合成反應器下遊的汽提器中完成的，在該汽提器中，來自尿素反應器的含有尿素、氨基甲酸銨和水以及氨的合成溶液在加熱下用汽提氣進行汽提，這裡也可使用熱汽提。熱汽提意指氨基甲酸銨被分解，並且存在的氨和二氧化碳僅採用提供熱來從尿素溶液中去除。汽提也可以二步或多步完成。在已知的方法中，第一步純的熱汽提後是加熱下的CO2汽提。從汽提器來的含氨和二氧化碳的氣流返回反應器，不管是否經由高壓氨基甲酸鹽冷凝器。
在尿素汽提裝置中，合成反應器在160-240℃，優選170-220℃下操作。合成反應器的壓力為12-21MPa，優選12.5-19.5MPa。在汽提裝置的合成中，N/C比為2.5-4，CO2的轉化為58-65％。合成可在一個或兩個反應器中進行。當使用兩個反應器時，第一個反應器例如可採用實際上新的原料操作，而第二個反應器採用例如從尿素回收來的完全或部分再循環的原料操作。
經常採用的以汽提法製備尿素的實施方案是在European ChemicalNews(歐洲化學信息)，尿素副刊，1969年1月17日，17-20頁中指述的Stamicarbon CO2汽提法。在汽提操作中得到的較大部分氣體混合物在高壓氨基甲酸鹽冷凝器中經冷凝和吸收，之後形成的氨基甲酸銨物流返回到合成區用於形成尿素。
高壓氨基甲酸鹽冷凝器例如可設計成NL-A-8400839中描述的所謂潛管冷凝器。該潛管冷凝器可水平或垂直放置。但特別優選是在水平的潛管冷凝器(所謂池式冷凝器；參看例如Nitrogen No.222，1996年7-8月，29-31頁)中進行冷凝。
在汽提操作後，經汽提的尿素合成溶液的壓力降到尿素回收的低水平，並且該溶液經蒸發，之後釋出尿素，低壓的氨基甲酸鹽物流循環到合成區。
在通常的尿素工藝和尿素汽提工藝中，將氧化劑加入裝置中以保護結構材料免受腐蝕。在金屬部件上形成氧化物表面層以防腐蝕。該過程稱為鈍化。鈍化劑可以是例如US-A-2727069中所描述的氧或釋氧化合物。通常氧以空氣形式使用。鈍化劑例如可加到原料之一中。
雖然加入氧/空氣保護了結構材料免受腐蝕，但它有下列缺點—氧/空氣必須從過程中去除，同時沒有氨和二氧化碳離開該過程。這就需要用於這些氣體物流的昂貴又耗能的洗滌系統；—在現代的氨裝置中產生的用於尿素製備的原料(氨和二氧化碳)經常含有痕量的氫。這些氫與提供的鈍化空氣一起在裝置某些區域可導致爆炸性的氫/空氣混合物的形成。為防止或防護這種情況，需要昂貴的措施。
已知採用二聯鋼可大大減少氧/空氣的加入或可免於加入，這些上述缺點較少發生，如果多少有一點，也可達到高的可靠性。WO-95/00674中提到在尿素裝置中二聯鋼的應用，並提到不使用鈍化氣體。
此外，通過用按本發明的焊接方法和搭接焊方法製造的管道和設備件來替換在腐蝕發生的區的管道和設備件，此方法非常適合於改進和優化現有的裝置。通過在二聯鋼搭接焊中會形成毛狀裂縫的區域採用本發明的連接工藝，該方法特別適用於改進現有的尿素裝置。
本發明可應用於現在的尿素工藝中，包括通常的尿素工藝和尿素汽提工藝。可應用本發明的通常的尿素工藝的實例是所謂的「一次操作」工藝、通常的「再循環」工藝和熱再循環工藝。可應用本發明可用的尿素汽提工藝的實例是CO2汽提工藝、NH3汽提工藝、自-汽提工藝、ACES(省能省錢的改進型工藝)工藝、IDR(等壓-雙循環)工藝和HEC工藝。
以下列實施例描述本發明。
權利要求
1.一種在有保護氣存在下焊接二聯鋼的方法，其特徵在於，不採用焊接助劑，並且將氮加入到保護氣中。
2.權利要求1的方法，其特徵在於，使用奧氏體-鐵素體二聯鋼，其鉻含量為28-35重量％，鎳含量為3-10重量％。
3.權利要求1-2的方法，其特徵在於，採用下列組成的奧氏體-鐵素體二聯鋼C 最大0.05重量％Si最大0.8重量％Mn0.3-4.0重量％Cr28-35重量％Ni3-10重量％Mo1.0-4.0重量％N 0.2-0.6重量％Cu最大1.0重量％W 最大2.0重量％S 最大0.01重量％Ce最大0.2重量％其餘為Fe和通常的雜質和添加劑，鐵素體含量為30-70體積％。
4.權利要求1-3的方法，其特徵在於，採用Cr含量為29-33重量％的奧氏體-鐵素體二聯鋼。
5.權利要求1-4的方法，其特徵在於，採用Ni含量為3-7重量％的奧氏體-鐵素體二聯鋼。
6.權利要求1-5的方法，其特徵在於，採用奧氏體相中Cr含量為至少25重量％的奧氏體-鐵素體二聯鋼。
7.權利要求1-6的方法，其特徵在於，在保護氣中加入1-10體積％的氮。
8.一種通過搭接焊連接二種或多種金屬部件的方法，其特徵在於，金屬部件金屬的接觸面部分或全部由其鉻含量為28-35重量％和鎳含量為3-10重量％的鐵素體-奧氏體鋼製造，製造後將其最上面去除0.1-1.0mm，然後將金屬部件相互焊接。
9.一種製造管道部件的方法，其特徵在於，這種管道部件由其鉻含量為28-35重量％和鎳含量為3-10重量％的鐵素體-奧氏體鋼製造，並以焊接方法或搭接焊方法將其互相連接，過程中不使用焊接助劑，並且在保護氣中加有1-10體積％的氮。
10.權利要求1-9的焊接方法及搭接焊方法在尿素裝置中的應用。
11.一種改進和最佳化現有尿素裝置的方法，它通過採用權利要求1-9的焊接方法及搭接焊方法製造的管道和設備件替代發生腐蝕區域的管道和設備件來實現。
12.一種改進現有尿素裝置的方法，它通過在二聯鋼搭接焊中產生毛狀裂縫的區域採用權利要求8的連接方法來實現。
全文摘要
本發明涉及一種在保護氣存在下焊接二聯鋼的方法，焊接中不使用焊接助劑，而在保護氣中加入氮氣，並採用其鉻含量為28－35重量％，鎳含量為3－10重量％的奧氏體－鐵素體二聯鋼。
文檔編號C22C38/58GK1426340SQ01808559
公開日2003年6月25日 申請日期2001年2月12日 優先權日2000年2月28日
發明者J·M·G·埃肯波姆, J·H·梅森, H·C·G·M·施裡詹 申請人:Dsm有限公司