任金鎖

(山西陽(yáng)煤化工機(jī)械(集團(tuán))有限公司，山西 太原 030032)

前 言

隨著各種化工設(shè)備向大型化、節(jié)能型、復(fù)合型、高效型、高質(zhì)量的迅速發(fā)展，煤焦化、煤氣化、合成氨、化肥已成為我國(guó)占主要地位的煤化工產(chǎn)業(yè)，并得到持續(xù)、快速發(fā)展。且煤制氣、煤制甲醇、煤制油等煤化工產(chǎn)業(yè)建設(shè)加快了速度步伐。對(duì)于煤化工行業(yè)來(lái)說(shuō)，因管道設(shè)備等長(zhǎng)時(shí)間處于高溫、高壓、腐蝕性的環(huán)境中，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，造成管道、設(shè)備使用壽命大打折扣。所以，提高設(shè)備的抗腐蝕能力，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，是提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力及經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。為適應(yīng)以上工藝苛刻條件及清潔、高效、節(jié)能降耗的需求，化工設(shè)備在材料的選擇上多選用碳鋼基材+復(fù)合不銹鋼層或基材+堆焊不銹鋼層復(fù)合材料，其中，堆焊分為帶極埋弧堆焊和電渣堆焊技術(shù)。作為一種復(fù)合板材料和堆焊不銹鋼層材料，為煤化工設(shè)備的制造、升級(jí)改造提供了可靠的材料保障。例如，煤化工行業(yè)的氣化爐、加氫反應(yīng)器、焦化行業(yè)的蒸氨塔等設(shè)備采用復(fù)合板或堆焊耐高溫，抗氧及硫化氫等腐蝕的不銹鋼襯里層，即有效的降低了材料的成本，又滿足了工藝條件的要求。

本文通過(guò)對(duì)壓力容器設(shè)備氣化爐主體材料選用3種方法的特點(diǎn)及性價(jià)比進(jìn)行比較及歸納，有助于工程技術(shù)人員的了解和掌握，在實(shí)際工作中得到充分的借鑒作用。

1 國(guó)內(nèi)設(shè)備氣化爐殼體材料的選擇

目前，國(guó)內(nèi)氣化爐承壓殼體材料采用碳鋼基材+復(fù)合不銹鋼板結(jié)構(gòu)，碳鋼基材+堆焊不銹鋼材料兩種結(jié)構(gòu)形式。

其中，德士古、干粉煤氣化爐殼體材料主要采用SA387 Gr11 CL12+不銹鋼復(fù)合層襯里結(jié)構(gòu)；水煤漿水冷壁氣化爐(晉華爐)、四噴嘴殼體材料采用Cr-Mo鋼材料+不銹鋼埋弧堆焊材料或Cr-Mo鋼基材+不銹鋼電渣堆焊材料；四噴嘴氣化爐為首次采用Cr-Mo鋼材料+不銹鋼堆焊材料。

2 復(fù)合不銹鋼板復(fù)合層、埋弧堆焊和電渣堆焊性能的特點(diǎn)

2.1 復(fù)合板材料的工藝特點(diǎn)

使用不銹鋼復(fù)合板替代原來(lái)的純不銹鋼板，能夠降低設(shè)備成本，而設(shè)備的使用卻不受影響。不銹鋼復(fù)合板可用于氣化爐、脫硫塔、脫苯塔、蒸氨塔等，成本低、耐腐蝕；以脫苯塔為例，采用不銹鋼復(fù)合板代替純不銹鋼板，成本可下降30%以上。

不銹鋼復(fù)合板保留了純不銹鋼的耐腐蝕、耐磨、抗磁的性能以及外表美觀的特點(diǎn)，又兼有具有碳鋼良好的可焊性、成形性、拉伸性、導(dǎo)熱性的特點(diǎn)?？蓮V泛的使用于焦化設(shè)備中，以提高焦化設(shè)備的耐腐蝕性，以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

采用不銹鋼復(fù)合板，既能抗腐蝕，又有高的強(qiáng)度承受壓力。節(jié)約資源，減少貴重金屬的用量，大幅度降低工程造價(jià)，實(shí)現(xiàn)低成本和高性能的完美結(jié)合需挖補(bǔ)焊接處理。

復(fù)合鋼板的要求：對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼板的關(guān)鍵性能指標(biāo)-復(fù)合界面的結(jié)合剪切強(qiáng)度規(guī)定不小于200 MPa(B3級(jí))或210 MPa(B1或B2)，不銹鋼復(fù)合鋼板的使用范圍應(yīng)同時(shí)復(fù)合基材和覆材使用范圍的規(guī)定[2]。

爆炸復(fù)合板主要缺點(diǎn)：

1) 板幅受爆炸范圍及國(guó)內(nèi)不銹鋼板幅(國(guó)內(nèi)不銹鋼板幅一般在1 800 mm寬度以下)的影響，在復(fù)合1 800 mm寬度以上的復(fù)合板時(shí)需要在不銹鋼層進(jìn)行拼接，不銹鋼復(fù)層長(zhǎng)度方向有焊縫，增加使用隱患。同時(shí)長(zhǎng)度方向一般不能超過(guò)10 000 mm，尤其是薄規(guī)格復(fù)合時(shí)板長(zhǎng)不能超過(guò)6 m，太長(zhǎng)則影響復(fù)合，并不能保證鋼板的平整度和板形。

2) 交貨周期不確定性大，周期較長(zhǎng)。且受自然等因素的影響。如在大風(fēng)、雨、雪及霧霾等天氣下不能施工。

3) 因鋼板薄規(guī)格對(duì)爆炸力的耐受性有限，復(fù)合薄規(guī)格的復(fù)合板時(shí)成本較高且板形不好。

4) 復(fù)合強(qiáng)度不均勻，隨著爆點(diǎn)向外爆速的衰減而逐漸降低，且爆點(diǎn)處受爆速影響產(chǎn)生不復(fù)合。

2.2 埋弧堆焊的工藝特點(diǎn)

埋弧堆焊其熔敷效率高，質(zhì)量可靠，生產(chǎn)效率高，稀釋率低，良好的焊縫成行等優(yōu)點(diǎn)，選擇正確的焊接材料和焊接工藝規(guī)范保證其耐腐蝕和抗抗裂性。

生產(chǎn)效率高。埋弧焊的生產(chǎn)率可比焊條電弧焊提高5倍～10倍。由于埋弧焊是焊絲上無(wú)藥皮，焊絲可很長(zhǎng)，并能連續(xù)送進(jìn)而無(wú)需更換焊條，故可采用大電流焊接(比焊條電弧焊大6倍～8倍)，由于埋弧焊通過(guò)焊劑層的保護(hù)，有效的防止了電弧光對(duì)操作工的眼睛及身體健康的傷害，電弧能量得到很好的利用，保護(hù)了焊接接頭的成型，焊縫質(zhì)量得到有效的控制，焊接質(zhì)量高，而且外觀成型好。

埋弧焊的缺點(diǎn)：是適應(yīng)能力差，只能在水平位置焊接長(zhǎng)直縫或大直徑的環(huán)焊縫。

2.3 電渣堆焊工藝特點(diǎn)

堆焊主要是以獲得特定性能的表層、滿足工藝介質(zhì)對(duì)耐蝕環(huán)境性能為目的，所以堆焊工藝應(yīng)注意以下特點(diǎn)：根據(jù)技術(shù)要求合理地選擇堆焊合金類型；以降低稀釋率為目的，選擇堆焊方法；為了獲得預(yù)期的堆焊成分和效果，就必須減小母材向焊縫金屬的熔入量，即稀釋率；由于通常堆焊層與基體的化學(xué)成分差別很大，為防止堆焊層與基體間在堆焊、焊后熱處理過(guò)程中堆焊材料化學(xué)成分元素的燒損及稀釋減少，在選用堆焊材料時(shí)，應(yīng)考慮相應(yīng)元素化學(xué)成分的含量控制，從而滿足對(duì)耐蝕層性能的要求，同時(shí)控制堆焊層的厚度，避免堆焊層與基體的熱膨脹系數(shù)和相變溫度過(guò)大，造成堆焊層開裂及剝離。

電渣堆焊影響因素：

在電渣堆焊過(guò)程中，渣池的穩(wěn)定性對(duì)堆焊質(zhì)量影響極大，而電壓的波動(dòng)又是影響渣池穩(wěn)定性的最關(guān)鍵因素，所以在堆焊過(guò)程中，希望電壓波動(dòng)最小，因此要求選用恒壓特性的直流電源。此外，電源應(yīng)具有低電壓，大電流輸出、控制精度高、較強(qiáng)的補(bǔ)償網(wǎng)路電壓波動(dòng)的能力和可靠的保護(hù)性能。

3 埋弧堆焊和電渣堆焊的性價(jià)比

如表1所示是不同堆焊材料的成本費(fèi)用(不含人工費(fèi)、電費(fèi)、折舊費(fèi))。

在實(shí)際使用過(guò)程中，采用60焊帶比75焊帶總成本高(含面層與過(guò)渡層各3 mm)20元/m2，且效率低23%。

表1 不同材料堆焊層性價(jià)比

4 電渣堆焊與埋弧堆焊應(yīng)用對(duì)比

通過(guò)模擬單層電渣堆焊試驗(yàn)[1]，單層堆焊金屬化學(xué)成分及耐磨性、耐蝕性、耐熱性等性能方面能夠滿足項(xiàng)目工藝技術(shù)要求，提高了生產(chǎn)率，節(jié)能降耗，同時(shí)帶極電渣堆焊與帶極埋弧堆焊比有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 熔敷效率高，在中等電流下，比埋弧焊高50%；2) 堆焊層成形良好，不易有夾渣等缺陷，表面質(zhì)量?jī)?yōu)良，表面不平度小于0.5 mm(埋弧堆焊時(shí)大于1 mm)故表面無(wú)需機(jī)械加工，省料省時(shí)；3) 帶極中合金元素?zé)龘p和不利元素增量極少，堆焊層的塑性和韌性高于埋弧難焊；4) 由于接頭熔合區(qū)的碳擴(kuò)散層窄，馬氏體帶寬度小，故接頭熔合區(qū)性能優(yōu)于帶極埋弧堆焊；正由于帶極電渣堆焊具有上述優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外在氣化爐、加氫反應(yīng)器、煤氣工程熱壁交換爐、核電站設(shè)備中壓力容器的內(nèi)表面大面積堆焊中均得到了廣泛應(yīng)用，設(shè)備能夠滿足安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷運(yùn)行，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 不銹鋼復(fù)合板的應(yīng)用范圍

對(duì)于低壓、中壓壓力容器，板厚在50 mm以下，容器殼體優(yōu)先選用不銹鋼復(fù)合板，可以避免選用堆焊造成殼體圓度的變形影響，制造工期縮短，效率高、表面質(zhì)量高；對(duì)于50 mm以上厚板選用堆焊較合適，并且堆焊層與基材熔合比不銹鋼結(jié)合強(qiáng)度高，避免不銹鋼復(fù)合板復(fù)層與基材界面的貼合分離缺陷。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)壓力容器及設(shè)備氣化爐殼體主材在選擇不銹鋼復(fù)合板層、堆焊層材料的優(yōu)缺點(diǎn)及性能的比較，便于設(shè)計(jì)人員在材料選擇時(shí)，根據(jù)不同的壓力、溫度、介質(zhì)等環(huán)境下，合理的選擇復(fù)合板或堆焊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提質(zhì)增效的目的。