Высокотемпературная коррозионная обработка клапанов нефтеперерабатывающего оборудования

Thread Content

Условия эксплуатации арматуры нефтеперерабатывающих заводов тяжелые, рабочая температура высокая. Клапаны длительное время работают в условиях высоких температур. Металлические материалы подвержены коррозии при высоких температурах. В результате механическая прочность и пластичность материалов будут существенно снижены или даже разрушены. К видам высокотемпературной коррозии относятся окисление, сульфидиация, науглероживание, обезуглероживание, озоление и азотирование металлов и др. Условия повреждения, затронутые материалы, ключевые факторы механизма повреждения, а также меры по предотвращению и смягчению последствий этих типов коррозии описаны ниже. 1. Окисление (1) Ситуация повреждения Кислород вступает в реакцию с углеродистой сталью и другой легированной сталью при высоких температурах, образуя оксидную окалину на поверхности металла. Окисление обычно происходит в кислородной среде (около 20% воздуха), сжигаемой в отопительных печах и котлах. Большинство сплавов, включая углеродистые и низколегированные стали, под воздействием окисления подвергаются общему утончению. Обычно, в зависимости от температуры и времени воздействия, внешняя поверхность детали покрывается слоем оксидной окалины. Нержавеющая сталь серии 300 и сплавы на основе никеля обычно имеют тонкий слой темной оксидной окалины при воздействии чрезвычайно высоких температур с чрезмерной скоростью потери металла. (2) Пораженные материалы, будь то литые или кованые материалы на основе железа, включая углеродистую сталь и низколегированную сталь, будут окислены. Кроме того, все нержавеющие стали серии 300, нержавеющая сталь серии 400 и сплавы на основе никеля также подвергаются окислению в различной степени в зависимости от состава сплава и температуры эксплуатации. (3) Ключевые факторы Основными факторами, влияющими на высокотемпературное окисление, являются рабочая температура клапана и состав сплава. Углеродистая сталь окисляется при температуре выше 538°C, и скорость потери металла увеличивается с повышением температуры. Вообще говоря, стойкость к окислению углеродистой стали и других сплавов определяется содержанием хрома в материале. Увеличение содержания хрома создает более защитную накипь. Устойчивость к окислению нержавеющей стали серии 300 достигает 816 ℃. Прогнозируемые скорости коррозии при окислении обычных материалов, используемых в клапанах нефтеперерабатывающих заводов, показаны в Таблице 1 (ниже). Клапаны, работающие в условиях высоких температур, имеют тенденцию подвергаться окислению, когда рабочая температура превышает примерно 538°C. (4) Предотвращение и смягчение последствий окисления. При выборе материалов клапана материал клапана обычно заменяют более стойким сплавом, чтобы получить наилучшую стойкость к окислению. Кроме того, цели смягчения последствий также можно достичь путем контроля химического состава сплава. Хром является основным легирующим элементом, влияющим на стойкость к окислению. Другие легирующие элементы, включая кремний и алюминий, одинаково эффективны, но из-за их неблагоприятного воздействия на механические свойства их содержание должно быть ограничено в соответствии с реальными условиями. 2. Сульфидейшн (1) Ситуация повреждения Коррозия углеродистой стали и других сплавов, вызванная реакцией определенных элементов сплава с сульфидами в высокотемпературных средах. Присутствие водорода ускорит коррозию. (2) Затронутые материалы Все материалы на основе железа, включая углеродистую и низколегированную сталь, нержавеющую сталь серии 300 и нержавеющую сталь серии 400, будут затронуты. ； Сплавы на основе никеля также подвержены влиянию в разной степени, но большое влияние на вулканизацию оказывает химический состав сплавов на основе никеля, особенно содержание хрома. Сплавы на основе меди образуют сульфиды при более низких температурах, чем углеродистая сталь. (3) Ключевые факторы Основными факторами, влияющими на вулканизацию, являются состав сплава, рабочая температура клапана и концентрация агрессивных сульфидов. Чувствительность сплава к сульфиду определяется его способностью образовывать защитную сульфидную окалину. Температура сульфурирования сплавов на основе железа обычно начинается выше 260°C. На рисунках 1 и 2 (показаны ниже) показано влияние повышения температуры, содержания хрома и серы на вулканизацию. Вообще говоря, стойкость к сульфированию сплавов на основе железа и никеля определяется содержанием хрома в материале. Увеличение содержания хрома может значительно улучшить устойчивость к сере. Нержавеющие стали серии 300, такие как типы 304, 316, 321 и 347, обладают высокой устойчивостью к сульфированию в большинстве технологических процессов нефтепереработки. Сплавы на основе никеля похожи на нержавеющую сталь тем, что аналогичное содержание хрома обеспечивает аналогичную стойкость к сульфидированию. Сырая нефть, уголь и другие углеводороды содержат разную концентрацию серы. Общее содержание серы состоит из множества различных соединений серы. Серообразование в основном вызвано H2S и другими химически активными сульфидами, образующимися в результате термического разложения соединений серы при высоких температурах. Некоторые сульфиды легче реагируют с образованием H2S. Поэтому прогнозирование скорости коррозии в технике, основанное исключительно на массовом проценте серы, часто дает ошибки. (4) Предотвратить и замедлить явление сульфидиации в трубопроводной арматуре, работающей в средах высокотемпературных серосодержащих флюидов, которое обычно возникает в арматуре установок каталитического крекинга, установок коксования и установок гидрирования. Также могут пострадать высокотемпературные клапаны, подвергающиеся воздействию серосодержащих газов. Для предотвращения устойчивости клапана к сульфиду при выборе материалов клапана для достижения устойчивости к сульфиду обычно выбирают сплавы с более высоким содержанием хрома. Выбор клапанов из нержавеющей стали серии 300 или 400 позволяет значительно повысить устойчивость к высокотемпературной сульфидной коррозии. Для клапанов, изготовленных из низколегированных стальных материалов, обычно применяется диффузионная обработка деталей клапана алюминием, чтобы снизить скорость сульфурирования и тем самым минимизировать образование накипи, однако следует отметить, что она не обеспечивает полной защиты. 3. Науглероживание (1) Ситуация повреждения При контакте с углеродосодержащими материалами или науглероживающей средой углерод диффундирует в металлический материал клапана в условиях высоких температур. (2) Затрагиваемые материалы: углеродистая сталь и низколегированная сталь, нержавеющая сталь серии 300 и нержавеющая сталь серии 400, сплавы на основе никеля с относительно высоким содержанием железа (например, сплавы 600 и 800) и сплавы HK/HP. (3) Ключевые факторы для производства цементации должны соответствовать трем условиям:: ①Воздействие цементирующих сред или углеродосодержащих материалов ； ②Достаточно высокая температура, чтобы позволить углероду диффундировать в металл (обычно выше 593°C). ； ③Чувствительные материалы. Условия, способствующие науглероживанию, включают высокую активность углерода в газовой фазе (углеводороды, кокс, газы, богатые CO, CO2, метан, этан) и низкое содержание кислорода (минимум O2 или пара). В начале цементации углерод диффундирует в деталь с высокой скоростью, а затем постепенно ослабевает по мере увеличения глубины цементации. Нержавеющая сталь серии 300 обладает более высокой стойкостью к науглероживанию, чем углеродистая сталь и низколегированная сталь, из-за более высокого содержания хрома и никеля. Науглероживание приведет к снижению пластичности при высокотемпературной ползучести, снижению механических свойств при комнатной температуре (особенно прочности и пластичности), снижению сварочных характеристик и коррозионной стойкости. (4) Предотвращение и смягчение последствий. Чтобы предотвратить науглероживание, обычно необходимо выбирать сплавы с достаточной устойчивостью к науглероживанию, включая сплавы с сильными поверхностными оксидными или сульфидными пленкообразующими элементами (кремний и алюминий). 4. Эффект обезуглероживания (1) Повреждение стали. Удаление углерода и карбидов в результате обезуглероживания снижает прочность стали. Обезуглероживание происходит при термообработке в высокотемпературных средах, в том числе при воздействии огня или в высокотемпературных газовых средах. (2) Затрагиваемые материалы: углеродистая сталь и низколегированная сталь. (3) Ключевые факторы Ключевыми факторами обезуглероживания являются время, температура и активность углерода в технологической жидкости. Металлические материалы должны подвергаться воздействию газовой фазы с низкой активностью углерода. Обычно углерод в стали диффундирует к поверхности и реагирует с компонентами газовой фазы. Диапазон и глубина обезуглероживания связаны с температурой и временем воздействия. Обычно неглубокое обезуглероживание снижает прочность стали, не оказывая при этом отрицательного влияния на общую производительность детали. Однако существуют и другие эффекты перегрева стали, такие как обезуглероживание, вызванное высокотемпературной водородной коррозией клапанов установки гидрокрекинга. (4) Предотвращение и смягчение последствий Декарбонизация может произойти почти во всех клапанах, подвергающихся воздействию высокотемпературной среды, а также могут пострадать клапаны на установках гидрокрекинга и каталитического риформинга. Для предотвращения обезуглероживания клапанов в условиях работы с водородом обычно подбирают подходящие сплавы по API RP 941, чтобы предотвратить высокотемпературную водородную коррозию и обезуглероживание. Легированная сталь, содержащая хром и молибден, во время плавки образует более стабильные карбиды с углеродом, поэтому она обладает более высокой устойчивостью к обезуглероживанию. 5. Озоление металла (1) Ситуация повреждения Озоление металла – это форма науглероживания, которая происходит в науглероживающем газе или технологических жидкостях, содержащих углерод и водород, что приводит к ускоренной местной точечной коррозии. На поверхности часто образуются ямки, которые могут содержать сажу или графитовую пыль. (2) Затрагиваемые материалы: низколегированная сталь, нержавеющая сталь серии 300, сплавы на основе никеля и жаропрочные сплавы. На сегодняшний день не найдено известных металлических сплавов, устойчивых к озолению металлов при любых условиях. (3) Ключевые факторы Ключевыми факторами озоления металла являются состав технологической жидкости, рабочая температура и состав сплава. Озоление металла происходит после науглероживания и характеризуется быстрой потерей металла. Озоление металла включает сложную серию реакций с участием восстановительных газов, таких как водород, метан, пропан или окись углерода. Озоление металла обычно происходит в диапазоне температур 482℃~816℃. Повреждения увеличиваются с повышением температуры. Считается, что в высоконикелевых сплавах озоление металла происходит без образования карбидов металлов. Озоление металлов происходит также в чередующихся условиях восстановления и окисления. Механизм, вызывающий озоление металла, считается: ①Металлическая матрица насыщается за счет науглероживания ； ②Карбиды металлов осаждаются на металлических поверхностях и границах зерен. ； ③Графитовые отложения на карбидах на металлических поверхностях ； ④Карбиды металлов разлагаются на металлические частицы и графит. ； ⑤Дальнейшее осаждение графита катализируется металлическими частицами на поверхности. (4) Предотвращение и смягчение последствий. В настоящее время ни один металл не может противостоять озолению металла при любых условиях, и выбор материала должен основываться на конкретных условиях применения. Диффузионная обработка основы клапана алюминием может оказаться полезной в некоторых случаях. 6. Азотирование (1) Ситуация повреждения Некоторые сплавы, подвергающиеся воздействию высокотемпературных технологических жидкостей с высоким содержанием нитридов, таких как аммиак или цианид, особенно в восстановительных условиях, образуют твердый и хрупкий поверхностный слой. (2) Затрагиваемые материалы: углеродистая сталь, низколегированная сталь, нержавеющая сталь серии 300 и нержавеющая сталь серии 400. (3) Ключевые факторы азотирования связаны с температурой, временем, парциальным давлением азота и составом металла, и это процесс, который позволяет азоту диффундировать в металлическую матрицу. Температура должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить термическое разложение азота из аммиака или других нитридов и в то же время позволить азоту диффундировать в металл. Азотирование начинается при температуре выше 316°C и становится более интенсивным при температуре выше 482°C. Высокая активность азота в газовой фазе (высокое парциальное давление азота) способствует азотированию. Азотирование может отрицательно повлиять на коррозионную стойкость металлических материалов. Азотирование может привести к снижению предела ползучести при высоких температурах, механических свойств при температуре окружающей среды (особенно вязкости и пластичности), свариваемости и коррозионной стойкости. (4) Предотвращение и смягчение последствий. Сплавы на основе никеля устойчивы к азотированию. Для изготовления клапанов обычно используются сплавы на основе никеля, содержащие от 30% до 80% никеля, чтобы предотвратить азотирование. jsm86.com