摘要：针对氧化铝蒸发器加热器管板出现碱脆现象，采取从板材供货、热处理等工艺改变改善管板的应力状况着手，同时从设计方面考虑，在材料选用、防腐隔离等采取措施来达到预防和减少碱脆的发生，结果表明采用这样方法满足要求。
关键词：蒸发器；管板；碱脆
1.设备概述
氧化铝生产工艺系统蒸发器加热室为管壳式热交换设备，壳程介质为蒸汽，管程介质为Na2AlO2料液；工作温度壳程为200℃，管程为160℃；工作压力壳程为-0.1~0.6MPa，管程为-0.1~0.6MPa，属Ⅰ类压力容器。壳体材料为16MnR（Q345R），板厚16mm；壳程管板材料为16MnR（Q345R），板厚70mm，换热管材料为S.C（注：机械结构碳素钢，日本产的一种碳素钢无缝管。），规格为￠54×2.6mm。设备焊后要求整体退火热处理。设备在使用过程中，由于受到Na2AlO2料液的腐蚀作用，管程中的换热管、管板使用寿命大为缩短，停车检修和更换费用使运营成本大为提高。特别是管板由于碱脆开裂失效，导致极大的浪费。
2.设备碱脆现状
国产材料国内制作的加热器在广西华银铝业有限公司的应用中，管程的使用周期大约为3~4年，与同行业使用进口材料国内制作或全套进口的加热器相比较，仅为1/5~1/4的使用寿命，加热器寿命大幅缩短。从中可以得出，国产的材料在耐碱应用中性能较差。
钢的碱脆，一般要同时具备3个条件。一是较高浓度的氢氧化钠溶液。试验指出，浓度大于10％的碱液即足以引起钢的碱脆。二是较高的温度，碱脆的温度范围较宽，但最容易引起碱脆的温度是在溶液的沸点附近。三是拉伸应力，可以是外载荷引起的应力，也可以是残余应力，或者是两者的联合作用。拉伸应力的大小虽然是碱脆的一个影响因素，但更重要的因素是应力的均匀与否，局部的拉伸应力最容易引起碱脆。在加热器的管板中，换热管的胀接以及受热过程中的不均匀变形存在一定的拉伸应力；在正常运行情况下，管板承受一定的压力并处在较高的温度和拉伸应力的作用下，而开孔胀管等局部区域也存在不均匀的应力。管程中的Na2AlO2料液碱浓度虽然不会达到产生碱脆的程度，但在局部地方，常常会因为氢氧化钠富集而使料液的碱浓度增大。例如在胀管及其他一些存在缝隙的地方，料液进入后常被逐渐浓缩，就很有可能达到碱脆所需要的浓度。管程中的碱脆绝大多数是在胀接的接缝上发生的。
3.预防和减少碱脆的工艺措施
预防和减少碱脆的工艺措施主要是使产生碱脆需同时具备的三个条件缺少其中一个或多个，避免引起碱脆的三个条件同时存在。由于加热器的工作介质和工作温度等工况不可改变，决定了预防和减少碱脆的工艺措施只能从改善管板的应力状况着手。
3.1板材供货状态的选择
加热室管板材料为Q345R，板厚70mm。由于设计没有给出材料的供货状态，可供选择的供货技术条件为：1）热轧、控轧；2）正火状态交货（抗氢钢、HIC、R-HIC）；3）正火+回火状态交货；4）调质状态供货。由于管板厚度较大，热轧状态下供货，材料内部组织不均匀、应力较大，容易导致发生碱脆。正火状态下供货，材料内部获得较为细密、均匀的组织，且释放了轧制过程中产生的应力，有利于预防和减少碱脆的发生。
3.2管板部件的热处理工艺
管板部件由于板厚较大（70mm），在钻孔加工过程中存在局部挤压应力和表面过热（蓝脆）现象。在粗加工后精加工前，可进行一次完全退火，即加热到Ac3以上30~50℃（850℃+30~50℃），保温2.4h后随炉冷却，以获得细化晶粒、消除内应力、降低硬度、改善切削加工性能。
3.3加热室焊后热处理工艺
加热室总装焊接完成后，在水压试验之前按设计要求进行整体退火。焊后热处理为去应力退火，根据《钢制压力容器焊接规程》，退火温度为600~640℃，保温时间按容器中最厚的板厚选取。加热器中最厚的部件为管板（70mm），最短保温时间为（2+.png)
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）h，即2.4h。热处理工艺如下：
3.3.1、焊件进炉时，炉内温度不得高于400℃。
3.3.2、焊件升温至400℃后，加热区升温速度不得超过71℃/h，最小可为50℃/h。
3.3.3、焊件升温期间，加热区内任意长度为5000mm内的温差不得大于120℃。
3.3.4、当炉内温度升至600～640℃后，保温最短时间不少于2.4小时。
3.3.5、焊件保温期间，加热区内最高与最低温度之差不宜大于65℃。
3.3.6、保温后，焊件温度高于400℃时，加热区降温速度不得超过92 ℃/h。最小可为50℃/h。
3.3.7、焊件出炉时，炉温不得高于400℃，出炉后应在静止的空气中冷却。
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4.预防和减少碱脆的其他措施
预防和减少加热器管板碱脆除了从工艺上着手以外，在制造成本相差不大的前提下，还可以从设计方面考虑，在材料选用、防腐隔离等采取措施。
4.1管板材料的选择
4.1.1耐候钢
耐候钢，又称考登钢，是通过在普通钢中添加一定量的合金元素制成的一种低合金钢，主要合金成分为Cu、P、Cr、Ni等元素。耐候钢的特点是能够抵御自然大气条件下的腐蚀。耐候钢并非不锈钢，初期同普通碳钢一样也会锈蚀，后期则情况不同。耐候钢锈蚀一段时间后由于钢表面Cu、P等微量元素富集，形成一层致密的非晶态锈层组织，并与基体结合得非常牢固。这层稳定化锈层能够在一定程度上抵御大气中水气及有害离子的侵入，防止基体金属进一步腐蚀。
耐候钢在使用时，可以涂装、裸用或进行稳定化处理，涂装时的要求与普通碳钢相同。这里特别要指出的是这种材料可以不涂漆裸用，这是耐候钢最突出的优点。在无严重大气污染或非特别潮湿的地区，耐候钢可以不用涂装，直接裸露于大气中，一般经过1年时间后，锈层逐渐稳定，腐蚀不再发展，外观呈美丽的巧克力色。这种钢材因没有油漆老化等问题，无需涂装维护，大大降低了维护成本，当然也就避免了因涂漆影响使用等造成的损失。
在加热器管板中选用耐候钢，在Na2AlO2料液介质下同样具有较强的耐腐蚀性能，如果在胀接部位能进一步防止料液进入，则会收到更好的效果。
4.1.2复合钢板
不锈钢复合板的基层材料可以使用Q235B、Q345R、20R等各种普通碳素钢和专用钢。覆层材料可以使用304、316L、1Cr13和双相不锈钢等各种牌号的不锈钢。材质和厚度可以自由组合，满足不同用户的需要。它的主要特点是碳钢和不锈钢形成牢固的冶金结合，可以进行热压、冷弯、切割、焊接等各种加工。不锈钢复合板不仅具有不锈钢的耐腐蚀性、又具有碳钢良好的机械强度和加工性能，
复合板制造方法执行GB/T8165-2008国家标准。有爆炸复合工艺、热轧复合工艺。主要优点有：
一、使用不锈钢复合板替代原来的纯不锈钢板，能够降低设备成本，而设备的使用却不受影响。不锈钢复合板可用于脱硫塔、蒸氨塔、脱苯塔等，成本低，耐腐蚀；以脱苯塔为例，采用不锈钢复合板代替纯不锈钢板，成本可下降30%以上。
二、不锈钢复合板保留了纯不锈钢的耐腐蚀，耐磨、抗磁的性能以及外表美观的特点，又兼具有碳钢良好的可焊性、成形性、拉伸性、导热性的特点。可广泛的使用于焦化设备中，以提高焦化设备的耐腐蚀性，以延长设备的使用寿命。
三、不锈钢复合板具有良好的导热能力，又具有防腐蚀功能，可大量用于焦化设备。如使用于蒸氨塔，可以提高蒸氨塔的使用寿命，降低运行成本；另外一方面因其防腐性能，又能应用于蒸氨设备。
总之，不锈钢复合板是提高设备使用寿命，提高设备生产效率，降低运行成本的不二选择。
但是，如果在加热器的管板中使用不锈钢复合板材，换热管不宜采用胀接。因为胀接缝处不利于不锈钢层对基层的保护，而宜采用焊接。
4.2防腐隔离措施
以SiC为主的低胶结料含铝骨料的浇注料，是一种高耐磨耐碱的材料，它与氧作用最终形成一层光滑无孔的SiO2玻璃层，这层玻璃层除了可以溶解一部分碱外，还可以阻止碱向基层内部渗透，避免形成碱化物所产生的膨胀，从而避免碱脆的发生。
5.结束语
对于氧化铝蒸发器组加热室管板出现碱脆泄漏现象，影响蒸发站设备的连续运行，在设备制造过程中从材料选用、结构优化、焊接质量、退火工艺上来保证，从而达到改善设备材料的应力碱脆腐蚀。
论文作者:覃景壮
论文发表刊物:《基层建设》2016年21期
论文发表时间:2016/12/5
标签：应力论文; 不锈钢论文; 加热器论文; 材料论文; 设备论文; 工艺论文; 复合板论文; 《基层建设》2016年21期论文;