專利名稱：焊接二聯(lián)鋼的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在有保護(hù)氣存在焊接二聯(lián)鋼的方法。
二聯(lián)鋼為具有不同組分的鐵素體-奧氏體兩相結(jié)構(gòu)的不銹鋼。二聯(lián)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(lián)鋼由于其耐腐蝕特性常用于有腐蝕氣氛的環(huán)境中。二聯(lián)鋼特別在尿素裝置中得到成功的應(yīng)用，在尿素裝置中，二聯(lián)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(qū)。在這些地方關(guān)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(lián)鋼制造。
在工廠中二聯(lián)鋼的使用要求二聯(lián)鋼部件互相相連。二聯(lián)鋼的焊接是接合雙金屬零件領(lǐng)域的技術(shù)人員所已知的方法。雙金屬零件在有所謂保護(hù)氣下焊在一起，該保護(hù)氣提供惰性氣氛。本領(lǐng)域技術(shù)人員通常采用氬和氦作為保護(hù)氣。這些保護(hù)氣防止在焊接過程中的氧化。
二聯(lián)鋼焊接的缺點(diǎn)是，如果必須保持鋼的特性，則在不使用維護(hù)焊縫的焊接助劑時(shí)不能將二聯(lián)鋼零件焊在一起。該鋼的特性包括機(jī)械特性如抗拉強(qiáng)度、延展性和耐腐蝕性。特別是在采用如IBW(內(nèi)孔焊接)、激光束焊接或電子束焊接等焊接技術(shù)時(shí)，在不損害二聯(lián)鋼的特性條件下不能使用二聯(lián)鋼，因?yàn)檫@些焊接技術(shù)不允許使用焊接助劑。這些焊接技術(shù)例如對(duì)制造無裂隙的管對(duì)管板的連接是需要的。本領(lǐng)域技術(shù)人員通常采用焊接助劑如涂劑焊電極和固體焊料或充填焊料。
本發(fā)明的目的是消除上述缺點(diǎn)，并在無焊接助劑的情況下焊接二聯(lián)鋼，同時(shí)又不損害二聯(lián)鋼的特性。
申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)一種在有保護(hù)氣下不使用焊接助劑的二聯(lián)鋼焊接方法，在保護(hù)氣中加有氮?dú)?。更具體而言，該方法是在有保護(hù)氣存在下不使用焊接助劑焊接二聯(lián)鋼的方法，保護(hù)氣中加有氮?dú)?，并采用奧氏體-鐵素體二聯(lián)鋼，其鉻含量為28-35重量％，鎳含量為3-10重量％。
優(yōu)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％其余為Fe和通常的雜質(zhì)和添加劑，鐵素體含量為30-70體積％。
較優(yōu)選是C含量為最大0.03重量％，特別優(yōu)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(yōu)選為30-55體積％。奧氏體相的Cr含量較優(yōu)選至少為25重量％，特別是至少27重量％。
優(yōu)選將1-10體積％的氮加到保護(hù)氣中，特別是1-5體積％，更優(yōu)選為1-3體積％。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，可采用IBW焊接、激光束焊接、電子束焊接按二聯(lián)鋼，同時(shí)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(shí)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(lián)鋼施加到通常較廉價(jià)的碳鋼的基面上以制成接觸表面。使用本發(fā)明的焊接方法將另一個(gè)二聯(lián)鋼物體或用二聯(lián)鋼接觸面連接到所述的搭接焊上。但是所焊的物體常會(huì)因?yàn)樵诖罱雍傅亩?lián)鋼中的細(xì)裂紋的產(chǎn)生而剝落。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，通過一種能使二個(gè)或多個(gè)二聯(lián)鋼零件經(jīng)搭接焊的方法來消除該缺點(diǎn)。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-奧氏體鋼制成，接著去除接觸面最上面的0.1-1.0mm，優(yōu)選0.2-0.8mm，特別是0.3-0.7mm，然后再將金屬零件焊在一起。該上面層可用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法如研磨、銼、使用磨料等來去除。
本發(fā)明的焊接和搭接焊方法在制造管部件如法蘭和閥門的制造中特別有用，因?yàn)檫@類管部件對(duì)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(lián)鐵素體-奧氏體鋼制成，并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(hù)氣中。
特別是在尿素裝置的高壓區(qū)的法蘭和閥門的特殊的焊縫能以本發(fā)明方法有效地制造。
因此，本發(fā)明特別涉及焊接方法和搭接焊方法在尿素裝置中的應(yīng)用。
上述的管部件是泄漏的來源。在采用對(duì)裂隙腐蝕敏感的材料時(shí)，腐蝕將隨時(shí)間在管部件所內(nèi)含的裂隙中發(fā)生，這就導(dǎo)致工藝流體的泄漏。特別是例如在尿素裝置的高壓區(qū)會(huì)發(fā)生。這樣裝置將會(huì)因安全及環(huán)境法規(guī)而停運(yùn)。如果這類管部件使用本發(fā)明方法制造，則其對(duì)裂隙腐蝕的敏感性小得多，并且防止了泄漏。
在采用上述二聯(lián)鋼時(shí)，對(duì)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(shè)備單元布置成一個(gè)在另一個(gè)的上面，如尿素工廠的高壓氨基甲酸鹽冷凝器和反應(yīng)器那樣。所有設(shè)備單元都可在地面布置，這可實(shí)現(xiàn)大量投資節(jié)省。
重要的是本發(fā)明中使用的二聯(lián)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(dǎo)致管道和設(shè)備的裂紋，并且該鋼對(duì)腐蝕也更敏感。已發(fā)現(xiàn)通過渦流線圈進(jìn)行測(cè)量可容易地測(cè)試鐵素體-奧氏體鋼的均勻性。當(dāng)一片金屬通過這種線圈時(shí)，會(huì)直接顯示分布不足的地方。代替這種渦流線圈測(cè)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(qū)來制備，首先按下列反應(yīng)形成氨基甲酸銨
然后形成的氨基甲酸銨按下式經(jīng)脫水形成尿素
由氨和二氧化碳反應(yīng)成尿素的理論上可達(dá)到的轉(zhuǎn)換率由熱力學(xué)平衡狀態(tài)決定，并取決于例如NH3/CO2比(N/C比)、H2O/CO2比和溫度，并可借助于下列文獻(xiàn)描述的模式計(jì)算Bull.of the Chem.Soc.ofJapan(日本化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)刊)，1972年，45卷pp.1339-1345和J.AppliedChem.of the USSR(蘇聯(lián)應(yīng)用化學(xué)雜志)(1981)，54卷，pp.1898-1901。
在由氨和二氧化碳轉(zhuǎn)化為尿素中，涉及作為反應(yīng)產(chǎn)物的尿素合成溶液，它主要由尿素、水、氨基甲酸銨和未結(jié)合的氨。除尿素合成溶液外，還可包括合成區(qū)的未轉(zhuǎn)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，并優(yōu)選返回到合成區(qū)。
實(shí)際上，可采用各種方法制備尿素。起初是在所謂的通常的高壓尿素裝置制備尿素，它在60年代末采用在所謂的尿素汽提裝置實(shí)施的方法成功的。
通常的高壓尿素裝置意指未轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)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、解離和冷凝后，未轉(zhuǎn)化成尿素的反應(yīng)物作為氨基甲酸鹽物流返回尿素合成區(qū)。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(yīng)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(zhuǎn)換率為64-68％。
起初，這類通常的尿素裝置曾設(shè)計(jì)成所謂的“一次操作”工藝。這時(shí)未轉(zhuǎn)化的氨經(jīng)酸(如硝酸)中和并轉(zhuǎn)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(huán)工藝所取代，在再循環(huán)工藝中，所有未轉(zhuǎn)化的氨和二氧化碳作為氨基甲酸鹽物流返回尿素反應(yīng)器。在回收區(qū)，未轉(zhuǎn)化的氨和二氧化碳從在合成反應(yīng)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(fā)區(qū)利用減壓蒸發(fā)掉水，而使水溶液中的尿素轉(zhuǎn)變成尿素。
尿素汽提裝置意指未轉(zhuǎn)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(yīng)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(fā)生分解/排出。在汽提過程中，二氧化碳和/或氨在加入到反應(yīng)器之前可作為汽提氣。這種汽提是在裝置在合成反應(yīng)器下游的汽提器中完成的，在該汽提器中，來自尿素反應(yīng)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(jìn)行汽提，這里也可使用熱汽提。熱汽提意指氨基甲酸銨被分解，并且存在的氨和二氧化碳僅采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，第一步純的熱汽提后是加熱下的CO2汽提。從汽提器來的含氨和二氧化碳的氣流返回反應(yīng)器，不管是否經(jīng)由高壓氨基甲酸鹽冷凝器。
在尿素汽提裝置中，合成反應(yīng)器在160-240℃，優(yōu)選170-220℃下操作。合成反應(yīng)器的壓力為12-21MPa，優(yōu)選12.5-19.5MPa。在汽提裝置的合成中，N/C比為2.5-4，CO2的轉(zhuǎn)化為58-65％。合成可在一個(gè)或兩個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行。當(dāng)使用兩個(gè)反應(yīng)器時(shí)，第一個(gè)反應(yīng)器例如可采用實(shí)際上新的原料操作，而第二個(gè)反應(yīng)器采用例如從尿素回收來的完全或部分再循環(huán)的原料操作。
經(jīng)常采用的以汽提法制備尿素的實(shí)施方案是在European ChemicalNews(歐洲化學(xué)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(jīng)冷凝和吸收，之后形成的氨基甲酸銨物流返回到合成區(qū)用于形成尿素。
高壓氨基甲酸鹽冷凝器例如可設(shè)計(jì)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(yōu)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(jìn)行冷凝。
在汽提操作后，經(jīng)汽提的尿素合成溶液的壓力降到尿素回收的低水平，并且該溶液經(jīng)蒸發(fā)，之后釋出尿素，低壓的氨基甲酸鹽物流循環(huán)到合成區(qū)。
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(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)了結(jié)構(gòu)材料免受腐蝕，但它有下列缺點(diǎn)—氧/空氣必須從過程中去除，同時(shí)沒有氨和二氧化碳離開該過程。這就需要用于這些氣體物流的昂貴又耗能的洗滌系統(tǒng)；—在現(xiàn)代的氨裝置中產(chǎn)生的用于尿素制備的原料(氨和二氧化碳)經(jīng)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(qū)域可導(dǎo)致爆炸性的氫/空氣混合物的形成。為防止或防護(hù)這種情況，需要昂貴的措施。
已知采用二聯(lián)鋼可大大減少氧/空氣的加入或可免于加入，這些上述缺點(diǎn)較少發(fā)生，如果多少有一點(diǎn)，也可達(dá)到高的可靠性。WO-95/00674中提到在尿素裝置中二聯(lián)鋼的應(yīng)用，并提到不使用鈍化氣體。
此外，通過用按本發(fā)明的焊接方法和搭接焊方法制造的管道和設(shè)備件來替換在腐蝕發(fā)生的區(qū)的管道和設(shè)備件，此方法非常適合于改進(jìn)和優(yōu)化現(xiàn)有的裝置。通過在二聯(lián)鋼搭接焊中會(huì)形成毛狀裂縫的區(qū)域采用本發(fā)明的連接工藝，該方法特別適用于改進(jìn)現(xiàn)有的尿素裝置。
本發(fā)明可應(yīng)用于現(xiàn)在的尿素工藝中，包括通常的尿素工藝和尿素汽提工藝?？蓱?yīng)用本發(fā)明的通常的尿素工藝的實(shí)例是所謂的“一次操作”工藝、通常的“再循環(huán)”工藝和熱再循環(huán)工藝?？蓱?yīng)用本發(fā)明可用的尿素汽提工藝的實(shí)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(jìn)型工藝)工藝、IDR(等壓-雙循環(huán))工藝和HEC工藝。
以下列實(shí)施例描述本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種在有保護(hù)氣存在下焊接二聯(lián)鋼的方法，其特征在于，不采用焊接助劑，并且將氮加入到保護(hù)氣中。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，使用奧氏體-鐵素體二聯(lián)鋼，其鉻含量為28-35重量％，鎳含量為3-10重量％。
3.權(quán)利要求1-2的方法，其特征在于，采用下列組成的奧氏體-鐵素體二聯(lián)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％其余為Fe和通常的雜質(zhì)和添加劑，鐵素體含量為30-70體積％。
4.權(quán)利要求1-3的方法，其特征在于，采用Cr含量為29-33重量％的奧氏體-鐵素體二聯(lián)鋼。
5.權(quán)利要求1-4的方法，其特征在于，采用Ni含量為3-7重量％的奧氏體-鐵素體二聯(lián)鋼。
6.權(quán)利要求1-5的方法，其特征在于，采用奧氏體相中Cr含量為至少25重量％的奧氏體-鐵素體二聯(lián)鋼。
7.權(quán)利要求1-6的方法，其特征在于，在保護(hù)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，其特征在于，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-奧氏體鋼制造，制造后將其最上面去除0.1-1.0mm，然后將金屬部件相互焊接。
9.一種制造管道部件的方法，其特征在于，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-奧氏體鋼制造，并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，并且在保護(hù)氣中加有1-10體積％的氮。
10.權(quán)利要求1-9的焊接方法及搭接焊方法在尿素裝置中的應(yīng)用。
11.一種改進(jìn)和最佳化現(xiàn)有尿素裝置的方法，它通過采用權(quán)利要求1-9的焊接方法及搭接焊方法制造的管道和設(shè)備件替代發(fā)生腐蝕區(qū)域的管道和設(shè)備件來實(shí)現(xiàn)。
12.一種改進(jìn)現(xiàn)有尿素裝置的方法，它通過在二聯(lián)鋼搭接焊中產(chǎn)生毛狀裂縫的區(qū)域采用權(quán)利要求8的連接方法來實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在保護(hù)氣存在下焊接二聯(lián)鋼的方法，焊接中不使用焊接助劑，而在保護(hù)氣中加入氮?dú)?，并采用其鉻含量為28－35重量％，鎳含量為3－10重量％的奧氏體－鐵素體二聯(lián)鋼。
文檔編號(hào)C22C38/58GK1426340SQ01808559
公開日2003年6月25日 申請(qǐng)日期2001年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月28日
發(fā)明者J·M·G·?？喜? J·H·梅森, H·C·G·M·施里詹 申請(qǐng)人:Dsm有限公司