耐腐蝕流體傳導部件及利用其的裝置和部件置換方法
【專利說明】
[0001] 此案是申請日為2005年7月26日、中國申請?zhí)枮?01010572464. 1、發(fā)明名稱為 "耐腐蝕流體傳導部件及利用其的裝置和部件置換方法"的第一分案申請的第二分案申請。 其中第一分案申請為申請日為2005年7月26日、中國申請?zhí)枮?00580028772. 5、發(fā)明名稱 為"耐腐蝕流體傳導部件及利用其的裝置和部件置換方法"的發(fā)明申請的分案申請。 技術背景
技術領域
[0002] 本發(fā)明涉及耐腐蝕流體傳導部件，以及涉及包含一個或更多個所述部件的裝置。 本發(fā)明還涉及以改進的、耐腐蝕性流體傳導部件置換裝置制品的一個或多個傳導部件的方 法。本發(fā)明進一步涉及冷加工多層制品，由該制品可制成耐腐蝕性流體傳導部件。
[0003] 技術背景的說明
[0004] 各種各樣的工藝方法和裝置是在很高的壓力和溫度下進行操作的。例如，全世界 工業(yè)規(guī)模合成尿素的工藝都包括氨和二氧化碳在超過150°C (302° F)的溫度和接近150 巴（15. OMPa)壓力下的高壓反應器中進行反應的。該方法眾所周知并且闡述于例如美國專 利號4210600、4899813、6010669和6412684中。在所述方法中，一般是過量的氨，和二氧化 碳在一個或多個反應器中進行反應，作為最終產(chǎn)品獲得一種含尿素、未轉化成尿素的氨基 甲酸銨的水溶液，和在合成中使用的過量氨。
[0005] 在尿素合成的過程中，在氨基甲酸銨處于最高濃度和溫度下出現(xiàn)最強的腐蝕條 件。盡管這些條件出現(xiàn)在工藝過程中最關鍵的步驟中，僅有相對不多的材料能經(jīng)受所述條 件而不遭受顯著的腐蝕，從而導致裝置出事故。制造尿素合成裝置的材料在過去時間中部 分包括，AISI 316L不銹鋼、INOX25/22/2Cr/Ni/Mo不銹鋼、鉛、鈦、Safurex?不銹鋼和鋯。
[0006] 當尿素合成工藝首次開發(fā)時，使用"尿素級"奧氏體-鐵素體不銹鋼和其它適當級 別的不銹鋼。合成裝置包括具有垂直管束的汽提塔，在汽提塔內(nèi)尿素工作介質分解和冷凝。 尿素工作介質流經(jīng)管的內(nèi)部容積，而飽和蒸汽在管的外部循環(huán)和冷凝。冷凝的蒸汽提供必 要的能量以分解管內(nèi)過量氨和氨基甲酸銨成為尿素和水。汽提塔中的管間的間距由管板保 持，包括管通過的環(huán)形孔并且各管還通過強焊而結合到管板表面。
[0007] 不多的材料能經(jīng)住汽提塔管所承受的內(nèi)部和外部條件，而不經(jīng)受歷時的顯著腐蝕 和/或侵蝕。用于汽提塔管的不銹鋼的耐腐蝕性在很大程度上取決于管中尿素溶液是否是 均勻的和均勻分布在管的表面上，致使鈍化不銹鋼（溶液提供部分鈍化氧）。假若管內(nèi)表面 不是完全和連續(xù)濕潤，則不銹鋼將腐蝕。假若操作裝置是在穩(wěn)態(tài)條件和較高生產(chǎn)力下操作， 則不銹鋼管將順利地運行。然而，假若裝置是在較低生產(chǎn)力下操作，則在汽提塔管中的尿素 工作介質的分布會不均勻或管道會包含未濕潤的不完全鈍化的內(nèi)表面，從而導致腐蝕。因 此，尚未發(fā)現(xiàn)目前可獲得的不銹鋼是可用于尿素合成工藝中可靠的汽提塔管的材料。
[0008] 使用不銹鋼以解決腐蝕問題，經(jīng)30多年開發(fā)出由鈦制造尿素合成裝置。在這種設 計中，鈦包層汽提塔包括與鈦包層管板連接的固體鈦管。當把這種設計安排使用中時，垂直 放置的汽提塔管在管強焊熔融到汽提塔管板附近的區(qū)域內(nèi)經(jīng)受了腐蝕和侵蝕。也注意到侵 蝕和腐蝕在管的第一個1米（39. 4英寸）長度內(nèi)。在這個區(qū)域內(nèi)，氨基甲酸銨處于最高濃 度和溫度下，并分解和冷凝，假設侵蝕/腐蝕的出現(xiàn)是由于在這個區(qū)域內(nèi)在流體方向、流體 撞擊或急速蒸發(fā)中的突變所致。在確定鈦汽提塔管腐蝕/侵蝕習性后，重新設計裝置以使 汽提塔單元能頭尾倒轉，由此在置換管前使侵蝕/腐蝕出現(xiàn)在汽提塔管兩端是必要的。盡 管這樣幾乎使汽提塔管的使用壽命加倍，但它并不是對單元腐蝕問題持久的解決方案，并 且許多用鈦汽提塔管制造的尿素加工單元已經(jīng)受某種程度的侵蝕/腐蝕難題。
[0009] 為進一步解決在尿素汽提塔中所經(jīng)受的侵蝕/腐蝕，引入用鋯制造的汽提塔管， 如U.S.專利號4899813中所述。因為鋯比鈦和不銹鋼貴的多，所以早期的鋯-裝備的汽提 塔管被設計成包括不銹鋼外管（一般2mm(0. 8英寸）的最小厚度）和在不銹鋼管內(nèi)機械結 合（緊密配合）鋯的較薄的管內(nèi)襯（一般0. 7mm(0. 03英寸））的最小厚度。機械連接必須 保持鋯襯就位，這可通過擴大鋯內(nèi)襯的內(nèi)徑而實現(xiàn)，以便在不銹鋼外管中的緊密配合。所得 緊配合雙層管的不銹鋼外管具有機械強度也比固體鋯管降低了費用。較薄的鋯襯提供了改 進的耐腐蝕性。為這種應用選擇了鋯，因為它在高腐蝕性、高壓、高溫環(huán)境下顯示優(yōu)良的耐 腐蝕性。
[0010] 前述不銹鋼/鋯緊配合雙-層汽提塔管是在嚴格的要求條件下進行制造，以便更 好的保證非常牢固地機械配合。盡管如此，各層的機械連接仍表明對企圖長期使用壽命的 管是問題的來源。因為耐腐蝕鋯襯和不銹鋼外管之間沒有冶金結合，所以細小的狹縫存在 于鋯內(nèi)襯和不銹鋼外管之間。部分細縫產(chǎn)自鋯和不銹鋼不同的機械性和物理性能。例如， 材料具有非常不同的熱膨脹系數(shù)，并且當加熱時，不銹鋼膨脹程度比鋯要大。另外，因為材 料的不相似的性能，它們不能熔焊在一起，因而必須從汽提塔管端除去部分鋯襯，以將管熔 焊到不銹鋼管板上。不管不銹鋼管和鋯襯制造得多好，管的構件機械配合得多緊密，還是發(fā) 現(xiàn)了經(jīng)歷時間過程中腐蝕的尿素工作介質能夠穿過不銹鋼和鋯之間的小細縫，導致縫隙腐 蝕，最終滲入不銹鋼的外管。在某些具有這種設計的尿素汽提塔中，因這種理由管開始損 壞，尿素合成裝備必須停止運轉以進行檢修并導致大量的維修費用。
[0011] 還有另一種，最近發(fā)展的是一種適于尿素合成汽提塔管束用的設計，其包括固體 鋯汽提塔管，鋯包層管板和一種在所有內(nèi)部濕潤的表面上的爆炸結合的鋯包層。然而，給定 尿素合成裝備的費用，典型的是維修現(xiàn)存裝置的腐蝕部件比置換具有這種新的耐腐蝕設計 的裝備費用為少。對于包含固體鋯汽提塔管，鋯包層管板和濕潤表面上的鋯包層的汽提塔 裝置來說，部件置換可以是成本-有效的選擇方案，假若鈦包層汽提塔單元能用具有改進 耐腐蝕性的汽提塔管制造將會是有利的。這因為鈦包層汽提塔單元的制造費用比鋯包層顯 著的低。
[0012] 因此，有利的是提供一種適于尿素合成裝置的汽提塔管的改進設計。另外有利的 是提供一種以耐腐蝕置換汽提塔管的形式更新現(xiàn)存尿素合成裝置用的汽提塔的方法，同時 利用汽提塔的現(xiàn)存管板。
[0013] 更具體的是，提供一種適于在促進腐蝕條件下操作的裝置制品用的耐腐蝕流體傳 導部件的改進設計將是有利的。除了尿素合成裝置的汽提塔單元外，所述裝置的制品包括， 例如，其它化學處理裝置、冷凝器單元和熱交換裝置。另外有利的是，提供一種以耐腐蝕性 置換部件更新現(xiàn)存裝置的易于侵蝕和/或腐蝕部件的方法，其中置換部件是由耐腐蝕材料 如錯、錯合金、鈦、鈦合金和不銹鋼制造的。
[0014] 概述
[0015] 為了提供上述的優(yōu)點，按本發(fā)明的一個方面，提供適于置換具有裝配區(qū)域的裝置 制品的至少一種流體傳導部件的第一方法。第一方法包括提供一種含有耐腐蝕性第一材料 的流體傳導第一區(qū)域的置換部件，和一種包含與裝配區(qū)域材料相同或基本相同的第二材料 的流體傳導第二區(qū)域。第一區(qū)域和第二區(qū)域是通過固態(tài)焊接直接或間接結合，以便形成整 體的流體傳導置換部件。置換部件是通過一種包括將置換部件的第二區(qū)域的第二材料固定 到裝置制品的裝配區(qū)域的方法而固定到裝置制品上。
[0016] 在第一方法的某些非限制性實施方案中，置換部件選自圓柱形部件、管材、管道、 噴嘴、管端、管連接器、管道連接器、汽提塔管、熱交換器管和流體傳導部件。
[0017] 在第一方法的某些非限制性實施方案中，裝置制品是尿素合成裝置的汽提塔單 元，置換部件是汽提塔管，裝配區(qū)域是汽提塔管板區(qū)。
[0018] 在第一方法的某些非限制性實施方案中，置換部件通過包括將置換部件的第二區(qū) 域的第二材料焊接到裝置制品的裝配區(qū)域的方法而固定在裝置制品上。在第一方法的某些 非限制性實施方案中，使用例如選自自熱焊和使用填料金屬的熔焊焊接技術而把第二區(qū)域 的第二材料固定到裝配區(qū)域。
[0019] 在第一方法的某些非限定性實施方案中，將第一區(qū)域以直接或間接固態(tài)焊接到第 二區(qū)域，其包括選自冷焊、擴散焊接、爆炸焊接、鍛焊、摩擦焊、慣性焊、熱壓焊、滾焊和超聲 焊中的固態(tài)焊接技術。
[0020] 在第一方法的某些非限定性實施方案中，第一區(qū)域是單一材料且第二區(qū)域是單一 材料。在第一方法的某些非限定性實施方案中，耐腐蝕的第一材料是選自鋯、鋯合金、鈦、鈦 合金、鈮和鈮合金中的至少一種。在第一方法的某些非限定性實施方案中，第二材料選自 鈦、鈦合金、和不銹鋼。
[0021] 在第一方法的某些非限定性實施方案中，第二區(qū)域包括耐腐蝕材料的內(nèi)層和第二 材料的外層。在第一方法的某些非限定性實施方案中，方法包括熔合內(nèi)層和外層以形成第 二區(qū)域?？捎糜谌酆蟽?nèi)層和外層技術的一個非限定性實施例是擠壓結合。在第一方法的某 些非限定性實施方案中，冶金結合第二區(qū)域的內(nèi)層和外層形成第二區(qū)域。這種冶金結合方 法可包括，例如，進行至少一種選自擠壓結合、爆炸結合、熱等靜壓制和離心澆注的冶金結 合技術。在某些非限定性實施方案中，所述的內(nèi)層是一種選自鋯和鋯合金的材料，而外層是 一種選自鈦和鈦合金的材料。
[0022] 按照第一方法的另外非限制性實施方案，裝置制品是尿素合成裝置的汽提塔單 元，置換部件是汽提塔管，裝配區(qū)域是管板區(qū)，置換部件的第一區(qū)域是鋯，而置換部件的第 二區(qū)域包括選自鋯和鋯合金材料的內(nèi)層，和選自鈦和鈦合金材料的外層。
[0023] 在第一方法的某些實施方案中，裝置制品是尿素合成裝置的汽提塔單元；置換部 件是汽提塔管；裝配區(qū)域是管板區(qū)；置換部件的第一區(qū)域是鋯；而置換部件的第二區(qū)域包 括選自鋯和鋯合金材料的內(nèi)層，和選自鈦和鈦合金材料的外層。在這些實施方案中的某些， 將內(nèi)層通過包括例如選自擠壓結合、爆炸結合、熱等靜壓制和離心澆注技術中的至少一種 方法冶金結合到外層。在這些實施方案中的某些，通過直