化学工业在国民经济中占有很重要的地位，其发展水平已成为衡量经济实力和技术水平的重要标志之一，人们的衣、食、住、行均离不了化工产品。在我国经过了最近二十多年来的发展已具有相当规模和基础。 在“十一五计划”期间事关农业发展的化肥、农药等仍要有大的发展，但化学工业面临产品结构新的调整，工程塑料、涂料及各类精细化工产品将成为新的发展重点。这些产品生产的特点是产品质量的高标准和生产装置的大型化、高效化（加压和高温），因而化工装置中不锈钢的应用更为广泛，而且根据生产系统的特点提出了不同的技术要求。 农用化肥仍将有大发展，于近年工业及基础设置的大发展，我国的耕地面积有所减少，我国人均耕地面条相对很小，要以世界9%可耕地面积来养活23%的世界人口是一个是严重的问题，据最近资料介绍2006年化肥产量比上年同期增长23.6%。化肥中的N：P：K=1：0.4：0.3，氮肥将重点发展尿素。最近三个月中，国际尿素价格从220美元/吨涨到362美元/吨，可说明其紧缺状况，工程塑料中的聚碳酸酯生产装置为了不允许有铁离子的污染，整生产系统均采用316L不锈钢。 下文将就不锈钢在尿素和工程塑料生产装置应用中存在的问题作进一步探讨： （1）尿素生产用不锈钢 尿素是一种高效氮肥（含氮量为46.65%）。按含氮量来比，尿素是硝酸铵的1.3倍，硫酸铵的3.2倍，碳酸氢铵的2.6倍。 从上世纪八十年代起我国引进了很多具有国际先进水来的大型合成氨和尿素生产装置，在掌握各种先进技术的基础上，再加上吸纳国内自行开发的技术，融汇成大型尿素生产装置的能耗水平赶上了国际同类装置的先进水平，但我国大量的中小型尿素装置的能耗水平为大型装置的4~5倍，如大型装置用电仅为30度/吨尿素，而小型装置达160度/吨尿素，因而在“十一五计划”期间均要对小型厂进行节能扩产改造，2010年前有400万吨/年尿素装置的扩建规模，同时一些引进的大型尿素装置在使用30年后也要进行设备的更新和技术改进。 每新建一套大型尿素装置大约需要不锈钢~320吨，其中OOCr25Ni22Mo约60吨，其余为316L（尿素级）~260吨。 由于尿素生产装置中的介质是尿素及其中间产物（氨基甲酸铵），在高温（100~200oc）及高压（10~11MPa）下操作，其腐蚀性非常强烈，高压下操作更为危险，因而对尿素用不锈钢提出了如下严格的附加要求： （a）对OOCr17Ni14MO2 （ⅰ）化学成份：C≤0.03%，Cr≥17%，Ni≥13%，Mo≥2.2% （ⅱ）铁素体含量 ≤0.6% （ⅲ）休氏（Huey）晶间腐蚀倾向检验，5个周期的平均腐蚀率≤3.3μm/48小时 （ⅳ）选择性腐蚀检验，选择性腐蚀深度，垂直于轧制或锻造方向的最大深度≤70μm，平行于轧制和锻造方向的最大深度≤200μm。 （b）OOCr25Ni22Mo2N 是尿素装置中用于CO2或NH3汽提塔的列管材质，是尿素装置中腐蚀最为严重的部位，由于设备在200oc和16MPa条件下操作，因而在化学成份和机械性能上均有严格的附加要求： （ⅰ）化学成份：C≤0.02%，Cr=24.5~25.5%，Ni=21.5~22.5% Mo=1.9~2.3%， N=0.10~0.14%，Mn=1.5~2.0% P≤0.020%， S≤0.015%， Si≤0.40% （ⅱ）铁素体含量 ≤0.6% （ⅲ）休氏（Huey）晶间腐蚀倾向检验，5个周期的平均腐蚀率≤1.5μm/48小时 （ⅳ）力学性能：20oC时，δb≥530 N/mm2，δ0.2≥255 N/mm2，δ5≥30% 230 oC时，δ0.2≥206 N/mm2 （ⅴ）选择性腐蚀检验 任何方向的最大选择性腐蚀深度≤100μm （2）904L 不锈钢 904L不锈钢是二十世纪70年代开发的一种超级奥氏体不锈钢，该钢的含C≤0.02%，对冶炼技术要求很高，因而只有在70年代初氩一氧脱碳精炼技术（AOD）得到应用和推广后才开发出来并在工程中得到应用。 904L具有良好的抗点腐蚀和缝隙腐蚀的能力；有很高的抗应力腐蚀破裂的能力；良好的抗晶间腐蚀的能力；良好的可加工性和可焊性。该钢适用于稀硫酸，磷酸和多种混合酸。 由于该钢的价格昂贵（~是316L的1.5倍），故在设计中如何正确选用相应的许用 应力是一个很重要的问题，在GB150-1998表4-1~表4-3中没有推荐904L的许用应力值；而按GB150-1998表3-1的规定，对高合金钢的许用应用值取[δ]L=δb/3.0或[δ]. =δ0.2/1.5,取两值中的较小值。 但对奥氏体高合金钢的受压元件，当设计温度力低于蠕变温度，且允许有微量的永久变形时，可适当提高许用应力值至0.9δt0.2，但不超过δ0.2/1.5，按此规定就得到了表4-1中所规定的高、低两种许用应力值，现就OCr18Ni12Mo2Ti（或OCr17Ni12Mo2）的许用应力值概述如下： 设计温度OC | 20 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | [δ]L低许用应力值Mpa | 137 | 117 | 107 | 99 | 93 | 87 | δ0.2 Mpa | 205 | 175 | 161 | 149 | 139 | 131 | [δ]H高许用应力值Mpa | 137 | 137 | 137 | 134 | 125 | 118 | [δ]H的实际安全系数n,s | 1．5 | 1．27 | 1．175 | 1．112 | 1．112 | 1．111 |
在用奥氏体不锈钢制造的压力容器设计中，几乎都采用了[δ]H来作为许用应力,并具有足够的安全性，因而用实际的安全系数n’s以求取同类超级奥氏体不锈钢904L的许用应力值是[δ]H合理的。 904L（DIN 1.4539） 设计温度 | OC | 20 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | [δ]L | Mpa | 160 | 137 | 127 | 117 | 107 | 97 | δ0.2 | Mpa | 240 | 205 | 190 | 175 | 160 | 145 | [δ]H | Mpa | 160 | 160 | 160 | 157 | 143 | 131 | {[δ]H-[δ]L}/[δ]L | % | 无变化 | 16.7 | 20.6 | 34.2 | 33.6 | 35 |
结论：在一般设计温度为200 OC时，当压力容器的壁厚由强度计算控制时，可节约材料费用~34%，故采用高许用应力值有很高的经济价值。 （3）304、316型不锈钢可按双牌号不锈钢进行设计和生产 什么叫双牌号不锈钢?即304L改为304L/304，316L改为316L/316,也就是化学成份符合304L和316L，而力学性能可按304和316来选取。 在GB150-1998表4-1中304L，304，316L，316各有不同的许用应力值，但近年来由于不锈钢冶炼技术的进展，超低碳不锈钢的力学性能已有了很大的提高，数年前瑞典Avesta公司已将304L以双牌号不锈钢304L/304供应钢材市场，其价格按304L来计算。 二年前通过收集和整理国内外各不锈钢厂生产的316L的质量证明书，无一例外地发现：大部份316L的含碳量均≤0.025%，б0.2均高316L的标准值，也高于316的标准值，因而对304和316型奥氏体不锈钢采用双牌号在技术是可行的，经济上更是合理的。 现将有关数据列于下表,以便对照： 牌号 | CO% | δb Mpa | δO.2 Mpa | δ5% | [δ] Mpa 200OC | 316L（标准值) (OOCr17Ni14Mo2) | ≤0.03 | 485 | 170 | 40 | 108 | 316L(实际值) (OOCr17Ni14Mo2) | （ⅰ） | 0.018 | 630 | 369 | 45 | 完全可按GB150-1998表4-1规定316L的[δ] [值=134 Mpa | （ⅱ） | 0.022 | 595 | 362 | 56 | （ⅲ） | 0.016 | 600 | 352 | 47 | （ⅳ） | 0.025 | 597 | 272 | 53 | （ⅴ） | 0.03 | 535 | 281 | 49 | （ⅵ） | 0.024 | 605 | 278 | 56 | 316（标准值）
(OCr17Ni12Mo2) | ≤0.08 | 515 | 205 | 40 | 134 |
结论：对于由强度计算决定壁厚的压力容器具有下列节约效果 304L/304 比原来按304L的标准[δ]值计算的壁厚减薄18% 压力容器价格降低~10%。 316L/316 比原来按316L的标准[б]值计算的壁厚减薄24% 压力容器价格降低~16%。 （4）如何提高不锈钢的强度问题 随着化学工业的进一步发展常用奥氏体不锈钢的需求量越来越大，但其昂贵的价格和较低的力学性能制约了该类压力容器经济效益的提高，如何提高（GB）标准中不锈钢的力学性能是一个很迫切、须要解决的问题，下文通过对国内外常用316型不锈钢化学成份和力学性能的对比来寻找解决的途径。 (ⅰ）化学成份：% | 牌号 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | 其它 | DIN | 1.4401/ X5CrNiMo17-12-2 | ≤0.007 | ≤1.0 | ≤2.0 | ≤0.045 | ≤0.015 | 16.5~ 18.5 | 10.0~13.0 | 2.0~2.5 | N≤0.11 | ASME | 316 | ≤0.008 | ≤0.75 | ≤2.0 | ≤0.045 | ≤0.030 | 16.0~ 18.0 | 10.0~14.0 | 2.0~3.0 | N≤0.1 | GB | OOCr17Ni 12Mo2 | ≤0.08 | ≤1.0 | ≤2.0 | ≤0.035 | ≤0.030 | 16.0~ 18.0 | 10.0~14.0 | 2.0~3.0 | | DIN | 1.4404/ X2CrNiMo17-12-2 | ≤0.03 | ≤1.0 | ≤2.0 | ≤0.045 | ≤0.015 | 16.5~ 18.5 | 10.0~13.0 | 2.0~2.5 | N≤0.11 | ASME | 316L | ≤0.03 | ≤0.75 | ≤2.0 | ≤0.045 | ≤0.030 | 16.0~ 18.0 | 10.0~14.0 | 2.0~3.0 | N≤0.10 | GB | OOCr17Ni 14Mo2 | ≤0.03 | ≤1.0 | ≤2.0 | ≤0.035 | ≤0.030 | 16.0~ 18.0 | 12.0~14.0 | 2.0~3.0 | | DIN | 1.4571/ X6CrNiMoTi17-12-2 | ≤0.08 | ≤1.0 | ≤2.0 | ≤0.045 | ≤0.015 | 16.5~ 18.5 | 10.5~13.5 | 2.0~2.5 | Ti=5XC≤0.7 | ASME | 316Ti | ≤0.08 | ≤0.75 | ≤2.0 | ≤0.045 | ≤0.030 | 16.0~ 18.0 | 10.0~14.0 | 2.0~3.0 | N≤0.10 Ti=5XC≤0.7 | GB | OOCr18Ni12Mo2Ti | ≤0.08 | ≤1.0 | ≤2.0 | ≤0.035 | ≤0.030 | 16.0~ 190 | 11.0~14.0 | 1.8~2.5 | Ti=5XC≤0.7 |
(ⅱ)力学性能 牌号 | δ0.2 20oc Mpa | δ0.2 200oc Mpa | δb 20oc Mpa | δδ5% | DIN | 1.4401/x5CrNiMo17-12-2 | ≥210 | ≥147 | 530~680 | ≥40 | ASME | 316 | ≥205 | | ≥515 | ≥40 | GB | OOCr17Ni12Mo2 | ≥205 | ≥149 | ≥520 | ≥40 | DIN | 1.4401/x2CrNiMo17-12-2 | ≥240 | ≥137 | 530~680 | ≥40 | ASME | 316 | ≥170 | | ≥485 | ≥40 | GB | OOCr17Ni14Mo2 | ≥177 | ≥120 | ≥480 | ≥40 | DIN | 1.4571/x6CrNiMoTi17-12-2 | ≥240 | ≥167 | 540~690 | ≥40 | ASME | 316Ti | ≥205 | | ≥515 | ≥40 | GB | OOCr18Ni12Mo2Ti | ≥205 | ≥149 | ≥530 | ≥37 |
从上述两张对照表中可得到下列改进途径： （a）在不锈钢压力容器设计中，200OC时的δ0.2作为许用应力计算的基础，但在C,Cr,Ni,Mo元素相同的情况下，GB标准中的力学性能一般均低于DIN标准，这是GB4237-92采用了上世纪八十年代的技术指标，而近年来我国新建设的一些不锈钢生产装置均具有当今世界先进的技术水平，致使实际产品的力学性能数据一般均高于标准值6%，因而若不对标准值作出相应变更是一个很大的浪费。 （b）在DIN和ASME标准中均以N作为强化元素，使不锈钢的耐腐蚀性能和力学性能均得到很大的提高，从PRE值（耐点腐蚀能力当量）中可以看出N元素的耐蚀能力是Cr的16倍，Mo的5倍，在尿素级不锈钢中也采取了增加N含量，以提高耐蚀和力学性能,并取得了很好的效果。 但在我国GB标准中对316L(00Cr17Ni14Mo2)却以提高Ni含量(下限由10%增至12%)这是不可取的,因为Ni的资源比较紧缺,减少使用才是上策. （C）DIN 1.4571/X6CrNiMoTi 17-12-2是将含C量控制在≤0.08%，并提高Cr,Ni元素的下限0.5%，作为力学性能的强化元素，再添加≤0.7%Ti作为稳定化元素以提高焊缝区的耐腐蚀性能。 该不锈钢具有一定的耐蚀性能，但力学性能得到了很大的提高，200OC的δ0.2比316L（OOCr17Ni14Mo2）提高了~40%，因而广泛应用于介质的腐蚀性不太强，但设计压力和设备直径较大的场合，故在工程塑料和精细化工产品的大型生产装置中得到了广泛的使用。 | 
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