渭河化肥厂（以下简称渭化）是以烟煤为原料采用水煤浆加压气化工艺年产30万吨合成氨，52万吨尿素的大型化肥生产企业。其中尿素工段的合成塔是尿素合成系统的核心部分，主要的作用是在高温（190℃）和高压（19MPa）下将二氧化碳和氨合成氨基甲酸铵（简称甲铵），甲铵经过脱水产生尿素晶粒。在这个过程中，但由于尿素甲酸铵混合液中含有多种离子，其在高温、高压下是强电解质，具有较强导电性，因此与尿素甲酸铵溶液接触的金属表面形成无数个微电池, 从而发生电化学腐蚀[1]；甲铵虽然作为中间产物，但是其甲铵液中的氰酸根(CNO-)有极强的还原性和去钝化作用，能破坏不锈钢表面的保护性钝化氧化膜，致使不锈钢发生强烈腐蚀而失效 [2]。此外，由于冷却水中有一定含量的氯离子，也会影响不锈钢的抗腐蚀性，如果出现氯离子局部区域富集则更会加剧腐蚀。另外，为防止尿素和甲铵液的结晶，一般会在法兰测量口增加蒸汽伴热和高压水冲洗，以防止膜片结晶影响测量，但通常无法完全避免结晶，此时晶粒会对膜片产生一定量的磨损。在尿素合成工艺过程中，为保证原料及产物的有序进出，需要测量合成塔中的尿素及甲铵等混合液的液位高度并实时予以监控；目前针对该测点的主要技术方案是变送器远传膜片双法兰的测量方式，远传膜片最常用的材料是316L，但由于尿素合成塔工况的强腐蚀性，316L无法满足该工况的要求，在实际生产中也发生过很多起因腐蚀失效的情况，腐蚀失效的周期一般都小于半年，而多数尿素厂的期望周期是一年（多数尿素厂的大修周期是一年），影响工厂的日常排产，故需考虑使用抗腐蚀性能更强的材料作为替代。渭化尿素工段的设计单位是日本东洋工程公司，在该液位测点采用日本某公司的远传膜片双法兰液位测量系统，其中法兰膜片材料为钽材，基体材料使用钛材，故远传密封法兰焊接结构非常复杂，中国的合资公司不能生产，需从日本进口，从而导致了成本和采购周期均难以满足实际生产的需求（实际使用证明，该应用中的钽膜片的寿命在一年左右，图1为渭化尿素合成塔尿素液位失效测点，图2左图为钽膜片腐蚀穿孔漏油失效，右图为膜片尿素结晶）。图1 渭化尿素合成塔液位失效测点 图2 钽膜片腐蚀穿孔及膜片尿素结晶双相不锈钢1) 双相不锈钢的定义双相不锈钢（以下简称双相钢），顾名思义，是一种含有两种铁相的不锈钢，两种相的分别为铁素体和奥氏体，且两种铁相的含量不低于30%，基于此成分，双相钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点，例如铁素体钢的抗腐蚀性以及奥氏体钢的易加工、易焊接及高韧性等。
图3 SAF2205 双相钢三维组织示意同时由于加入了更多的铬和钼元素，其抗应力腐蚀和孔蚀能力较奥氏体钢更强，而其抗氯离子腐蚀的能力也是普通奥氏体钢的两倍。双相钢还具有很高的机械强度，以SAF2507为例，其屈服强度不低于550MPa，而普通316L不低于170MPa，纯钽片材不低于138MPa，就这点而言，双相钢在抵抗尿素合成塔中的结晶晶粒磨损方面优于钽材，高机械强度也可以节省材料，减轻设备重量。考虑到高温会改变双相钢的金相组织，所以双相钢的使用温度一般不超过300℃，而-50℃是其脆性转变温度，故推荐的使用温度范围是-40℃~250℃[3]，符合尿素合成塔的工作温度。基于以上优点，双相钢凭借较高的性价比已经在各种化工行业中得到广泛的应用，但双相钢的种类很多，针对不同的应用钢种需有所改变，否则使用效果会大打折扣。2) 双相钢在尿素行业的应用早期的尿素行业以316L奥氏体不锈钢为主，随着材料科技以及尿素行业工艺的发展，出现了针对尿素行业使用的316 L 尿素级不锈钢。此后70年代瑞典的Sandvik推出了2RE69（25-22-2，25%Cr，22%Ni，2%Mo）型不锈钢，在世界范围内取得了广泛的应用，其中德国尿素生产商SKW的二氧化碳汽提塔管道采用就是该材料，并创造了连续使用36年的记录；日本三井东亚(株)推出了NTKR-4双相不锈钢。80年代Sandvik公司推出了尿素级的SAF2205和SAF2304两种双相不锈钢，进而Sandvik公司又推出了超级双相钢SAF2507。90年代，日本东洋工程公司在DP-3、DP-4的基础上研制出DP-12、R-5尿素级双相不锈钢，应用在其自行开发的ACES尿素工艺的汽提塔、甲铵冷凝器等设备上[4]；Sandvik公司和荷兰顶级尿素生产商Stamicarbon公司联合开发了Safurex双相不锈钢以替代尿素高压设备耐蚀材料，从1997年开始，逐步应用到了尿素工业的洗涤塔、汽提塔及冷凝塔上，并在2002年成为尿素合成行业的标准材料；与此同时日本东洋工程公司也推出了性能相近的DP28WTM。新型的Safurex与DP28WTM双相钢在性能上优于2507：耐腐蚀能力更强、焊缝组织的耐蚀性得到提高以及减少或消除了加工制造过程中相的形成[5]。表格1是常用的双相钢牌号对照表，表格2是各双相钢的成分以及机械性能对照表。我国在70、80年代开始在尿素行业研发和使用双相钢，国产的尿素级双相钢已经在国内有了较为广泛的应用，国产的00Cr25Ni6Mo2N钢可以通过Huey法的晶间腐蚀倾向检验，以用于黑龙江化肥厂，洞庭湖氮肥厂等大型化肥厂。国内中小化肥厂的甲铵泵泵体基本上采用18-5Mo钢制造，也有数十家采用的是高铬含铅双相钢；此外，采用国产0Cr25Ni6Mo3CuN时效强化双相钢，利用其耐磨损及腐蚀性，用于尿素装置主工艺管路多种规格的高压截止阀的内件等，效果不错。可见，双相钢在国内外尿素行业已经有了广泛的应用，并取得了良好的经济实用效果。表1 常用双相钢牌号对照表种类瑞典中国美国日本德国低合金SS2327(SAF2304)00Cr23Ni4NUNS S32304DP11W-Nr.1.4362中合金SS2376(3RE60)00Cr18Ni5Mo3Si2UNS S31500DP1W.Nr.1.4417SS2377(ASF2205)00Cr22Ni5Mo3NUNS S31803DP8W.Nr.1.4462高合金SS2324(10RE51)00Cr25Ni5Mo2UNS S32900DP6W.Nr.1.446000Cr25Ni7Mo3WCuNUNS S31260DP3W.Nr.1.4501超高合金SS2328(SAF2507)00Cr25Ni7Mo4NUNS S32750UR47N+W.Nr.1.441000Cr25Ni6Mo3CuNUNS S32550UR52N+W.Nr.1.4507SAFUREXUNS S32906UNS S32808DP28WTM
表2 常用双相钢化学成分及机械性能对照表牌号CrNiMoNW抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）硬度（HRB）SS2327(SAF2304)22.54.50.30.1630400SS2376(3RE60)18.54.52.60.07700-880450SS2377(ASF2205)21.5-235-6.53-3.50.15-0.2640460290SS2324(10RE51)2651.3620~800485SS2328(SAF2507)24-266-83-50.24800550310DP28WTM[6]27.0~27.98.20.8~1.20.3~0.42.1~2.5934647Safurex[7]28.0~30.05.8~7.51.5~2.60.3~0.4900725290艾默生双相钢远传膜片应用 针对渭化遇到的问题，艾默生依据客户现场的远传接口和实际工况，设计了一款超高合金双相钢远传膜片双法兰液位测量系统，满足了客户一年的使用寿命期望，并且使用效果良好；与客户之前使用的钽材远传膜片相比，艾默生过程管理罗斯蒙特业务提供的远传产品有以下优点：1. 性价比高，在满足客户一年使用周期的前提下，罗斯蒙特双相钢远传膜片双法兰液位测量系统与渭化之前使用的钽材远传膜片测量系统相比，价格下降了40%。2. 全球质量一致性，远传膜片测量系统各主要部件均为艾默生制造，产品质量的全球一致性是其他很多竞争对手无法比拟的，特别是对于远传膜片法兰的设计和生产，艾默生有严格的材料选择和焊接质量验证工艺，以保证达到预期的使用效果。3. 合理的采购周期，艾默生基于全球快速物流系统将之前三个月的采购周期缩短为一个月。结论双相钢以其优越的性价比已经在尿素行业得到了广泛使用，艾默生过程管理针对渭化尿素合成塔液位设计的双相钢远传膜片双法兰液位测量系统取得了良好的使用效果，对于远传膜片测量技术在尿素行业中的应用有很好的借鉴意义。
