轉(zhuǎn)化爐管材料的發(fā)展與選用

轉(zhuǎn)化爐的管系是轉(zhuǎn)化爐的核心，包括上集氣管、上尾管、轉(zhuǎn)化管、（下尾管）、下集氣支管、下集氣總管。下集氣總管根據(jù)制氫規(guī)模大小，一般采用熱壁集合管和冷壁集合管，制氫規(guī)模較小轉(zhuǎn)化爐設(shè)備，因出口集合管膨脹量不太大，不會(huì)造成下尾管設(shè)計(jì)上的困難，故常采用熱壁集合管。制氫規(guī)模較大轉(zhuǎn)化爐，其轉(zhuǎn)化爐出口集合管受熱膨脹量在300mm以上，因熱應(yīng)力產(chǎn)生較大的位移，單靠下尾管吸收是不可能的，生產(chǎn)過程中經(jīng)常有尾管接頭斷裂現(xiàn)象，而采用冷壁集合管可緩解這些矛盾。由于下集氣支管和下集氣總管采用帶襯里的全冷壁結(jié)構(gòu)，使外壁溫度降到200℃以下，大大減小了下集氣支管和自身的膨脹量，從而無需使用下尾管。

制氫轉(zhuǎn)化爐管由于管壁溫度很高，材質(zhì)一般為HP-40Nb。目前，設(shè)計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)化爐管已開始采用全冷壁集合管結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)化爐管采用下支承向上膨脹的結(jié)構(gòu)形式，其重量靠設(shè)置的彈簧懸吊，以減少熱態(tài)下管系的應(yīng)力。轉(zhuǎn)化爐管上部有兩根上集氣管，通過上尾管與轉(zhuǎn)化管連接，上尾管用于補(bǔ)償上集氣管與轉(zhuǎn)化管之間不同方向的位移。上集氣管和上尾管由于工作溫度較低（450~540℃），采用鉻鉬鋼，轉(zhuǎn)化爐管下部直接坐落在下集氣支管上。

轉(zhuǎn)化爐管材料的發(fā)展與選用

轉(zhuǎn)化爐管材料開發(fā)經(jīng)歷了幾個(gè)階段，最早使用材料為18Cr/8Ni系列，其使用的溫度和壓力都不高（600℃以下保證耐熱強(qiáng)度），后來對(duì)Cr和Ni的成分進(jìn)行多次調(diào)整試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)25Cr20Ni的熱強(qiáng)度比較好，為進(jìn)一步提高它的強(qiáng)度，把C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.1%提高到0.4%，開發(fā)出HK-40高溫離心鑄造爐管作為轉(zhuǎn)化管。在20世紀(jì)六、七十年代的烴類蒸汽轉(zhuǎn)化管幾乎都是用HK-40。當(dāng)初的轉(zhuǎn)化爐管不加工內(nèi)孔，管壁厚高達(dá)22mm，且薄厚不均勻，這不僅使?fàn)t管的內(nèi)應(yīng)力大、材料的重量大，且使成本居高不下，熱效率低，造成介質(zhì)轉(zhuǎn)化效率低下，后經(jīng)加工內(nèi)孔雖有了改善，而且使用一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)HK-40在800℃左右的溫度范圍操作易產(chǎn)生有害的σ相。為了減少σ相產(chǎn)生，后來又生產(chǎn)了改良型的HK-40mod。

到80年代又把用于乙烯裂解爐爐管材料的HP系列高溫合金用于烴類蒸汽轉(zhuǎn)化爐。HP耐熱合金是在HK系列基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其中Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了15%。Ni是強(qiáng)烈形成并穩(wěn)定奧氏體且擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素，在奧氏體不銹鋼中，隨著鎳含量的增加σ相形成的傾向顯著降低。在碳含量相同的條件下，HP比HK的共晶碳化物多，故使蠕變斷裂強(qiáng)度提高。該鋼的最高使用溫度可達(dá)1100℃。為了進(jìn)一步提高爐管的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度和高溫韌性，在HP的基礎(chǔ)上又添加了Nb，W，Mo和Ti等合金元素，形成了一系列合金爐管的鋼種牌號(hào)。其中HP-40Nb是目前制氫轉(zhuǎn)化爐使用較多的材料。

HP-40Nb中含有Nb和W，而HK-40中沒有這兩種元素。Nb和W元素能提高材料的滲碳性，增加溫度劇變時(shí)的抗裂性，從而提高材料的高溫韌性，HP-40Nb線膨脹系數(shù)較HK-40小，而導(dǎo)熱系數(shù)較HK-40高，從而提高了材料的抗熱沖擊性能。另外HP-40Nb中元素Nb，可以在合金基體中產(chǎn)生細(xì)小而均勻分布的Nb（C和N）化合物，大大提高了合金的高溫抗蠕變強(qiáng)度，在1000℃時(shí)的高溫強(qiáng)度比HK-40提高約80%。轉(zhuǎn)化爐管HP-40Nb和HK-40成分和性能，將表1，表2。

轉(zhuǎn)化爐爐管的壁溫分布見圖2。高溫段在下部，低溫段在上部，一般認(rèn)為溫度高，爐管容易損壞，而實(shí)際上爐管損壞都在中上部，在管內(nèi)轉(zhuǎn)化氣溫度600~800最易損壞。這是由于爐管外壁溫度高，內(nèi)壁溫度低，內(nèi)外壁的膨脹不一樣，使?fàn)t管產(chǎn)生了熱應(yīng)力，容易造成爐管損壞。下部雖然管壁溫度高，但由于內(nèi)外壁溫差小，因此沒有損壞。由此可見，高溫爐管的失效，溫度應(yīng)力是主要因素，溫差應(yīng)力大于由內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力。因此，目前高溫爐管的設(shè)計(jì)采取盡可能降低溫差應(yīng)力。在同樣的壓力和溫度水平下為了降低爐管的溫差應(yīng)力，最好的辦法是減少爐管的壁厚。目前，爐管的壁厚設(shè)計(jì)計(jì)算，是通過由拉森/米勒曲線求得材料的高溫持久強(qiáng)度來計(jì)算的。因此，為了降低爐管的壁厚，只有提高爐管材料的高溫持久強(qiáng)度。因此，這也是制氫轉(zhuǎn)化爐選擇HP-40Nb的原因。

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