一種新型耐腐蝕加氫用高壓熱電偶的研制

裴炳安,丁錫端

(1.中國石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司,河南洛陽 471003;2.杭州富陽富春江儀表廠,杭州 311413)

儀器儀表與應(yīng)用

一種新型耐腐蝕加氫用高壓熱電偶的研制

裴炳安1,丁錫端2

(1.中國石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司,河南洛陽 471003;2.杭州富陽富春江儀表廠,杭州 311413)

針對(duì)石油化工企業(yè)加工高含硫原油的特點(diǎn),分析了加氫裝置臨氫場所金屬易產(chǎn)生氫脆和硫化腐蝕的原因和機(jī)理,介紹了一種整體成型的新型耐腐蝕高壓熱電偶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工業(yè)應(yīng)用情況。提出了通過研制開發(fā)新型耐腐蝕不銹鋼材料,改進(jìn)熱電偶外保護(hù)管制造工藝,熱電偶保護(hù)管外表面采用復(fù)合陶瓷改性處理等,提高加氫裝置中高壓熱電偶的耐氫脆、抗硫化氫腐蝕性能和使用壽命。

高壓熱電偶;氫脆;硫化腐蝕;整體成型;復(fù)合陶瓷

0 引 言

在煉油化工生產(chǎn)過程中,特別是在加工高含硫原油的加氫裝置中,有很多高溫(400℃以上)、高壓(ANSI1500 lbf以上,1 lbf≈4.448 N)、易產(chǎn)生氫脆和硫化腐蝕的惡劣環(huán)境,這種場所使用的熱電偶極易損壞,主要原因:a)金屬中的過飽和氫在缺陷部位富集、析出并結(jié)合為氫分子,形成的內(nèi)壓降低了裂紋形成和擴(kuò)展所需的應(yīng)力;b)氫吸附在顯微裂紋表面或其他缺陷表面,使裂紋擴(kuò)展所需能量下降,加速了裂紋擴(kuò)展速率;c)處于晶格點(diǎn)陣中的氫使金屬原子間結(jié)合力下降,致使材料在較低應(yīng)力下即可斷裂;d)氫擴(kuò)散促使裂紋局部塑性變形量增大,導(dǎo)致裂紋加速擴(kuò)展。因此,當(dāng)材料中偏聚的氫濃度達(dá)到臨界值時(shí),在一定條件下將導(dǎo)致材料的脆化(氫脆)和氫損傷。

此外,在加工過程中,原料中的硫化物經(jīng)常會(huì)分解出 H2S,在某些場合,H2S與其他化學(xué)物質(zhì),如Cl-,O2,CO2,HCl,HCN,H2,S,SO2等相互作用,加劇了腐蝕環(huán)境的影響程度。金屬材料受H2S腐蝕的形式多種多樣,包括均勻腐蝕、坑蝕、氫鼓泡、氫誘發(fā)的階梯腐蝕裂紋及氫脆、硫化物引起的應(yīng)力腐蝕破裂等。在高溫、高壓和臨氫條件下,當(dāng)氫蝕和H2S腐蝕同時(shí)存在時(shí),造成的危害更為嚴(yán)重。

該文從熱電偶外保護(hù)管的制造材料、加工方法和表面防腐處理技術(shù)等方面,詳細(xì)介紹了新型耐腐蝕加氫用高壓熱電偶的研制和技術(shù)特點(diǎn)。

1 新型耐腐蝕加氫用高壓熱電偶的研制

1.1 外保護(hù)管采用新型不銹鋼合金材料

為了解決常規(guī)不銹鋼耐高溫、耐腐蝕性能差等問題,開發(fā)了鎳、鉻、鉬、鈮、鈷、鋁、硅和微量釔等元素構(gòu)成的新型不銹鋼材料。新材料以鎳、鉻、鈮、釔為高溫基礎(chǔ)元素,用元素鈷細(xì)化金屬顆粒,提高了鉬、鋁元素的比例(鋁元素是抗S和 H2S腐蝕的理想材料),通過優(yōu)化不銹鋼中各元素的組成,調(diào)整能形成穩(wěn)定碳化物元素的比例,研制成功了能夠降低碳?xì)浠戏磻?yīng)和反應(yīng)速率、減少氫溶解度和在Fe晶格中擴(kuò)散系數(shù)的新型不銹鋼材料。實(shí)驗(yàn)證明:采用新型不銹鋼材料制成的熱電偶外保護(hù)管,在1 100℃高溫下仍有很高的強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性。

1.2 連接法蘭和外保護(hù)管采用整體成型技術(shù)

熱電偶過程連接法蘭和外保護(hù)管一般采用焊接式結(jié)構(gòu)。由于焊接時(shí)焊縫組織和熱影響區(qū)域晶粒比較粗大和不均勻,而且焊縫中含有較多的Mn,Si等元素,硬度較高,因此,在焊接殘余應(yīng)力和焊接過程帶入的氫誘發(fā)延遲裂紋的共同作用下,焊縫區(qū)域成為發(fā)生應(yīng)力腐蝕最敏感的部位。為了從結(jié)構(gòu)上克服焊接時(shí)焊縫區(qū)性能較差的先天不足,采用了熱電偶連接法蘭和外保護(hù)管整體成型技術(shù),如圖1所示。

熱電偶連接法蘭和外保護(hù)管整體成型的技術(shù)難點(diǎn)是深盲鉆孔問題,用普通機(jī)床在一根長度500 mm,直徑φ35 mm、前端帶有法蘭蓋的實(shí)心鋼棒中心(如圖1所示)鉆一個(gè)φ8.5 mm的盲孔,且尾部同心度偏差不大于0.20 mm,存在以下難題: a)加工過程中無法觀察刀具的磨損和工作狀況; b)切削熱不易散失;c)加工時(shí)產(chǎn)生的鉆屑難以排泄,如遇阻塞容易造成刀具急劇磨損甚至報(bào)廢; d)刀具長度有限,被加工工件的尺寸受限制; e)加工同心度難保證。為了解決這些難題,經(jīng)過無數(shù)次反復(fù)試驗(yàn),研制成功了專用的“工件倒置升降裝置”,通過采用正反雙向旋轉(zhuǎn)加工,鉆桿定位護(hù)套和空心鉆桿注液等技術(shù),成功解決了深盲鉆孔問題,加工的帶法蘭蓋熱電偶外保護(hù)管完全達(dá)到了預(yù)期設(shè)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

圖1 熱電偶連接法蘭和外保護(hù)管整體成型

1.3 采用整體模型鍛壓及固溶處理新技術(shù)

熱電偶連接法蘭和外保護(hù)管為異型結(jié)構(gòu),形狀比較復(fù)雜,各部分截面變化很大,試驗(yàn)證明:采用普通鍛壓工藝難以制造形狀如此復(fù)雜的坯料,精密鑄造無法解決冶煉時(shí)產(chǎn)生的過渡處致密性較低及高壓滲漏等問題。為了提高法蘭和外保護(hù)管結(jié)合部的強(qiáng)度和韌性,采用了粗鍛+成型+精密模型鍛壓等工藝對(duì)坯料進(jìn)行應(yīng)力加工,系統(tǒng)試驗(yàn)了不同工序下的變形溫度、速率、程度,以及鍛壓后坯料的固溶處理溫度、保溫時(shí)間和冷卻條件等,加工成形的坯料幾何尺寸精確、晶粒組織均勻、力學(xué)性能優(yōu)良,從根本上避免了采用焊接結(jié)構(gòu)時(shí)在焊接區(qū)易發(fā)生氫脆和斷裂等問題。

1.4 采用復(fù)合陶瓷改性處理工藝

為了提高熱電偶的抗氫脆和耐腐蝕性能,熱電偶連接法蘭和外保護(hù)管表面采用了抗氫脆、抗硫化氫腐蝕的復(fù)合陶瓷改性處理工藝。即:先將高溫鋁溶液涂于法蘭底部和熱電偶外保護(hù)管,然后再均勻噴涂一層三氧化二鋁粉末,通過激光掃描燒結(jié),使涂層與母體冶金融合,達(dá)到納米陶瓷效果,形成耐高溫、耐氫脆、耐腐蝕保護(hù)層,有效隔絕介質(zhì)與部件基體的直接接觸,延長了熱電偶的使用壽命。

1.5 新型耐腐蝕加氫用高壓熱電偶的技術(shù)指標(biāo)

a)溫度范圍:700～1 100℃。

b)使用壓力:ANSI1 500 lbf～ANSI2 500 lbf。

c)使用場所:高溫高壓、臨氫、腐蝕性環(huán)境等。

2 結(jié)束語

目前國內(nèi)外生產(chǎn)的各種熱電偶都采用過程連接法蘭和外保護(hù)管焊接連接形式,新型耐腐蝕加氫用高壓熱電偶采用整體成型結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接形式,解決了熱電偶連接法蘭和外保護(hù)管結(jié)合部在高溫、高壓環(huán)境下易氫脆開裂和腐蝕等問題。通過采用新型不銹鋼合金材料和表面復(fù)合陶瓷改性處理工藝,延長了熱電偶在高溫、高壓和臨氫環(huán)境下的使用壽命,經(jīng)中國石油化工股份有限公司洛陽分公司、石家莊分公司、鎮(zhèn)海煉化公司和中石油大連石化分公司等多家石化企業(yè)試用,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效果良好,解決了長期困擾生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)難題,滿足了加氫裝置安全、平穩(wěn)和長周期運(yùn)行的生產(chǎn)要求。

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1007-7324(2010)06-0059-02

2010-09-11(修改稿)。

裴炳安(1965—),男,河南洛陽人,1985年畢業(yè)于華南理工大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化專業(yè),長期從事自控工程設(shè)計(jì)和管理工作,現(xiàn)任中國石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司副總工程師,儀電室主任。