制氫轉(zhuǎn)化爐下豬尾管再生處理應(yīng)用探討

宮樂磊，程貴健

（中國石油大慶石化公司煉油廠，黑龍江大慶163711）

某石化公司煉油廠加氫二車間制氫裝置設(shè)計產(chǎn)氫能力為4×104m3/h，操作時間8 000 h/a。制氫裝置是以烴類水蒸汽法制氫，主要原料有大慶油田所產(chǎn)的油田氣、加氫裂化裝置所產(chǎn)的加氫裂化干氣、加氫精制裝置所產(chǎn)的加氫精制干氣及加氫裂化低分氣、加氫精制低分氣與重整氫PSA提濃解吸氣和水蒸汽。經(jīng)原料濕法脫硫部分、精制部分、反應(yīng)部分、PSA提純部分等工藝過程，生產(chǎn)出純度為99.9%的工業(yè)氫氣［1～3］。

1 存在問題

制氫轉(zhuǎn)化爐于2004年8月28日投運，截至2018年檢修期已運行14 a。2018年8月10日檢修期間，爐管3-28、3-33、3-40下豬尾管與爐管加強頭焊縫位置發(fā)生斷裂，8月13日1-37相同位置發(fā)生斷裂。為查找斷裂原因，對尾管及加強頭表面著色滲透探傷，檢測無問題。8月12日對斷裂位置加強頭及豬尾管做滲碳檢測，其中斷裂尾管3-28滲碳最高值170，3-33滲碳最高值310，3-40滲碳最高值274，1-37滲碳最高值201，在與其它尾管檢測值對比后發(fā)現(xiàn)，斷裂的豬尾管滲碳情況較嚴重。發(fā)生形變而未斷裂的豬尾管滲碳值均在120以下。

管材出現(xiàn)滲碳后，使?jié)B碳區(qū)域內(nèi)的顯微組織發(fā)生變化，主要表現(xiàn)在碳化物增多且粗大。碳沿爐管內(nèi)表面向基體內(nèi)部擴散滲入，形成大量密度較低的碳化物。由于滲碳層與非滲碳層膨脹量不同，將在層間引起很大的內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力的作用及滲碳層晶界強度的相對降低，會導致開裂［4］。滲碳可使尾管材料性能發(fā)生變化，機械性能降低，蠕變強度和韌性降低，因此會發(fā)生提前失效或破壞。

在對所有豬尾管及加強頭做滲碳檢測后，檢測結(jié)果為滲碳值＞140共73根，滲碳值＞150共55根。下豬尾管備件共有55根，全部更換還存在129根缺口。經(jīng)研究將存在問題的下豬尾管送至中國科學院重金屬研究所做固溶再生處理，恢復其機械性能，其工藝為：通過將尾管加熱到1 150℃，保溫30 min，可以使析出的脆性相重新固溶到母材中去，可使碳化物分解擴散，分散滲碳層中的碳原子，降低滲碳層中的碳含量，使不均勻的成分擴散達到均勻，細化晶粒，提高滲碳層晶界強度，改善焊接性能，提高其機械性能。使固溶再生處理后的下豬尾管正常使用，確保制氫裝置檢修能夠順利完成，能夠按時開工，為相應(yīng)裝置提供氫氣。

2 固溶再生處理過程

2.1 化學成分分析

首先需要對固溶前的豬尾管進行化學分析，分析結(jié)果見表1。

表1 固溶前豬尾管的化學分析結(jié)果

2.2 固溶再生處理

固溶再生處理采用大型真空熱處理爐，對豬尾管進行固溶處理，溫度為1 170℃。要求：分段升溫，然后通氬氣快速冷卻。單爐裝80根豬尾管。

熱處理時相關(guān)技術(shù)要求：（1）熱處理前對需要固溶處理的爐管進行噴砂處理，清除表面及內(nèi)部油污及酸堿鹽等，并用吸塵器清除表面灰塵；（2）在真空氣氛下加熱，真空度要求0.1 Pa以下；（3）熱處理前準備好工裝等必要用品，保證工件要平放在支架上，不要有部分懸空，以防在高溫加熱下爐管出現(xiàn)變形；（4）升溫過程中要求分段升溫，速率要求：20～650℃升溫速率小于200℃；在650℃時保溫20 min；650～1 170℃升溫速率小于100℃；在1 170℃保溫30 min；（5）保溫完成后快速冷卻至室溫，通高壓氬氣冷卻。出爐溫度小于50℃。

2.3 金相組織觀察

取固溶處理前后的豬尾管各1段，觀察橫截面的金相組織，重點對比內(nèi)外表面氧化層情況和組織晶粒度的變化及晶界和晶內(nèi)析出的碳化物。通過對比發(fā)現(xiàn)固溶前和固溶后的氧化層厚度無明顯變化，但固溶后晶界上的碳化物明顯減少，晶粒內(nèi)已無明顯碳化物，晶粒度由4.5級變化為4.0級。

2.4 室溫及高溫拉伸和掃描電鏡斷口觀察

取固溶前和固溶后部分尾管管段，加工成全壁厚、寬10 mm原管截面、有效長度60 mm拉伸試樣。在AG-100KNG和AG-X 250KN試驗機上分別做室溫和760℃(保溫10 min)拉伸檢測。拉伸試驗結(jié)果均值見表2。

表2 拉伸測試結(jié)果

3 分析和討論

800H合金在高達500℃的極高溫的水性介質(zhì)中具有很好的抗腐蝕性、抗應(yīng)力腐蝕性、抗敏化性、抗晶間腐蝕性和很好的加工性。但操作溫度、介質(zhì)環(huán)境及質(zhì)量也會導致其蠕變、劣化。

通過固溶再生處理析出的碳化物得以固溶回基體當中，恢復材料的原有的部分特性，但表面無法恢復到最初的加工狀態(tài)［5］。有效壁厚由原來的3.4 mm減少到3.0 mm（內(nèi)外裂紋層約0.4 mm）。鋼管水壓試驗壓力按下式計算：

式中P—試驗壓力，MPa；S—鋼管的壁厚，mm；D—鋼管的外徑，mm；t—鋼管材料屈服強度的60%，MPa。

根據(jù)公式：壁厚S減少0.4 mm，使抗壓的能力與原來相比減小了11.7%。

4 結(jié)束語

Incoloy 800H材質(zhì)的豬尾管的固溶處理再生是可有效恢復材料的抗高溫氧化性能，對形成深度氧化裂紋的豬尾管需做固溶處理進行再生。在使用條件嚴格的條件（如壓力、腐蝕性介質(zhì)）下，不建議固溶再生處理。