制氢转化炉下猪尾管再生处理应用探讨

宫乐磊，程贵健

（中国石油大庆石化公司炼油厂，黑龙江大庆163711）

某石化公司炼油厂加氢二车间制氢装置设计产氢能力为4×104m3/h，操作时间8 000 h/a。制氢装置是以烃类水蒸汽法制氢，主要原料有大庆油田所产的油田气、加氢裂化装置所产的加氢裂化干气、加氢精制装置所产的加氢精制干气及加氢裂化低分气、加氢精制低分气与重整氢PSA提浓解吸气和水蒸汽。经原料湿法脱硫部分、精制部分、反应部分、PSA提纯部分等工艺过程，生产出纯度为99.9%的工业氢气［1～3］。

1 存在问题

制氢转化炉于2004年8月28日投运，截至2018年检修期已运行14 a。2018年8月10日检修期间，炉管3-28、3-33、3-40下猪尾管与炉管加强头焊缝位置发生断裂，8月13日1-37相同位置发生断裂。为查找断裂原因，对尾管及加强头表面着色渗透探伤，检测无问题。8月12日对断裂位置加强头及猪尾管做渗碳检测，其中断裂尾管3-28渗碳最高值170，3-33渗碳最高值310，3-40渗碳最高值274，1-37渗碳最高值201，在与其它尾管检测值对比后发现，断裂的猪尾管渗碳情况较严重。发生形变而未断裂的猪尾管渗碳值均在120以下。

管材出现渗碳后，使渗碳区域内的显微组织发生变化，主要表现在碳化物增多且粗大。碳沿炉管内表面向基体内部扩散渗入，形成大量密度较低的碳化物。由于渗碳层与非渗碳层膨胀量不同，将在层间引起很大的内应力，内应力的作用及渗碳层晶界强度的相对降低，会导致开裂［4］。渗碳可使尾管材料性能发生变化，机械性能降低，蠕变强度和韧性降低，因此会发生提前失效或破坏。

在对所有猪尾管及加强头做渗碳检测后，检测结果为渗碳值＞140共73根，渗碳值＞150共55根。下猪尾管备件共有55根，全部更换还存在129根缺口。经研究将存在问题的下猪尾管送至中国科学院重金属研究所做固溶再生处理，恢复其机械性能，其工艺为：通过将尾管加热到1 150℃，保温30 min，可以使析出的脆性相重新固溶到母材中去，可使碳化物分解扩散，分散渗碳层中的碳原子，降低渗碳层中的碳含量，使不均匀的成分扩散达到均匀，细化晶粒，提高渗碳层晶界强度，改善焊接性能，提高其机械性能。使固溶再生处理后的下猪尾管正常使用，确保制氢装置检修能够顺利完成，能够按时开工，为相应装置提供氢气。

2 固溶再生处理过程

2.1 化学成分分析

首先需要对固溶前的猪尾管进行化学分析，分析结果见表1。

表1 固溶前猪尾管的化学分析结果

2.2 固溶再生处理

固溶再生处理采用大型真空热处理炉，对猪尾管进行固溶处理，温度为1 170℃。要求：分段升温，然后通氩气快速冷却。单炉装80根猪尾管。

热处理时相关技术要求：（1）热处理前对需要固溶处理的炉管进行喷砂处理，清除表面及内部油污及酸碱盐等，并用吸尘器清除表面灰尘；（2）在真空气氛下加热，真空度要求0.1 Pa以下；（3）热处理前准备好工装等必要用品，保证工件要平放在支架上，不要有部分悬空，以防在高温加热下炉管出现变形；（4）升温过程中要求分段升温，速率要求：20～650℃升温速率小于200℃；在650℃时保温20 min；650～1 170℃升温速率小于100℃；在1 170℃保温30 min；（5）保温完成后快速冷却至室温，通高压氩气冷却。出炉温度小于50℃。

2.3 金相组织观察

取固溶处理前后的猪尾管各1段，观察横截面的金相组织，重点对比内外表面氧化层情况和组织晶粒度的变化及晶界和晶内析出的碳化物。通过对比发现固溶前和固溶后的氧化层厚度无明显变化，但固溶后晶界上的碳化物明显减少，晶粒内已无明显碳化物，晶粒度由4.5级变化为4.0级。

2.4 室温及高温拉伸和扫描电镜断口观察

取固溶前和固溶后部分尾管管段，加工成全壁厚、宽10 mm原管截面、有效长度60 mm拉伸试样。在AG-100KNG和AG-X 250KN试验机上分别做室温和760℃(保温10 min)拉伸检测。拉伸试验结果均值见表2。

表2 拉伸测试结果

3 分析和讨论

800H合金在高达500℃的极高温的水性介质中具有很好的抗腐蚀性、抗应力腐蚀性、抗敏化性、抗晶间腐蚀性和很好的加工性。但操作温度、介质环境及质量也会导致其蠕变、劣化。

通过固溶再生处理析出的碳化物得以固溶回基体当中，恢复材料的原有的部分特性，但表面无法恢复到最初的加工状态［5］。有效壁厚由原来的3.4 mm减少到3.0 mm（内外裂纹层约0.4 mm）。钢管水压试验压力按下式计算：

式中P—试验压力，MPa；S—钢管的壁厚，mm；D—钢管的外径，mm；t—钢管材料屈服强度的60%，MPa。

根据公式：壁厚S减少0.4 mm，使抗压的能力与原来相比减小了11.7%。

4 结束语

Incoloy 800H材质的猪尾管的固溶处理再生是可有效恢复材料的抗高温氧化性能，对形成深度氧化裂纹的猪尾管需做固溶处理进行再生。在使用条件严格的条件（如压力、腐蚀性介质）下，不建议固溶再生处理。