合成氣變換爐的選材和應用

第40卷第6期化工機械825合成氣變換爐的選材和應用譚立平(中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司)擴要在媒化工工廠(chǎng),變換裝夏是制取氬氣氣化工段后續工段,對最終制取數氣起到重要的作用,而變換爐是變換裝中最重要的設備之一,其選樹(shù)受到多種工藝工況的制約,其選樹(shù)的好壞,直接影響到裝王的長(cháng)周期運行。關(guān)鍵詞合成氣變換爐復合板氫氣硫化氬中圖分類(lèi)號TQ054·.7文獻標識碼B文章編號02546094(2013)060825404在煤化工工廠(chǎng),變換裝置是制取氫氣氣化工2變換爐選材分析段的后續工段,而變換爐是變換裝置中最重要的變換爐是CO變換裝置的關(guān)鍵設備。變換氣設備之一,由于變換工藝介質(zhì)多、工況復雜,多為中的CO和H2O(氣態(tài))在催化劑的作用下轉化為高溫、中壓工況,因此變換爐選材受到多種因素的CO2和H2。由表1可知,選擇制造變換爐的材料制約,采用何種材料制造變換爐需要從強度、腐需要既能抗H2腐蝕又能抗高溫H2S腐蝕。蝕、經(jīng)濟性及長(cháng)周期運行等方面綜合考慮。2.1抗氫材料選擇1變換爐參數高溫臨氫壓力容器的殼體材料應根據容器的第一變換爐按熱壁爐設計,爐內裝進(jìn)口催化設計溫度(已考慮28℃的裕量)和設計氫分壓在劑,反應床為絕熱軸向催化劑裝填的結構形式, Nelson曲線(xiàn)中選取,并遵照HC20581《鋼制化工內裝約50m3催化劑。催化劑由型鋼梁上的柵板容器材料選用規定》6.7.3節的規定。第一變換支撐,氣體進(jìn)口設置氣體分布器催化劑床反應溫爐的設計壓力3.9MPa,爐內的設計溫度485℃,度由床層內的熱電偶測量。第一變換爐的工藝參根據爐內氫氣的組成計算出氫氣的分壓為數為1.287MPa。利用 Nelson曲線(xiàn)分析,設備處于臨氫基層材料SA387Grl1c2狀態(tài)殼體需采用抗氫腐蝕材料。目前在中壓范復層材料0Crl8 Nill Nb(TP347)圍內臨氫設備采用的抗氫鋼主要有:1Cr0.5Mo,設備凈重62125Cr0.5Mo和2.25Cr-1M設備容積83.5m根據氫分壓和設計溫度,查 Nelson曲線(xiàn),得幾何尺寸3600mmx9700mm知1Cr0.5M鋼在此工況下雖然不會(huì )產(chǎn)生氫腐設計壓力蝕,但會(huì )產(chǎn)生表面脫碳現象,材料的強度不能保設計溫度485℃證,且采用 Nelson曲線(xiàn)有l度左右的誤差,所以爐內工藝介質(zhì)組成成分見(jiàn)表1。lCr05M鋼不能選為此工況下的設備用材。查GB150表41發(fā)現1.25Cr0.5Mo(國產(chǎn)代表1變換爐內工藝介質(zhì)組成%表鋼種14 Crl MoR)在各個(gè)高溫階段材料的高溫H2sCO其他屈服強度低于SA387 Grl1C12。另外,據調查23.1~33.10.2.114CrMR用于國內該工況變換爐的實(shí)例不多國內目前沒(méi)中國煤化工x54沒(méi)列人,CNMHG*譚立平,男,1962年12月生,工程師。北京市,100011826化工機械2013年GB7132008列入),GB150也只將14CrMR列是鋼板成分控制要求;控制焊接時(shí)回火脆性敏感入附錄A中,國內舞陽(yáng)鋼廠(chǎng)、武漢鋼廠(chǎng)和重慶鋼性;需作步冷試驗。故SA387G22C不是變換爐廠(chǎng)處于試生產(chǎn)階段,故不宜作為在此工況下的最材料的最佳選擇。佳材料采用1.25Cr0.5Mo的國外牌號材料GB150沒(méi)將2.25Cr1Mo的國內材料SA387 Grl1c12,查 Nelson曲線(xiàn),該材料滿(mǎn)足設計12C2MolR列入其中。SA387Gn22Cn屬于工藝參數要求,查ASME標準-材料性能D篇表2.25Cr1Mo鋼種系列國外牌號,此鋼種價(jià)格較1,SA387Grl1c在各高溫階段許用應力材料較貴,且因材料強度高,含鉻量達2%以上,在370~為穩定,且此材料國內用于變換反應器和氣化爐590℃回火的過(guò)程中容易產(chǎn)生回火脆性,材料訂貨的實(shí)例較多,如神華寧煤和包頭煤制烯烴的煤制時(shí)不能完全按ASMEⅡ的SA387標準正文去訂氫變換爐所用材料均為SA387 GrlIcl,其化學(xué)成貨。為了控制回火脆性必須增加一些附加要求:分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表23。表2SA387Gr11Cl2的化學(xué)成分%項目Mn熔煉分析0.05~0.170.40~0.650.0350.0350.50-0.801.00~1.500.45~0.65成品分析0.04-0.170.35-0.730.0350.0350.44-0.860.9-1.560.40~0.70表3SA387 GarLic的力學(xué)性能析決定設備殼體材料采用不銹鋼復合板。復合層抗拉強度屈服強度伸長(cháng)率/%伸長(cháng)率/%不銹鋼和基層鉻鑰鋼采用爆炸復合(鋸齒連接)。MPaMP(標距200)(標距50)設備復層采用奧氏體不銹鋼較合適,由于奧氏體515-69031018不銹鋼塑性及韌性好,和異種鋼焊接不會(huì )產(chǎn)生裂紋。為了保證復層鋼材一定的高溫強度,復合層22鉻鋸抗氫鋼抗氫的理論基礎奧氏體不銹鋼含碳量應不小于0.04%,故復層選因為氫原子在高溫狀態(tài)下有滲透性,鋼中的擇TP347(0Cr18N1Nb)奧氏體不銹鋼,基層采用碳與滲入鋼中的氫原子生成甲烷,使其強度和韌SA387 Grllcl2。性明顯降低2),反應進(jìn)行的過(guò)程降低了該區域的3焊接材料的選擇和焊接方法碳濃度,局部區域甲烷量不斷增多,形成阻力使該設備因直徑大,容器壁較厚,設備為整體運區域產(chǎn)生裂紋,即產(chǎn)生氫膽和組織中的碳元素組輸故設備的焊接工作主要在制造廠(chǎng)完成。設備成化合物的趨勢,造成材料力學(xué)性能下降。為了的主要縱環(huán)焊縫為自動(dòng)焊。焊接工藝評定為:其避免這種事情的發(fā)生,在鋼中增加鉻鉬元素阻止基層焊絲為 HIl CrMo45A,焊劑為CHF603,復合氫進(jìn)入組織中,在晶界上形成碳化鉻和碳化鋁的板不銹鋼部分的焊接采用焊條HOCr20NoTi,基化合物,組織中游離的氫有所減少。層和復層之間的焊接采用E310Mo-15。2.3抗硫化氫腐蝕材料選擇表4為H1CrMo45A焊絲的化學(xué)成分,經(jīng)比根據介質(zhì)中硫化氫的含量(0.1%),筆者分對,各化學(xué)成分符合控制要求。表4 Hll CrMo45A焊絲的化學(xué)成分項目供應值0.060.230.0090.0041.260.520.05復驗值00.570.190.0130.0051.120.140.510.18珠光體耐熱鋼應采用低氫型焊條或焊絲,基或焊絲,復TYH中國煤化工層相應的焊層與基層材料焊接應選擇同基層材料相應的焊條條或焊絲CNMHG再焊過(guò)渡層,第40卷第6期化工機械827最后焊復層的基本要求。復層奧氏體不銹鋼347國內生產(chǎn)廠(chǎng)家有上鋼因變換爐的外部接管采用304材料,而設備的五廠(chǎng)及山西太鋼等,各廠(chǎng)家都有成熟的冶煉和制補強鍛件材料為SA336FlC3鋼,設備和外部管道造工藝。此臺設備復層鋼板347供貨廠(chǎng)家為瑞典連接采用焊接,因SA336F1lC3鋼含碳量在01%奧拓坤普。0.4%正火狀態(tài)下的組織主要是珠光體。珠光體與4.3CrMo鋼+襯里不銹鋼的復合板廠(chǎng)家?jiàn)W氏體的線(xiàn)膨脹系數不同,在焊接時(shí)會(huì )產(chǎn)生很大的目前國內鋼廠(chǎng)生產(chǎn)復合板的廠(chǎng)家主要有:四應力不銹鋼與珠光體低碳鋼的直接焊接(堆焊例川驚雷大連爆炸復合所及太鋼等廠(chǎng)家。將基層外)極易產(chǎn)生裂紋,焊接時(shí)應在SA336 Flick3鋼上堆材料和復層材料進(jìn)行爆炸復合,選擇焊一層高鎳奧氏體焊條(如A302),完成后再用低鉻SA387 GriCe+347的爆炸復合廠(chǎng)家為大連爆炸奧氏體鋼焊條(如A132)焊接。也可采用鎳基焊條復合所。爆炸方法為直接爆炸法。作為填充金屬(ERNC3)因鎳基的膨脹系數和鉻鉬5技術(shù)規格書(shū)中材料的要求鋼接近,界面處產(chǎn)生的應力比用奧氏體焊條作為填在確定了材料以后,需編寫(xiě)鋼板的采購技術(shù)充金屬的小。規格書(shū)。因ASME規范鋼板-SA387GrLC的4國內外鋼廠(chǎng)的供貨情況正文后面有很多補充的技術(shù)要求,用戶(hù)或設計單初步選定材料后,需要了解國內外都有哪些位要根據具體用途進(jìn)行選擇和補充。文中所采用廠(chǎng)家能生產(chǎn)制造,筆者分別從基層復層和復合板的是SA387GrC正火板(抗拉強度為515供貨廠(chǎng)家進(jìn)行可行性分析。690MPa,屈服強度不小于310MPa,伸長(cháng)率為4.1基層CrMo板材的供貨廠(chǎng)家22%),和國內的14Cr1MoR材料性能相當。由于國內生產(chǎn)變換爐的抗氫CrMo鋼主要有:ASME規范中SA387Gr11Cl的化學(xué)成分中控制12cr2MolR、14 Crl Mor和1CMoR。生產(chǎn)CrMo的硫、磷含量高于國內同種材料14cMoR,沖擊中厚板材廠(chǎng)家主要是:河南舞陽(yáng)鋼廠(chǎng)、武漢鋼廠(chǎng)和功低于14 CrI MoR,那么訂貨時(shí)SA387GlLC2正重慶鋼廠(chǎng)。經(jīng)過(guò)考察知舞陽(yáng)是國內生產(chǎn)中厚板火板的化學(xué)成分和沖擊功值應不低于14cMoR較著(zhù)名廠(chǎng)家,它的鋼板生產(chǎn)厚度和沖擊功優(yōu)于其的數值這些都應在技術(shù)規格書(shū)中寫(xiě)明。他兩個(gè)廠(chǎng)家,但是14CMoR還處于試生產(chǎn)階段為了控制SA387 Grl1C2材料的回火脆性,在(還沒(méi)批量生產(chǎn)),對于12C2Mo1R鋼板以上3家鋼板釆購的技術(shù)規格書(shū)中要求熔煉分析除應符合企業(yè)還處于研發(fā)階段。規定外,還有如下限制:國外生產(chǎn)變換爐抗氫CrMo鋼板材料主要a.Cr含量應大于1.0%(產(chǎn)品分析)是SA387Gr22C12SA387Grl1CI2和b.P含量應不大于0.01%,如有特殊要求SA387Gr12C。鋼板根據ASME標準生產(chǎn)制造,需在設計圖紙的技術(shù)要求中注明其主要生產(chǎn)企業(yè)是日本神戶(hù)制鋼以及德國C.(S%+Mn%)不大于1.1%;DILLINGER等,經(jīng)了解這兩家都有多年生產(chǎn)d.J系數不高于120,J=(S%+Mn%)SA387GC2的經(jīng)驗,此臺設備基材選擇供應廠(chǎng)(P%+Sn%)×10000。家為德國 DILLINGER?；瘜W(xué)成分分析結果(表5)和碳當量計算結果4.2復層襯里不銹鋼的供貨廠(chǎng)家應在材料合格證書(shū)表示。表5 DILLINGER實(shí)際供貨材料的化學(xué)成分%C0.0.570.5180.010.00031.3980.1680.5620.1460.000根據表5數據計算得:J=(S%+Mn%)×V)/5×100%合格:Si+Mn=1.09<(P%+Sn%)×10000=108.8<120;碳當量1.1%合格。中國煤化工CE =C+Mn/6 + Ni+ Cu)/15 + Cr +Mo因設備處CNMHG申強度試驗828化工機械013年(表6)應滿(mǎn)足以下要求588>515MPa;Ra=446>310MPa,室溫拉伸強度a.鋼板應按SA20的要求進(jìn)行附加拉伸試和屈服強度均滿(mǎn)足 ASME SA387GlC12(表3)驗,高溫拉伸試驗溫度按相關(guān)設備的設計溫度并要求。在材料采購單明確,高溫試驗溫度為485℃;6結束語(yǔ)b.同爐、同種規格每批鋼板做一個(gè)試驗,且目前SA387GllC2鋼板廣泛用于氣化爐、加每張鋼板要求相同熱處理爐次;氫反應器和變換爐殼體材料,此設備隨裝置于c.高溫拉伸強度的最小強度值應滿(mǎn)足2008年開(kāi)車(chē)成功運行到現在,每次停車(chē)檢修期A(yíng)SME第Ⅱ篇D部分的要求;間,進(jìn)入設備對其復合層進(jìn)行檢查,同時(shí)對焊縫進(jìn)d.材料合格證中應闡明高溫抗拉強度值,行超聲波抽查,沒(méi)有發(fā)現氫腐蝕和材料減薄等問(wèn)其拉伸試驗的要求應不小于485℃下的高溫屈服題。強度。參考文獻表6 DILLIGER實(shí)際供貨材料的部分力學(xué)性能R/MPa/MPaR.2(485℃)/MPa[1] ASME SA387/387M,ASME鍋爐及壓力容器規范Ⅱ材料A篇:鐵基材料[S].北京中國石化出版社588.630446.495355,317[2]王非,林英化工設備用鋼[M].北京:化學(xué)工業(yè)出由表6可以看出:Ra2=317>206MP版社,2004(500℃時(shí)的屈服強度),高溫屈服強度合格;Rn=(收稿日期:20130401,修回日期:20130507)(上接第787頁(yè))[7]徐英,于中偉張濤等,V形內錐流量計關(guān)鍵參數9符松,王亮湍流轉捩模式研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展對流出系數的影響[]機械工程學(xué)報,2008,442007,37(3):409-416(12):105-11l10]成婷婷,張正科,屈科.用轉捩模型預測轉捩及確[8] Bakabel A, Hegab A M, Nasr M, et al. 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Having ef-flux coefficient's calculation results compared with experimental results shows that, with respect to SST turbu-lence model the SST 4-equation turbulence model is more suitable to calculate the flow field of multi-orificeflow meter, and the calculation precision is higher in the case of low Reynolds number; the linearity of the ef-flux coefficient C becomes best and reaches0.8% when k closes to"V凵中國煤化工 arity of the eflux coefficient C becomes worst and reaches 3. 6% when k gets lessCNMHGKey words multi-orifice flow meter, efflux coefficient, turbulence model, simulation