加氫爐爐管設(shè)計(jì)探討

謝龍

（中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101）

目前煉油廠加氫過程主要有加氫精制和加氫裂化兩種流程，加氫反應(yīng)的介質(zhì)通常由加熱爐加熱至反應(yīng)溫度，即加氫反應(yīng)加熱爐。目前，大多數(shù)加氫工藝都采用爐前混氫的工藝流程，使得爐管處在高溫、高壓、臨氫狀態(tài)下直接見火操作的苛刻環(huán)境[1]。本文主要從設(shè)計(jì)角度對(duì)加氫爐爐管設(shè)計(jì)問題進(jìn)行探討，為設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)該類加熱爐爐管時(shí)提供參考。

1 爐管設(shè)計(jì)選材

爐管是加熱爐系統(tǒng)設(shè)備中最重要的組成部分，也是設(shè)計(jì)過程中重中之重。在加熱爐爐管設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)考慮三個(gè)要素：爐管最高管壁金屬溫度，爐管工作的最高壓力，爐管內(nèi)外部介質(zhì)的腐蝕情況[2]。

1.1 材料選擇

按照上文提到的選材要素，加氫爐爐管最苛刻的操作條件一般是壓力18～20MPa，管壁溫度500℃左右[3]，同時(shí)爐前混氫的加氫爐存在H2+H2S的腐蝕，該腐蝕反應(yīng)屬于可逆反應(yīng)，反應(yīng)如下：

顯然由于上式的可逆腐蝕反應(yīng)，爐管須有良好的抗腐蝕能力。查詢相關(guān)材質(zhì)的年腐蝕速率，爐前混氫的加氫爐爐管只能選擇18Cr-8Ni型奧氏體不銹鋼。

對(duì)于造價(jià)昂貴的加氫爐爐管，設(shè)計(jì)中除了考慮加熱爐運(yùn)行中腐蝕外，還要考慮停工檢修期間爐管的腐蝕因素。因?yàn)檠b置生產(chǎn)周期內(nèi)H2+H2S腐蝕爐管生成硫化亞鐵。硫化亞鐵不穩(wěn)定，在裝置檢修期間繼續(xù)與水和氧接觸，反應(yīng)生成連多硫酸，反應(yīng)如下：

加氫爐停工期間爐管依然存在拉伸應(yīng)力，連多硫酸和拉伸應(yīng)力共同存在下，爐管出現(xiàn)連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象，連多硫酸腐蝕既有穿晶腐蝕，又有晶間腐蝕[3]。

提高18Cr-8Ni型奧氏體不銹鋼抗晶間腐蝕能力理論上有兩種措施：一是選擇低碳不銹鋼，通過降低碳含量措施減少或避免碳鉻化合物的析出，但是低碳不銹鋼存在高溫強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，對(duì)于操作溫度、操作壓力高的加氫爐爐管，無法滿足使用要求。二是在不銹鋼中加入穩(wěn)定化元素Ti或Nb，微量元素Ti和Nb與C的結(jié)合能力強(qiáng)，生成穩(wěn)定化合物TiC、NbC，有效避免了Cr23C6化合物的生成和貧鉻帶的出現(xiàn)，使?fàn)t管避免晶間腐蝕[4]。

綜合考慮加氫爐爐管的操作溫度、操作壓力和介質(zhì)腐蝕工況，爐管只能用321、347型不銹鋼爐管。

1.2 爐管執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

加氫爐爐管一般要求使用電爐法加爐外精煉的煉鋼方法，爐管為熱軋或熱擠壓成型的無縫鋼管，這就對(duì)鋼材冶煉技術(shù)及后續(xù)的加工制造水平提出了要求。早些年，受國(guó)內(nèi)煉鋼技術(shù)整體水平的限制，加氫爐管都是按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)口爐管產(chǎn)品。現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)的煉鋼水平飛速發(fā)展，已經(jīng)具備相當(dāng)能力的自主生產(chǎn)能力，包括按照國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)和ASTM標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。使得建設(shè)單位和設(shè)計(jì)人員選擇范圍更寬。

然而考慮加氫爐爐管的具體操作工況，建議高壓加氫爐爐管首選進(jìn)口產(chǎn)品，執(zhí)行美標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，ASTM A 213和ASTM A 213；對(duì)于操作壓力較低的加氫爐爐管可選擇國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的爐管，但一般都要求執(zhí)行ASTM標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。

2 爐管設(shè)計(jì)技術(shù)要求

鋼管的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定了一般的技術(shù)指標(biāo)要求，為保證加氫爐爐管安全可靠，設(shè)計(jì)中還應(yīng)在設(shè)計(jì)文件中明確補(bǔ)充技術(shù)要求，如產(chǎn)品化學(xué)成分、機(jī)械性能、爐管熱處理、檢查和試驗(yàn)等。

2.1 化學(xué)成分

為滿足爐管的使用性能要求，加氫爐爐管的化學(xué)成分應(yīng)滿足表1的要求。

表1 321、347爐管的化學(xué)成分

爐管生產(chǎn)廠家應(yīng)對(duì)所生產(chǎn)爐管進(jìn)行化學(xué)成分分析，并提供相關(guān)報(bào)告。建設(shè)單位或采購單位最好按照一定的比例對(duì)爐管進(jìn)行復(fù)檢，確?；瘜W(xué)成分合格。

2.2 機(jī)械性能

加氫爐爐管的機(jī)械性能除符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定外，拉伸性能應(yīng)滿足表2的要求。

表2 321、347爐管的機(jī)械性能

由上表可知，347爐管的高溫屈服強(qiáng)度大于321爐管。因此設(shè)計(jì)中高壓加氫爐（操作壓力≥10MPa）一般選擇347爐管，而中低壓加氫爐（操作壓力＜10MPa）選擇321爐管，主要是為了減小高壓加氫爐爐管壁厚，降低工程造價(jià)。

2.3 爐管熱處理

加氫爐爐管為了得到良好的金相組織，爐管需要按表3要求進(jìn)行固溶熱處理。

表3 321、347爐管固溶熱處理

由于加氫爐爐管長(zhǎng)期處于敏化溫度區(qū)（450～900℃），固溶處理得到的碳化物又會(huì)出現(xiàn)析出來的現(xiàn)象。因此，爐管還應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，建議穩(wěn)定化熱處理溫度為890～930℃，均溫時(shí)間2～4小時(shí)。

2.4 爐管檢查和試驗(yàn)

對(duì)加氫爐321、347型爐管，應(yīng)逐根爐管100%橫向和縱向超聲波檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)試塊參考槽深度為壁厚的5%且不超過1mm；所有爐管需進(jìn)行100%渦流檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)試塊參考槽深度為壁厚的5%且不超過1mm，槽的形狀為縱向矩形槽。

爐管應(yīng)進(jìn)行晶粒度測(cè)試，測(cè)試時(shí)按爐批號(hào)取樣，取樣位置位于鋼管截面的壁厚中央部位，要求爐管晶粒度為4～7級(jí)。

對(duì)每根爐管首尾兩端部進(jìn)行硬度檢查，布什硬度值不超過192HB。

以上檢查和試驗(yàn)必須全部合格，并要出具檢查、檢驗(yàn)報(bào)告。對(duì)于無損檢測(cè)等對(duì)檢測(cè)單位和人員有資質(zhì)要求的檢驗(yàn)項(xiàng)目，必須由有資質(zhì)的人員檢測(cè)完成。

3 結(jié)論

綜上所述，加氫爐爐管設(shè)計(jì)應(yīng)選擇321、347型不銹鋼爐管，并且設(shè)計(jì)中應(yīng)在設(shè)計(jì)圖紙或請(qǐng)購文件中明確爐管的技術(shù)要求。設(shè)計(jì)階段的嚴(yán)格要求是避免爐管發(fā)生事故和長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提。