CN104302741A - 用于炼油工艺炉的形成氧化铝的双金属管以及其制造和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于在炼油工艺炉中、更特别在炉辐射段炉管中输送烃原料的双金属管,其包含:i)由不锈钢形成的外管层,该不锈钢包含基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的铬;ii)由形成氧化铝的合金块形成的内管层,该合金块包含5.0至10.0重量%的Al、20.0重量%至25.0重量%的Cr、少于0.4重量%的Si和至少35.0重量%的Fe以及余量的Ni,其中所述内管层是通过在外管层的内表面上等离子体粉末焊接所述形成氧化铝的合金块而形成的;和iii)在内管层表面上形成的氧化物层,其中所述氧化物层基本由氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其混合物构成。本发明还提供了制造和使用该双金属管的方法。
Description
技术领域
本发明提供了双金属管的组成、制造方法和使用方法,所述双金属管用于在炼油工艺炉中、更特别在炉辐射段炉管中输送烃原料,以减轻腐蚀、结焦和结垢。
背景技术
在典型炼油法中,作为炼油法的第一步骤,通过经过脱盐单元而从储存的重质原油中清除污染物(例如砂、盐和水)。然后通过使脱盐原油经过一系列热交换器,加热清洁的原油原料。然后使该原油经过炉,其将原油加热至较高温度。该炉可以是以油、天然气或炼厂燃料气体为燃料的炉或电燃炉,将油加热,油被注入常压蒸馏塔。极端高温使原油物理分裂成燃烧气体(炉燃料气体)和其它气态轻馏分、液体产物和常压渣油馏分。
大量的重渣油含量是重油的特征。常压渣油必须经过进一步精炼。在常压塔后,渣油在另一系列热交换器和之后的另一炉中进一步加热,并被送往真空蒸馏塔,在此从渣油中提取轻质减压瓦斯油和重质减压瓦斯油。留在真空塔底附近的剩余焦油液(减压渣油)可以(i)作为沥青回收,或(ii)施以进一步加工,例如炼焦。在各种炼焦法中,将渣油加热至850-1000°F(454-538℃)的高温,以由渣油中的芳香核热裂解出轻沸产物并从塔顶馏出,留下固体焦炭。
延迟焦化法是最广泛商业实施的焦化法之一。通过流经炉中的长管将渣油加热至焦化温度,然后使其在流入高圆柱形绝缘筒底部后在这种升高的温度下反应。将挥发性产物移至分馏塔,焦炭积聚在该筒中。来自分馏塔的重质液体产物再循环回炉中。当该筒装满焦炭时,将进料切换至第二筒。通过用高压水从中心向下钻孔并也用高压水切断其余部分,从该筒中采出焦炭以使该筒准备用于下一焦炭积聚周期。
在Fluid CokingTM中,将渣油喷到容器(即反应器)中的焦炭粒子的热流化床上。将挥发性产物移至分馏塔,同时从该容器底部除去焦炭粒子并转移到另一容器(即燃烧器)中,在此用空气部分燃烧焦炭以向该方法供热。然后使焦炭再循环回反应器。由于这种方法产生的焦炭比加热该方法所需的多得多,从该方法中取出流体焦。
在FLEXICOKINGTM中,将第三容器(即气化器)添加到流化焦化法中。在气化器中,在净还原条件下用蒸汽和空气气化焦炭以产生含有氢气、一氧化碳、氮气和硫化氢的低BTU气体。利用吸附除去硫化氢。剩余低BTU气体在炼油厂内和/或在附近的发电厂中作为清洁燃料燃烧。
减粘裂化是低转化热法,最初用于降低用于重质燃料油用途的渣油粘度。当前,其通常使用超过最低重质燃料油规格的渣油,并刚好转化到获得15-30%运输沸程液体,且使重质产物仍符合重质燃料油规格。由于这种方法无法容许结焦,要求其在可能限制转化的焦炭诱导期内而非在重质燃料油规格内。减粘裂化反应器可能类似于延迟焦化装置,带有炉管,然后是均热炉筒。但是,该筒的体积小得多,以限制整个液体产物流经时的停留时间。或者,整个减粘裂化炉可以是盘绕在炉内的长管。干扰导致焦炭形成并积聚在减粘裂化炉壁上,这要求定期除焦。
炼油工艺炉广泛用于加热各种业务中的烃原料,例如常压塔的原油进料、从常压塔送入真空塔的原油渣油等。最严苛的业务可能是延迟焦化装置的进料的加热。尽管焦炭沉积在任何炼油工艺炉中都构成问题,但由于所用高温和焦化器进料的残留性质,具有在经过焦化器预热炉和真空塔炉的辐射管的内壁上形成焦炭沉积物的显著趋势。
不论何种业务,焦炭沉积物的形成都是不合意的。焦炭沉积物由于扼流而造成管中提高的压力和由于焦炭沉积物的隔热作用而造成较高的管壁温度。较高压力和较高温度都造成管的过早破坏。此外,通常必须定期使该管停工并通过在高温下用经过该管的空气或另一氧化剂氧化以烧除沉积的焦炭来除去焦炭沉积物。这种定期烧除导致剧烈的热循环,这也降低该管的寿命。
焦化管式炉是延迟焦化法的核心。加热器提供该方法中的所有热。通常,每个炉有2至4程。管水平安装在侧面上并用合金吊架固定就位。多个燃烧器沿着管对面的辐射壁底部并垂直向上燃烧。高炉是有利的,因为顶棚管较不可能被火焰冲击和由于辐射和对流而过热。通常只有加热器的辐射段用于加热延迟焦化装置用的油。在一些炼油厂利用焦化加热器的上对流段预热要送往分馏塔或用于其它用途(例如蒸汽发生)的油。
许多炼油工艺单元中所用的火焰加热器中的辐射段管会在管表面的内部和/或外部上发生结垢。当该加热器燃油时,发生管外结垢。在油燃烧过程中,形成含有碳、硫和燃料油中存在的金属的固体颗粒物。这种颗粒物随时间经过收集在管外表面上。加热原油和常压渣油的火焰加热器通常发生最高程度的内部结垢。对于这些流体,由于(i)流体中存在固体、(ii)形成高分子量化合物的热裂解和(iii)原位腐蚀产物而发生结垢。所有这些材料以粘在管壁上并形成“焦炭”告终。比原油轻的液体也会形成内部沉积物。例如,加热液体石脑油的火焰加热器会由于腐蚀产物和/或形成粘到管壁上的长链分子的聚合反应而发生管内结垢。管内结垢通常对加热器运行和热效率具有大的影响。
这些积层/污垢/焦炭沉积物会导致辐射管金属温度(TMT)提高。随着在加热器管内形成焦炭,形成金属与“较冷的”工艺流之间的隔热屏障,以致TMT提高。如果不加干预地发生结焦,可能由于高TMT而造成管破裂(由于降低的金属强度)。为避免这一点,具有内部焦炭沉积物的加热器可以以降低的速率(因此降低的效率和生产率)运行以致不超过管上的冶金学约束和避免管破裂。积垢工作中的加热器被设计成容许在洁净管条件以上的指定TMT提高。当达到该界限时,必须采取措施除去污垢。这通常意味着必须关闭加热器以供清洁。内部结垢的第二个效应是提高的压降,这限制容量和吞吐量。积垢工作中的加热器也被设计成容许指定的压降提高。在大多数情况下,在压降界限前达到TMT界限。当在加热器管中形成焦炭时,其隔绝管内部,这导致管外侧上的温度升高。在良好的操作实践下,焦化炉在需要管除焦之前可运行18个月。根据管冶金学,当外皮热电偶上的温度接近1250°F(677℃)时,该炉必须蒸汽剥落和/或蒸汽-空气除焦或冷却并通过水力或机械清管清洁。
在正常使用过程中,由于长时间暴露在重质原油、渣油和其它石油馏分流中,火焰加热器管的内表面经受渗碳、硫化、环烷酸腐蚀和其它形式的高温腐蚀。渗碳是高温降解的一种形式,其在碳从环境扩散到金属中时发生,在通常超过1000°F(538℃)的温度下通常在基质中和沿晶粒边界形成碳化物。渗碳材料经受硬度提高和通常韧度的显著降低,由于提高的碳化物体积而变脆至表现出内部蠕变损伤的程度。含有反应性硫的原油和烃馏分在500°F(260℃)以上对碳和低/中合金钢有腐蚀性并造成硫蚀,这形成硫化铁。所形成的这种硫化物垢通常被称作硫化物诱发结垢。含有环烷酸组分的那些在400°F(204℃)以上对碳和低/中合金钢有腐蚀性并从火焰加热器管的表面直接除去金属。火焰加热器管的内表面上的腐蚀造成不均匀表面,其由于石油流中存在的各种粒子可能本身附着到该粗糙表面上而增强结垢。还提出,腐蚀表面还可能提供“更容易”沉积污垢的表面。
炼油工艺炉的辐射段炉管具有入口管段和出口管段。多个基本直的水平管段布置在至少两个垂直框中。这些垂直框平行并水平间隔开。在垂直框中在直管框的任一端安置多个弯管扫回弯头。各弯头连接其相邻垂直框中的一对直管段。回弯头在水平与垂直之间倾斜,由回弯头连接的那对直管段之一比另一个高。从入口管段经由直管段和回弯头的交错系列至出口管段提供管程流体流路。该炉管有利地包括第一和第二垂直直管框和相反的回弯头框,其中除最上和最下管段和回弯头外,这些直管段和回弯头与上方和下方的相邻段和弯头均匀间隔。相邻管框任一端的回弯头可反向倾斜以提供大致水平螺旋流型。该炉管有利地具有第一和第二巢状程,其中第一和第二程的流体流路各自包含在各所述垂直框中的一系列交错直管段,其中第一和第二框中的第一程的直管段分别与第二和第一框中的第二程的直管段相反地水平间隔。各垂直管框中的第一和第二程直管段可以从上到下相互间隔交错。
炼油工艺炉中、更特别是真空塔炉中的多个基本直的水平辐射段炉管由低铬钢(例如T9和T5)制成,以提高耐蚀性、蠕变强度和断裂韧性。或者,炼油工艺炉中、更特别是真空塔炉和延迟焦化炉中的多个基本直的水平辐射段炉管由不锈钢(如铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化(PH)不锈钢和双相不锈钢)制成,以进一步提高耐蚀性、蠕变强度和断裂韧性。由于炼油工艺炉倾向于处理以高TRS(总活性硫)和高TAN(总酸值)为特征的更有挑战性的原油,因此必须使用由不锈钢制成的炉管。炼油工艺炉中所用的辐射段炉管的典型组成显示在表1中。
表1.炼油工艺炉中的辐射段炉管的典型组成
精炼炉管用的前两类是碳钢或含有占钢总重量的少于约15.0重量%的、有利地少于大约10.0重量%的铬的低铬钢。这些材料的防腐蚀保护依赖于管表面上的保护性Cr2O3膜。但是,这些钢中的铬浓度不足以形成这种保护膜,而是形成由尖晶石和磁铁矿型氧化物和硫化物构成的复合腐蚀产物膜。这种腐蚀产物膜造成粗糙表面、高表面积和用于锚固焦炭和焦炭前体的大量表面位点。
所列低铬钢可能含有用于沉淀强化和/或晶粒细化的少量碳化物形成元素,例如钒、铌和钛。这些合金元素也影响低铬钢的相变硬化和可焊性。三种常见类型的抗蠕变低铬钢是Cr-Mo钢、Cr-Mo-V钢和改性Cr-Mo钢。Cr-Mo钢在炼油厂、化学工业和发电厂中广泛用于管材、管路、热交换器、过热器管和压力容器。这些钢的主要优点是由Mo和Cr添加带来的改进的蠕变强度和来自Cr的增强的耐蚀性。Cr-Mo钢的蠕变强度主要来自两个来源:通过碳、钼和铬固溶强化铁氧体基质和通过碳化物沉淀硬化。蠕变强度通常,但并非始终,随Mo和Cr量提高而提高。Cr和Mo对蠕变强度的影响相当复杂。例如,T22钢的蠕变强度高于T5钢。
精炼炉管用的后五类是被归类为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化(PH)不锈钢和双相不锈钢的不锈钢。这五类中的四类是基于该类中的合金的特征晶体结构/微结构:铁素体、马氏体、奥氏体或双相(奥氏体与铁素体的混合物)。第五类,PH不锈钢基于所用热处理的类型而非微结构。
铁素体不锈钢由于它们的体心立方(bcc)晶体结构在室温下与铁相同而得名。这些合金是磁性的并且无法通过热处理硬化。一般而言,铁素体不锈钢没有特别高的强度。它们的差韧度和易敏感性限制它们的加工能力和它们的可用剖面尺寸。铁素体不锈钢含有11至30重量%的Cr,只有少量形成奥氏体的元素,例如碳、氮和镍。它们的一般用途取决于它们的铬含量。奥氏体不锈钢就合金和用途而言构成最大的不锈钢类别。它们具有优异的延性、可成形性和韧性并可以通过冷加工基本硬化。尽管镍是用于稳定奥氏体的主要元素,但也可以使用碳和氮,因为它们易溶于面心立方(fcc)结构。典型的300系列不锈钢含有17至22重量%的Cr。300系列不锈钢的耐蚀性取决于合金含量。将钼添加到S31600中以提高在氯化物环境中的耐蚀性。在氧化环境和高温用途中使用高铬等级,例如S31000。为了防止高温暴露后的晶粒间腐蚀,添加钛或铌以稳定S32100或S34700中的碳。也已经建立更低碳等级(AISI L或S名称),如S30403(304L类型)以防止晶粒间腐蚀。马氏体不锈钢类似于铁-碳合金,将其奥氏体化、通过淬火硬化,然后回火以提高延性和韧性。马氏体不锈钢的耐磨性极其取决于碳含量。例如,S44004(1.1重量%的C)具有与工具钢类似的优异耐粘着磨损和磨粒磨损性,而S41000(0.1重量%的C)具有相对较差的后阻力。PH不锈钢是可通过老化处理硬化的铬-镍等级。例如,S66286是奥氏体PH不锈钢,并使用各种合金元素(例如Al、Ti和Nb)在老化后形成金属间化合物。双相不锈钢是铬-镍-钼合金,平衡其以含有奥氏体和铁素体的混合物。它们的双相结构导致与奥氏体不锈钢相比改进的抗应力腐蚀开裂性以及与铁素体不锈钢相比改进的韧性和延性。这一类中的原始合金主要是铁素体,但将氮添加到双相合金如S31803中将奥氏体的量提高至接近50%的。其还提供改进的焊接腐蚀性质、耐氯腐蚀性和韧性。
这些不锈钢的防腐蚀保护依赖于管表面上的保护性Cr2O3膜。一般而言,这些不锈钢含有基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的、有利地15.0至20.0重量%的、更有利地16.0至19.0重量%的铬。用于精炼炉管的最有吸引力的不锈钢是奥氏体不锈钢,主要是S31600和S347SS。但是,这些不锈钢中的铬浓度仍不足以形成这种保护膜,而是形成由尖晶石和磁铁矿型氧化物和硫化物构成的复合腐蚀产物膜。这种腐蚀产物膜造成粗糙表面、高表面积和用于锚固焦炭和焦炭前体的大量表面位点。
合成原油衍生自沥青、页岩、焦油砂或特稠油的加工并也在炼油厂作业中加工。这些合成原油具有额外的结垢问题,因为这些原料太稠和含太多污染物以致典型炼油厂无法加工。该材料通常在生产现场预处理,然后作为合成原油运往炼油厂。这些原油可能含有细粒状硅质无机物,如在焦油砂的情况中。一些还可能含有容易在火焰加热器管内形成聚合污垢沉积物的反应性烯烃材料。
目前,有各种表面改性技术可供减轻用于炼油厂作业的火焰加热器管中的腐蚀和结垢。它们大多数基于薄膜涂层并包括镀铝、六甲基二硅氮烷(HMDS)和液相硅酸盐涂层。镀铝是扩散合金化法并在升高的温度下施于金属表面。结果,在金属表面上形成大约100μ厚的富铝层。但是,作为所有这样的相对较薄涂层的特征,这种涂层由于在该层中存在空隙、缺陷和金属间脆性相而表现出差的机械完整性和热稳定性并具有低可靠性。
因此,需要显著减轻炼油厂加工作业中的火焰加热器管中的腐蚀和结垢,其不会遇到与现有技术相关的缺点。
发明概述
根据本发明,用于通过炼油工艺炉、更特别是炉辐射段炉管输送烃原料的有利的双金属管包含:i)由不锈钢形成的外管层,该不锈钢包含基于不锈钢总重量的大约15.0至26.0重量%的铬;ii)由形成氧化铝的合金块形成的内管层,该合金块包含5.0至10.0重量%的Al、20.0重量%至25.0重量%的Cr、少于0.4重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni,其中所述内管层是通过在外管层的内表面上等离子体粉末焊接所述形成氧化铝的合金块而形成的;和iii)在内管层表面上形成的氧化物层,其中所述氧化物层包含氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其组合。
本发明的另一方面涉及用于通过炼油工艺炉、更特别是炉辐射段炉管输送烃原料的有利的双金属管,其包含:i)由不锈钢形成的外管层,该不锈钢包含基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的铬,ii)由形成氧化铝的合金块形成的内管层,该合金块包含5.0重量%至8.0重量%的Al、20.0重量%至24.0重量%的Cr、少于0.3重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni,其中所述内管层是通过在外管层的内表面上等离子体粉末焊接所述形成氧化铝的合金块而形成的;和iii)在内管层表面上形成的氧化物层,其中所述氧化物层包含氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其混合物。
本发明的另一方面涉及制造用于通过炼油工艺炉、更特别是炉辐射段炉管输送烃原料的双金属管的有利的方法,其包括下述步骤:i)提供外管层,其中所述外管层由不锈钢形成,该不锈钢包含基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的铬;ii)在外管层的内表面上等离子体粉末焊接内管层,其中所述内管层由形成氧化铝的合金块形成,该合金块包含5.0至10.0重量%的Al、20.0重量%至25.0重量%的Cr、少于0.4重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni;和iii)在内管层表面上形成氧化物层,其中所述氧化物层包含氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其组合。
本发明的再一方面涉及制造用于通过炼油工艺炉、更特别是炉辐射段炉管输送烃原料的双金属管的有利的方法,其包括下述步骤:i)提供由不锈钢形成的外管层,该不锈钢包含基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的铬;ii)在外管层的内表面上等离子体粉末焊接内管层,其中所述内管层由包含5.0重量%至8.0重量%的Al、20.0重量%至24.0重量%的Cr、少于0.3重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni的形成氧化铝的合金块形成;和iii)在内管层表面上形成氧化物层,其中所述氧化物层包含氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其组合。
本发明的又一方面涉及在炼油厂工艺作业中减轻炼油工艺炉中、更特别是用于输送烃原料的炉辐射段炉管中的腐蚀、结焦和/或结垢的有利方法,其包括:提供用在炼油工艺炉中、更特别是炉辐射段炉管中的双金属管,其中所述双金属管包含:i)由不锈钢形成的外管层,该不锈钢包含基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的铬;ii)由形成氧化铝的合金块形成的内管层,该合金块包含5.0至10.0重量%的Al、20.0重量%至25.0重量%的Cr、少于0.4重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni,其中所述内管层是通过在外管层的内表面上等离子体粉末焊接所述形成氧化铝的合金块而形成的;和iii)在内管层表面上形成的氧化物层,其中所述氧化物层包含氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其组合。
本发明的又一方面涉及在炼油厂工艺作业中减轻炼油工艺炉中、更特别是用于输送烃原料的炉辐射段炉管中的腐蚀、结焦和/或结垢的有利方法,其包括:提供用在炼油工艺炉中、更特别是炉辐射段炉管中的双金属管,其中所述双金属管包含:i)由不锈钢形成的外管层,该不锈钢包含基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的铬;ii)由形成氧化铝的合金块形成的内管层,所述合金块包含5.0重量%至8.0重量%的Al、20.0重量%至24.0重量%的Cr、少于0.3重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni,其中所述内管层是通过在外管层的内表面上等离子体粉末焊接所述形成氧化铝的合金块而形成的;和iii)在内管层表面上形成的氧化物层,其中所述氧化物层包含氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其组合。
本发明的双金属管的所公开的组成及制造和使用方法的这些和其它特征和属性及它们的有利应用领域和/或用途从下列详述中显而易见,特别是在联系附图阅读时。
附图简述
为助于相关领域普通技术人员制造和利用其主题,参照附图,其中:
图1描绘双金属管的横截面扫描电子显微镜(SEM)图像,其显示9Cr(T9)不锈钢外层和形成氧化铝的粉末焊接(PPW)内层。
图2描绘本发明的形成氧化铝的双金属管的各主要元素的能量色散x-射线光谱学(EDXS)浓度线分布图。
图3描绘本发明的形成氧化铝的双金属管的各主要元素的能量色散x-射线光谱学(EDXS)浓度线分布图。
发明详述
本文中的详述和权利要求书内的所有数值是用“大约”、“约”或“大致”修饰的所示值,并将本领域普通技术人员预期的实验误差和变动计入考虑。
本发明提供了用于炼油工艺炉的辐射段炉管的形成氧化铝的双金属管的组合物、制造方法和使用方法。本发明还提供了在炼油工艺炉、更特别是炉辐射段炉管和炼油工艺炉中用于输送或传输烃工艺流的其它部件(其容易结焦)中实现稳定耐久表面以防高温腐蚀和结焦的新型组合物和方法。本发明还提供在火焰加热器管、炼油工艺炉和用于输送或传输工艺流的其它部件(其容易结垢)中实现稳定耐久表面以防高温腐蚀和结垢的新型组合物和方法。
在一个非限制性示例性形式中,本发明提供了用于在炼油工艺炉中、更特别在炉辐射段炉管中输送烃原料的双金属管,其包含:i)由不锈钢形成的外管层,该不锈钢包含基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的、有利地15.0至20.0重量%的、更有利地16.0至19.0重量%的铬;ii)由形成氧化铝的合金块形成的内管层,所述合金块包含5.0重量%至10.0重量%的Al、20.0重量%至25.0重量%的Cr、少于0.4重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni,其中所述内管层是在外管层的内表面上通过PPW法形成的;和iii)在内管层表面上形成的氧化物层,其中所述氧化物层基本由氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其混合物构成,烃原料流经其中。该氧化物层有利地是氧化铝。
在另一示例性形式中,本发明提供了用于在炼油工艺炉中、更特别在炉辐射段炉管中输送烃原料的双金属管,其包含:i)由不锈钢形成的外管层,该不锈钢包含基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的、有利地15.0至20.0重量%的、更有利地16.0至19.0重量%的铬;ii)由形成氧化铝的合金块形成的内管层,该合金块包含5.0重量%至8.0重量%的Al、20.0重量%至24.0重量%的Cr、少于0.3重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni,其中所述内管层是在外管层的内表面上通过PPW法形成的;和iii)在内管层表面上形成的氧化物层,其中所述氧化物层基本由氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其混合物构成,烃原料流经其中。
本文中公开的双金属管包括下文详细描述的氧化物层、内管层和外管层。
氧化物层
在一种形式中,该氧化物层是单层或多层,并包含氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石及其混合物或由这些构成,并可含有由构成形成氧化铝的合金块的元素形成的一些杂质氧化物。一种有利的氧化物层基本是氧化铝。该氧化铝层有利地由形成氧化铝的合金块形成,基于所述形成氧化铝的合金块的总重量,该合金块包含5.0重量%至10.0重量%的Al、20.0重量%至25.0重量%的Cr、少于0.4重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni。氧化物层的厚度可以为至少1纳米至100微米,或至少10纳米至50微米,或至少100纳米至10微米。
在形成氧化铝的合金块的使用过程中在暴露在石油化工或炼油工艺单元中的烃工艺流中时原位形成在所述形成氧化铝的合金块的表面上的氧化物层。或者,在使用前通过使双金属管材料暴露在受控低氧分压环境中而形成在所述形成氧化铝的合金块的表面上的氧化物层。
在另一形式中,本文所述的形成氧化铝的合金块的表面上的氧化物层也可以通过使形成氧化铝的合金块暴露在受控低氧分压环境中而在该形成氧化铝的合金块上形成。该受控低氧分压环境是其热力学氧分压小于空气的热力学氧分压的气态环境。受控低氧分压环境的非限制性实例是炼油厂或石油化工厂蒸汽、气态H2O:H2混合物和气态CO2:CO混合物。该受控低氧分压环境可进一步含有其它气体,例如CH4、NH3、N2、O2、He、Ar和烃,由于这些气体,因而还可以在形成氧化铝的合金块上形成包含氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石及其混合物的稳定氧化物层。因此,可以在使所述形成氧化铝的合金块暴露于石油化工和炼油工艺单元中的烃工艺流中之前形成保护性氧化物层。受控低氧分压环境的非限制性示例性温度范围可以为500℃至1200℃,或600℃至1100℃。非限制性示例性暴露时间可以为1小时至500小时,或1小时至300小时,或1小时至100小时。
内管层
在一种形式中,形成氧化铝的合金块包含5.0重量%至10.0重量%的Al、20.0重量%至25.0重量%的Cr、少于0.4重量%的Si以及至少35.0重量%的Fe。本发明的形成氧化铝的合金块组合物与用作双金属管的现有技术合金组合物相比提供了显著优点,以减轻火焰加热器管暴露在炼油工艺炉中的烃流中时的腐蚀和结焦。特别地,意外地发现,该形成氧化铝的合金块组合物中与Si结合的Fe和Cr含量有益于用下述不锈钢制造无裂纹的双金属管:该不锈钢包含基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的、有利地15.0至20.0重量%的、更有利地16.0至19.0重量%的铬。此类不锈钢的非限制性实例包括如表1中所列的347SS(S34700)和316SS(S31600)。
在一种形式中,基于所述形成氧化铝的合金块的总重量,形成氧化铝的合金块包含至少35.0重量%的铁,或至少40.0重量%的铁,或至少43.0重量%的铁。铁在形成氧化铝的合金块中的存在改进了与不锈钢的热和机械相容性,以制造本发明的无裂纹的双金属管。随着碳钢、低铬钢和不锈钢中的铬含量降低,需要提高形成氧化铝的合金块中的铁含量。作为一个非限制性实例,对347SS或316SS不锈钢而言,该形成氧化铝的合金块中的铁含量为至少35.0重量%,以制造本发明的无裂纹的双金属管。作为一个非限制性实例,对9Cr(T9)钢而言,该形成氧化铝的合金块中的铁含量为至少35.0重量%,以制造本发明的无裂纹的双金属管。作为另一非限制性实例,对5Cr(T5)钢而言,该形成氧化铝的合金块中的铁含量为至少40.0重量%,以制造本发明的无裂纹的双金属管。作为再一非限制性实例,对2.25Cr(T22)或1.25Cr(T11)钢而言,该形成氧化铝的合金块中的铁含量为至少43.0重量%,以制造本发明的无裂纹的双金属管。该形成氧化铝的合金块中的较高铁含量改进了与低铬钢的热和机械相容性,以制造本发明的无裂纹的双金属管。
该形成氧化铝的合金块包括5.0重量%至10.0重量%的铝,或5.0重量%至9.0重量%的铝,或5.0重量%至8.0重量%的铝。该形成氧化铝的合金块进一步包括20.0重量%至25.0重量%的铬,或20.0重量%至24.0重量%的铬,或20.0重量%至23.0重量%的铬。该形成氧化铝的合金块还可包括少于0.4重量%的硅,或少于0.3重量%的硅,或少于0.25重量%的硅。该形成氧化铝的合金块中的过量硅(例如大于0.5重量%的硅)可能在其通过等离子体粉末焊接法形成时促成碳钢或低铬钢上的固化诱导开裂。在一种形式中,该形成氧化铝的合金块可包括少于0.1重量%的碳,或少于0.08重量%的碳,或少于0.05重量%的碳。碳可以以碳化物沉淀物形式存在于形成氧化铝的合金块中,这在长时间暴露在高温下时提供形成氧化铝的合金块的蠕变强度。
合金元素,例如Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Pb、Pd、Pt、Cu、Ag和Au,提供降低的结焦,因为这些元素不催化表面碳转移反应。合金元素,例如Re、Ru、Rh、Ir、Pd、Pt、Cu、Ag和Au,提供提高的涂层完整性、稳定性和耐久性,并在其由包括5.0重量%至10.0重量%的Al、20.0重量%至25.0重量%的Cr、少于0.4重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni的形成氧化铝的合金块形成时提供无缺陷的氧化铝层。在一种形式中,本文中公开的形成氧化铝的合金块包括0.1重量%至2.0重量%的选自Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Pb、Pd、Pt、Cu、Ag、Au及其组合的至少一种元素。在另一形式中,本文中公开的形成氧化铝的合金块包括0.1重量%至2.0重量%的选自Re、Ru、Rh、Ir、Pd、Pt、Cu、Ag、Au及其组合的至少一种元素。该形成氧化铝的合金块可进一步包括0.01重量%至2.0重量%的选自Sc、La、Y、Ce及其组合的至少一种元素。在再一形式中,该形成氧化铝的合金块可包括35.0重量%的铁、6.0重量%的铝、22.0重量%的铬和0.5重量%的钇及余量的Ni。在又一形式中,该形成氧化铝的合金块包括40.0重量%的铁、5.5重量%的铝、21.0重量%的铬和0.3重量%的钇及余量的Ni。该形成氧化铝的合金块可进一步包括0.01重量%至2.0重量%的选自Al、Si、Sc、La、Y、Ce及其组合的至少一种元素的氧化物粒子。在再一形式中,该形成氧化铝的合金块包括35.0重量%的铁、6.0重量%的铝、22.0重量%的铬和0.5重量%的Y2O3及余量的Ni。在又一形式中,该形成氧化铝的合金块包括40.0重量%的铁、5.5重量%的铝、21.0重量%的铬和0.3重量%的Y2O3及余量的Ni。该形成氧化铝的合金块可进一步包括0.01重量%至4.0重量%的选自Mn、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W及其组合的至少一种元素。前述元素提供沉淀强化和/或晶粒细化并影响形成氧化铝的合金块在通过等离子体粉末焊接法形成时的相变硬化和可焊接性。
在一种有利形式中,该形成氧化铝的合金块包括0.34重量%的Si、20.70重量%的Cr、5.66重量%的Al、41.40重量%的Fe及余量的Ni。在另一有利形式中,该形成氧化铝的合金块包括0.17重量%的Si、21.28重量%的Cr、5.67重量%的Al、41.55重量%的Fe及余量的Ni。在另一有利形式中,该形成氧化铝的合金块包括0.20重量%的Si、22.10重量%的Cr、6.90重量%的Al、36.30重量%的Fe及余量的Ni。在另一有利的形式中,该形成氧化铝的合金块包括5.0重量%至10.0重量%的Al、20.0重量%至25.0重量%的Cr、少于0.4重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni。在再一有利形式中,该形成氧化铝的合金块包括5.0重量%至8.0重量%的Al、20.0重量%至24.0重量%的Cr、少于0.3重量%的Si和至少40.0重量%的Fe及余量的Ni。在再一有利形式中,该形成氧化铝的合金块包括5.0重量%至7.0重量%的Al、20.0重量%至22.0重量%的Cr、少于0.3重量%的Si和至少32.0重量%的Fe及余量的Ni。
该形成氧化铝的合金块可进一步包括0.1重量%至30.0重量%的金属间沉淀物,包括但不限于Ni3Al、NiAl和σ相。该形成氧化铝的合金块可进一步包括0.01重量%至5.0重量%的夹杂物,包括但不限于氧化物、碳化物、氮化物和碳氮化物夹杂物。这些金属间沉淀物和夹杂物由形成氧化铝的合金块的组成元素,包括但不限于Fe、Ni、Cr、Al和Si形成。金属间沉淀物和氧化物、碳化物、氮化物和碳氮化物夹杂物都可提供改进的高温蠕变强度。
本发明的形成氧化铝的合金块具有低的孔隙率,这有助于其暴露在炼油工艺炉、更特别是炉辐射段炉管中的烃原料中时改进的抗腐蚀和结焦性。该形成氧化铝的合金块具有小于2.0体积%的孔隙率,或小于1.0体积%的孔隙率,或小于0.5体积%的孔隙率,或小于0.1体积%的孔隙率。形成氧化铝的合金块中的过高孔隙率充当供炼油工艺炉中的烃原料的气态分子转移到形成氧化铝的合金块内部的路径。气态分子的转移引发形成氧化铝的合金块中的腐蚀和机械强度的变差。因此,获得包括最小孔隙率的形成氧化铝的合金块是有利的。
在一种有利形式中,可以通过粉末等离子体焊接(PPW)法形成所述形成氧化铝的合金块的低孔隙率。PPW不是像热喷涂那样的涂布技术,而是堆焊技术。借助PPW,使金属粉末熔融并用等离子体焰炬焊接在基管的内表面上。厚度为1.0至3.0毫米、1.5至2.5毫米或1.75至2.25毫米的金属覆层牢固地粘合到基管上,并提供几乎无孔的层。可任选地对该形成氧化铝的合金块后退火、回火、激光熔融或其组合,以获得更高密度材料。
相反,传统热喷涂法(例如等离子体、HVOF和爆燃枪)通常产生更高孔隙率的金属涂层。通过将熔融或软化粒子冲击施加到基底上的方法制造传统热喷涂层。该涂层通常含有由小球的快速固化产生的网状或层状晶粒结构,由高速击打冷表面整平。难以确保所有粒子具有完全相同的尺寸并实现相同温度和速度。因此,在热喷涂过程中在冲击时各粒子的状况的变化造成不均匀结构,包括过度孔隙率。
根据本发明的一个方面,由本文中公开的形成氧化铝的合金块形成的火焰加热器管的壁的内表面可具有小于40微英寸(1.1微米)或小于20微英寸(0.5微米)或小于10微英寸(0.25微米)的平均表面粗糙度(Ra)。在各种形式中,本文中公开的所述多个火焰加热器管的内表面可具有上述表面粗糙度。这样的表面粗糙度可进一步减轻结焦。火焰加热器管内径内的光滑表面可减轻流经该管的烃原料的结焦。
降低表面粗糙度的示例性非限制性方式可包括机械抛光、电抛光、研磨及其组合。降低涂布的金属的表面粗糙度有额外的好处。好处之一是从污垢的线性生长速率(这导致污垢沉积物的连续增厚)变成渐近生长速率(这达到有限厚度并随后停止增厚)。
外管层
根据本发明的另一方面,形成氧化铝的双金属管的外管层可以由不锈钢形成,基于不锈钢的总重量,该不锈钢包含15.0至26.0重量%的、有利地15.0至20.0重量%的、更有利地16.0至19.0重量%的铬。这样的不锈钢的非限制性实例包括如表1中所列的347SS(S34700)和316SS(S31600)。因此,本发明的形成氧化铝的合金块可通过PPW法施加至不锈钢的内表面,以确保低孔隙率和无裂纹的冶金结合。在使用过程中或在暴露在烃原料中之前,在形成氧化铝的合金块的表面上形成保护性氧化铝层,这提供抗腐蚀和结焦性。
其它示例性实施方案
因此,本发明提供了用在炼油工艺炉、更特别是炉辐射段炉管中的双金属管,其包含:i)由不锈钢形成的外管层,该不锈钢包含基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的、有利地15.0至20.0重量%的、更有利地16.0至19.0重量%的铬;ii)由形成氧化铝的合金块形成的内管层,该合金块包含5.0至10.0重量%的Al、20.0重量%至25.0重量%的Cr、少于0.4重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni,其中所述内管层是在外管层的内表面上通过PPW法形成的;和iii)在内管层表面上形成的氧化物层,其中所述氧化物层基本由氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其混合物构成,烃原料流经其中。
在另一形式中,本发明还提供了用在炼油工艺炉、更特别是炉辐射段炉管中的双金属管,其包含:i)由不锈钢形成的外管层,该不锈钢包含基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的、有利地15.0至20.0重量%的、更有利地16.0至19.0重量%的铬,ii)由形成氧化铝的合金块形成的内管层,该合金块包含5.0重量%至8.0重量%的Al、20.0重量%至24.0重量%的Cr、少于0.3重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni,其中所述内管层是在外管层的内表面上通过PPW法形成;和iii)在内管层表面上形成的氧化物层,其中所述氧化物层基本由氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其混合物构成,烃原料流经其中。
本发明还提供了在炼油工艺作业中减轻炼油工艺炉中、更特别是用于输送烃原料的炉辐射段炉管中的腐蚀、结焦和/或结垢的方法。该方法提供了用在炼油工艺炉中、更特别是炉辐射段炉管中的双金属管,其包括:i)由不锈钢形成的外管层,该不锈钢包含基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的、有利地15.0至20.0重量%的、更有利地16.0至19.0重量%的铬;ii)由形成氧化铝的合金块形成的内管层,该合金块包含5.0至10.0重量%的Al、20.0重量%至25.0重量%的Cr、少于0.4重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni,其中所述内管层是在外管层的内表面上通过PPW法形成的;和iii)在内管层表面上形成的氧化物层,其中所述氧化物层基本由氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其混合物构成,烃原料流经其中。
在另一形式中,在炼油工艺作业中减轻炼油工艺炉中、更特别是用于输送烃原料的炉辐射段炉管中的腐蚀、结焦和/或结垢的方法包括提供了用在炼油工艺炉中、更特别是炉辐射段炉管中的双金属管,其包含:i)由不锈钢形成的外管层,该不锈钢包含基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的、有利地15.0至20.0重量%的、更有利地16.0至19.0重量%的铬,ii)由形成氧化铝的合金块形成的内管层,该合金块包含5.0至8.0重量%的Al、20.0重量%至24.0重量%的Cr、少于0.3重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni,其中所述内管层是在外管层的内表面上通过PPW法形成的;和iii)在内管层表面上形成的氧化物层,其中所述氧化物层基本由氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其混合物构成,烃原料流经其中。
本发明还提供了制造用于在炼油工艺炉中、更特别在炉辐射段炉管中输送烃原料的双金属管的方法,包括下述步骤:i)提供外管层,其中所述外管层由不锈钢形成,基于不锈钢的总重量,该不锈钢包含15.0至26.0重量%的、有利地15.0至20.0重量%的、更有利地16.0至19.0重量%的铬;ii)在外管层的内表面上等离子体粉末焊接内管层,其中所述内管层由形成氧化铝的合金块形成,该合金块包含5.0至10.0重量%的Al、20.0重量%至25.0重量%的Cr、少于0.4重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni;和iii)在内管层表面上形成氧化物层,其中所述氧化物层包含氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其组合。
在另一形式中,制造用于在炼油工艺炉中、更特别在炉辐射段炉管中输送烃原料用的双金属管的方法包括下述步骤:i)提供由不锈钢形成的外管层,该不锈钢包含基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的、有利地15.0至20.0重量%的、更有利地16.0至19.0重量%的铬;ii)在外管层的内表面上等离子体粉末焊接内管层,其中所述内管层由形成氧化铝的合金块形成,该合金块包含5.0至8.0重量%的Al、20.0重量%至24.0重量%的Cr、少于0.3重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni;和iii)在内管层表面上形成氧化物层,其中所述氧化物层包含氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其组合。
优点和用途
可以由本文中公开的形成氧化铝的合金块构造金属表面以减轻暴露在炼油工艺炉、更特别是炉辐射段炉管中的烃原料中的火焰加热器管的腐蚀、结垢和结焦。
本发明的双金属管的优点尤其包括下述一种或多种:火焰加热器管在炼油厂加工作业中的减轻的腐蚀和/或减轻的结垢,以及火焰加热器管在炼油工艺炉作业中的减轻的腐蚀和/或减轻的结焦。更特别地,本文中公开的组合物的优点包括,但不限于,在精炼加工设施、炼油工艺炉中的火焰加热器管中,更特别是炉辐射段炉管中,和在其它辅助和相关工业,例如合成燃料工艺(例如煤转油、煤气化和天然气合成油)以及容易腐蚀和结焦的用于输送或传输烃工艺原料的其它部件中减轻渗碳和硫蚀和减轻结焦。本发明还涉及减轻与工艺流(其包括,但不限于在炼油工艺炉中遇到的烃原料流)相关的腐蚀和结焦。其更特别涉及使用形成氧化铝的双金属管减轻炼油工艺炉中的火焰加热器管中的腐蚀和结焦的方法。
本文所述的本发明双金属管可用在下列非限制类型的应用领域和用途中。获益于本发明的形成氧化铝的合金块的火焰加热器管的表面包括在使用过程中的任何时刻与烃工艺流接触的装置、反应器系统和单元。在精炼工艺用途中,这些装置、反应器系统和单元包括,但不限于,炼油厂加工设施中的常压和真空蒸馏管式炉、炼焦器和减粘裂化炉和容易腐蚀和结垢的用于输送或传输工艺流的其它部件。在石油化工工艺用途中,这些装置、反应器系统和单元包括,但不限于,蒸汽裂化炉中的辐射段炉管、对流炉管和转油线换热器(TLEs)以及容易腐蚀和结焦的用于输送或传输烃工艺流的其它部件。
试验方法
可以通过电子探针微量分析仪(EPMA)测定化学组成。EPMA与扫描电子显微术(SEM)基本相同,且增加了化学分析能力。EPMA最重要的是能通过波长色散光谱法(WDS)获得精确的定量元素分析。由于分析的空间规模与产生样品详细图像的能力结合,因而能够原位分析材料并分辨单相内的复杂化学变化。或者,可以通过能量色散x-射线光谱学(EDXS)测定化学组成。
粗糙度通常表示为算术平均粗糙度(Ra)。在样品长度L内测量不平整形貌的粗糙部分距平均线的算术平均高度。标准截止为0.8毫米,测量长度为4.8毫米。这种测量符合ANSI/ASME B46.1“Surface Texture–Surface Roughness,Waviness and Lay”,其用于根据本发明测定表面粗糙度。
下面是本发明的实施例。它们不应被视为对本发明的限制。
实施例
实施例1:由9Cr(T9)低铬钢制成的无裂纹的形成氧化铝的双金属管
制备尺寸为5.00”OD x 4.25”ID x 12.0”L的一小段9Cr(T9)炉管,并为PPW法机械加工该管的内表面。通过氩气雾化法制备形成氧化铝的PPW粉末“M”。将该粉末筛分至一定尺寸以在PPW法的过程中易流动。按重量%计,粉末“M”的化学组成为余量的Ni:22.93Cr:6.68Al:33.76Fe:0.36Si。通过PPW法将粉末“M”施加到9Cr炉管的内表面上,由此制造双金属管。
所得双金属管如下构成:i)9.5毫米厚的T9低铬钢的外管层;ii)2.0毫米厚的由形成氧化铝的合金块形成的内管层;和iii)在内管层表面上形成的50纳米厚的原生氧化铝膜。揭示9Cr钢外层和形成氧化铝的PPW内层的双金属管横截面图显示在图1中。
通过EPMA测得的形成氧化铝的合金块的化学组成为按重量%计余量的Ni:20.70Cr:5.66Al:41.40Fe:0.34Si。由于Si浓度小于0.4重量%,Fe浓度为至少35.0重量%,且Cr浓度为20.0重量%至25.0重量%,制造了无裂纹的形成氧化铝的双金属管。使用SEM的详细显微镜检查揭示由形成氧化铝的合金块通过PPW法形成的内管层的柱状晶粒结构。在微观结构中还观察到富Al的Ni3Al或NiAl型晶粒、氮化铝夹杂物和富Cr的碳化物沉淀物。图2显示了本发明的形成氧化铝的双金属管的各主要元素的EDXS浓度线分布图。由形成氧化铝的合金块形成的内管层(标作PPW)显示大约6重量%的Al、21重量%的Cr和42重量%的Fe及余量的Ni。EDXS不像EPMA那样精确,但仍提供了由形成氧化铝的合金块形成的内管层由5.0至10.0重量%的Al、20.0重量%至25.0重量%的Cr、少于0.4重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni构成的结果。各数据点的分散归因于在PPW层中存在金属间沉淀物、富Cr的碳化物沉淀物和氮化铝夹杂物。
实施例2:由9Cr(T9)低铬钢制成的无裂纹的形成氧化铝的双金属管
制备尺寸为5.00”OD x 4.25”ID x 12.0”L的一小段9Cr(T9)炉管,并为PPW法机械加工该管的内表面。通过氩气雾化法制备形成氧化铝的PPW粉末“O”。将该粉末筛分至一定尺寸以在PPW法的过程中易流动。按重量%计,粉末“O”的化学组成为余量的Ni:24.20Cr:6.25Al:32.20Fe:0.14Si。通过PPW法将粉末“O”施加到9Cr炉管的内表面上,由此制造双金属管。
所得双金属管如下构成:i)9.5毫米厚的T9低铬钢的外管层;ii)2.0毫米厚的由形成氧化铝的合金块形成的内管层;和iii)在内管层表面上形成的50纳米厚的原生氧化铝膜。揭示外9Cr钢层和成氧化铝PPW内层的双金属管横截面图显示在图1中。
通过EPMA测得的形成氧化铝的合金块的化学组成为按重量%计余量的Ni:21.28Cr:5.67Al:41.55Fe:0.17Si。由于Si浓度小于0.3重量%,Fe浓度为至少40.0重量%,且Cr浓度为20.0重量%至24.0重量%,制造了无裂纹的形成氧化铝的双金属管。使用SEM的详细显微镜检查揭示由形成氧化铝的合金块通过PPW法形成的内管层的柱状晶粒结构。在微观结构中还观察到富Al的Ni3Al或NiAl型晶粒、氮化铝夹杂物和富Cr的碳化物沉淀物。
实施例3(对比例):由9Cr(T9)低铬钢制成的开裂的形成氧化铝的双
金属管
制备尺寸为5.00”OD x 4.25”ID x 12.0”L的一小段9Cr(T9)炉管,并为PPW法机械加工该管的内表面。通过氩气雾化法制备形成氧化铝的PPW粉末“N”。将该粉末筛分至一定尺寸以在PPW法的过程中易流动。按重量%计,粉末“N”的化学组成为余量的Ni:19.82Cr:7.36Al:39.30Fe:0.25Si。通过经PPW法将粉末“N”施加到9Cr炉管的内表面上,制造双金属管。
所得双金属管如下构成:i)9.5毫米厚的T9低铬钢的外管层;ii)2.0毫米厚的由形成氧化铝的合金块形成的内管层;和iii)在内管层表面上形成的50纳米厚的原生氧化铝膜。揭示外9Cr钢层和成氧化铝PPW内层的双金属管横截面图显示在图1中。
通过EPMA测得的形成氧化铝的合金块的化学组成为按重量%计余量的Ni:17.07Cr:5.04Al:39.48Fe:0.21Si。尽管Si浓度小于0.3重量%,但Fe浓度小于40.0重量%且Cr浓度也小于20.0重量%。由于Fe和Cr的较低量,所得形成氧化铝的双金属管在标准贯入试验后表现出“气孔”裂纹状缺陷。这种结果证实,尽管成氧化铝PPW层中的Si浓度小于0.3重量%,但Fe和Cr浓度应分别为至少40重量%和20重量%才能制造本发明的无裂纹的双金属管。
实施例4:由9Cr(T9)低铬钢制成的无裂纹的形成氧化铝的双金属管
制备尺寸为5.00”OD x 4.25”ID x 12.0”L的一小段9Cr(T9)炉管,并为PPW法机械加工该管的内表面。通过氩气雾化法制备形成氧化铝的PPW粉末“N+O”。将该粉末筛分至一定尺寸以在PPW法的过程中易流动。按重量%计,粉末“N+O”的化学组成为余量的Ni:22.01Cr:6.81Al:35.75Fe:0.22Si。通过PPW法将粉末“N+O”施加到9Cr炉管的内表面上,由此制造双金属管。
所得双金属管如下构成:i)9.5毫米厚的T9低铬钢的外管层;ii)2.0毫米厚的由形成氧化铝的合金块形成的内管层;和iii)在内管层表面上形成的50纳米厚的原生氧化铝膜。揭示外9Cr钢层和成氧化铝PPW内层的双金属管横截面图显示在图1中。
通过EPMA测得的形成氧化铝的合金块的化学组成为按重量%计余量的Ni:22.10Cr:6.90Al:36.30Fe:0.20Si。由于Si浓度小于0.4重量%,Fe浓度为至少35.0重量%,且Cr浓度为20.0重量%至24.0重量%,制造了无裂纹的形成氧化铝的双金属管。使用SEM的详细显微镜检查揭示由形成氧化铝的合金块通过PPW法形成的内管层的柱状晶粒结构。在微观结构中还观察到富Al的Ni3Al或NiAl型晶粒、氮化铝夹杂物和富Cr的碳化物沉淀物。
实施例5:由347SS不锈钢制成的无裂纹的形成氧化铝的双金属管
制备尺寸为3.75”OD x 3.25”ID x 12.0”L的一小段347SS炉管,并为PPW法机械加工该管的内表面。通过氩气雾化法制备形成氧化铝的PPW粉末“P”。将所述粉末筛分至一定尺寸以在PPW法的过程中易流动。按重量%计,粉末“P”的化学组成为余量的Ni:24.20Cr:6.25Al:36.20Fe:0.14Si。通过PPW法将粉末“P”施加到347SS炉管的内表面上,由此制造双金属管。
所得无裂纹的形成氧化铝的双金属管如下构成:i)4.85毫米厚的347SS不锈钢的外管层;ii)1.50毫米厚的由形成氧化铝的合金块形成的内管层;和iii)在内管层表面上形成的50纳米厚的原生氧化铝膜。使用SEM的详细显微镜检查揭示由形成氧化铝的合金块通过PPW法形成的内管层的柱状晶粒结构。在微观结构中还观察到富Al的Ni3Al或NiAl型晶粒、氮化铝夹杂物和富Cr的碳化物沉淀物。
通过EDXS测定由形成氧化铝的合金块粉末形成的PPW层的化学组成。图3显示了本发明的形成氧化铝的双金属管的各主要元素的EDXS浓度线分布图。由形成氧化铝的合金块形成的内管层(标作PPW)显示大约6重量%的Al、21重量%的Cr和39重量%的Fe及余量的Ni。EDXS显示由形成氧化铝的合金块形成的内管层由5.0至10.0重量%的Al、20.0重量%至25.0重量%的Cr、少于0.4重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni构成。各数据点的分散归因于在PPW层中存在金属间沉淀物、富Cr的碳化物沉淀物和氮化铝夹杂物。
申请人已尝试公开可合理预见的公开主题的所有实施方案和用途。但是,可能有无法预见的非实质性修改,它们仍为等同物。尽管已联系其具体的示例性实施方案描述了本发明,但显而易见的是,本领域技术人员根据上文的描述可看出不背离本发明的精神或范围的许多替换、修改和变动。因此,本发明旨在涵盖上文的详述的所有这样的替换、修改和变动。
本文中引用的所有专利、试验程序和其它文件,包括优先权文件,在这样的公开不与本发明冲突的程度上并且在允许就此并入的所有权限内完全经此引用并入本文。
当在本文中列举数值下限和数值上限时,考虑的是从任何下限到任何上限的范围。
Claims (19)
1.用于通过炼油工艺炉的辐射段炉管输送烃原料的双金属管,其包含:i)由不锈钢形成的外管层,该不锈钢包含基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的铬;ii)由形成氧化铝的合金块形成的内管层,该合金块包含5.0至10.0重量%的Al、20.0重量%至25.0重量%的Cr、少于0.4重量%的Si和至少35.0重量%的Fe以及余量的Ni,其中所述内管层是通过在外管层的内表面上等离子体粉末焊接所述形成氧化铝的合金块而形成的;和iii)在所述内管层表面上形成的氧化物层,其中所述氧化物层包含氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其组合。
2.权利要求1的双金属管,其中所述外管层是选自347SS不锈钢和316SS不锈钢的不锈钢。
3.前述权利要求任一项的双金属管,其中所述内管层进一步包含少于0.01重量%的碳。
4.前述权利要求任一项的双金属管,其中所述内管层进一步包含0.1重量%至2.0重量%的选自Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Pb、Pd、Pt、Cu、Ag、Au及其组合的至少一种元素。
5.前述权利要求任一项的双金属管,其中所述内管层进一步包含0.1重量%至2.0重量%的至少一种选自Re、Ru、Rh、Ir、Pd、Pt、Cu、Ag、Au及其组合的元素。
6.前述权利要求任一项的双金属管,其中所述内管层进一步包含0.01重量%至2.0重量%的至少一种选自Sc、La、Y、Ce及其组合的元素。
7.前述权利要求任一项的双金属管,其中所述内管层进一步包含0.01重量%至2.0重量%的选自Al、Si、Sc、La、Y、Ce及其组合的至少一种元素的氧化物粒子。
8.前述权利要求任一项的双金属管,其中所述内管层进一步包含0.01重量%至4.0重量%的至少一种选自Mn、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W及其组合的元素。
9.前述权利要求任一项的双金属管,其中所述内管层进一步包含0.1重量%至30.0重量%的至少一种选自Ni3Al、NiAl、σ相及其组合的金属间沉淀物。
10.前述权利要求任一项的双金属管,其中所述内管层进一步包含0.01重量%至5.0重量%的至少一种选自氧化物、碳化物、氮化物、碳氮化物及其组合的夹杂物。
11.制造用于通过炼油工艺炉的辐射段炉管输送烃原料的双金属管的方法,其包括下述步骤:i)提供外管层,其中所述外管层由不锈钢形成,该不锈钢包含基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的铬;ii)在外管层的内表面上等离子体粉末焊接内管层,其中所述内管层由形成氧化铝的合金块形成,该合金块包含5.0至10.0重量%的Al、20.0重量%至25.0重量%的Cr、少于0.4重量%的Si和至少35.0重量%的Fe及余量的Ni;和iii)在所述内管层表面上形成氧化物层,其中所述氧化物层包含氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其组合。
12.权利要求11的方法,其中在形成氧化铝的合金块的使用过程中在暴露在石油化工或炼油工艺单元中的烃工艺流中时在内管层表面上原位形成所述氧化物层。
13.权利要求11的方法,其中在使用前通过使双金属管材料暴露在受控低氧分压环境中而在内管层表面上形成所述氧化物层。
14.权利要求13的方法,其中所述受控低氧分压环境选自炼油厂蒸汽、石油化工厂蒸汽、气态H2O:H2混合物和气态CO2:CO混合物。
15.权利要求13或14的方法,其中所述受控低氧分压环境进一步包含选自CH4、NH3、N2、O2、He、Ar、烃及其组合的一种或多种其它气体。
16.权利要求13、14或15的方法,其中受控低氧分压环境的温度为500℃至1200℃,且其中受控低氧分压环境暴露时间为1小时至500小时。
17.权利要求11至16任一项的方法,进一步包括通过选自后退火、回火、激光熔融及其组合的方法将内管层致密化。
18.权利要求11至17任一项的方法,进一步包括通过选自机械抛光、电抛光、研磨及其组合的方法降低内管层的表面粗糙度。
19.减轻通过炼油工艺炉的辐射段炉管输送烃原料造成的腐蚀、结焦和/或结垢的方法,其包括:提供用于炼油工艺炉的辐射段炉管的双金属管,其中所述双金属管包含:i)由不锈钢形成的外管层,该不锈钢包含基于不锈钢总重量的15.0至26.0重量%的铬;ii)由形成氧化铝的合金块形成的内管层,该合金块包含5.0至10.0重量%的Al、20.0重量%至25.0重量%的Cr、少于0.4重量%的Si和至少35.0重量%的Fe以及余量的Ni,其中所述内管层是通过在外管层的内表面上等离子体粉末焊接所述形成氧化铝的合金块而形成的;和iii)在所述内管层表面上形成的氧化物层,其中所述氧化物层包含氧化铝、氧化铬、二氧化硅、莫来石、尖晶石或其组合。
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