CN112625728B - 一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管及其增减材制造方法 - Google Patents

一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管及其增减材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管及其增减材制造方法，所述扭曲片炉管包括扭曲片筋和两片沿扭曲片筋长度方向对称设置的圆弧状炉管壁，两片所述圆弧状炉管壁和扭曲片筋之间采用T型加强角过渡连接，围合形成筒状结构；所述炉管壁和扭曲片筋的材料相同，T型加强角的材料具有更高的高温持久力学性能和抗渗碳性能。该结构对扭曲片筋与炉管壁结合位置进行特殊设置，配合增减材复合工艺一体化成形制备，所述增材制备为激光熔化沉积增材制备，所述减材制备为铣削减材制备，克服了传统熔模铸造制备单一材料扭曲片炉管存在的缺点，扭曲片炉管的结构更优，服役性能更好；扭曲片炉管组织致密，可控，高温持久力学性能和抗渗碳性能优异。

Description

一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管及其增减材制造方法
技术领域
本发明涉及一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管及其增减材制造方法，属于石油化工技术领域。
背景技术
裂解炉是乙烯工业的龙头装置，石油烃类原料生产烯烃产物的裂解反应即发生在乙烯裂解炉辐射段炉管内，高温、短停留时间和低烃分压等条件有利于生成乙烯、丙烯等目的产物，而实现该目的需要提高裂解炉管外到管内的传热效率。在裂解炉辐射段炉管内分段加入若干扭曲片炉管，使炉管内流体状态由柱塞流转变为旋转流，对炉管管壁产生一个强烈的横向冲刷作用，可显著强化传热，同时还可减薄炉管内的边界滞留层，减缓辐射段炉管内壁的结焦趋势和渗碳强度，延长裂解炉运转周期。工业应用试验表明，当乙烯收率相同时，扭曲片炉管可使裂解炉的处理量可提高7％左右，炉管外壁温度降低20℃以上，同时炉管压降仅增加15％左右，运转周期延长50％以上，全年节省燃料1～3％。而且扭曲片炉管段只占整体炉管的很小部分，炉管的制备成本增加较低，因此扭曲片炉管技术自2006年以来就在我国乙烯裂解炉中获得推广应用。
扭曲片炉管结构极为复杂(为细长炉管内置扭曲180°片筋拘束结构)，且在不同部位，服役工况差异大。如在扭曲片筋与炉管壁结合位置易出现局部低流速区和高温区，低流速和高温使介质中硫、碳等元素在该处沉积，造成局部硫化腐蚀和异常渗碳。然而，目前传统的熔模铸造仅能整体成形出单一材料结构的扭曲片炉管，且成形扭曲片炉管铸造组织中晶粒和碳化物形貌难以控制，柱状晶比例偏低，碳化物形貌异常，以及扭曲片筋与炉管壁结合位置易产生缩松缩孔，高温持久力学性能和抗渗碳性能差，导致扭曲片炉管服役过程中频繁失效，带来巨大安全隐患。为完全满足服役要求，只能把扭曲片炉管整体换成高性能的材料，但这样会大大增加成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的单一材料结构的扭曲片炉管无法安全满足复杂多工况服役问题，以及目前熔模铸造的扭曲片炉管晶粒和碳化物形貌难以控制，导致高温持久力学性能和抗渗碳性能差问题，提供一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管及其增减材制造方法。
为了实现上述目的，所采取的技术方案为，一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管，包括扭曲片筋和两片沿扭曲片筋长度方向对称设置的圆弧状炉管壁，两片所述圆弧状炉管壁和扭曲片筋之间采用T型加强角过渡连接，围合形成筒状结构，所述炉管壁和扭曲片筋的材料相同，所述T型加强角的材料具有比炉管壁和扭曲片筋更高的高温持久力学性能和抗渗碳性能。
作为上述乙烯裂解炉用扭曲片炉管进一步的改进：
优选的，所述T型加强角与所述炉管壁之间、所述T型加强角与所述扭曲片筋之间通过过渡件连接，所述过渡件中抗渗碳组分的含量从靠近T型加强角一端到靠近炉管壁或扭曲片筋的一端逐渐递减。
优选的，所述T型加强角两侧的延伸端之间的长度L1为12～36mm，所述T型加强角中间的延伸端距离筒体内壁的长度L2为6～18mm，所述过渡件的长度L3为10～30mm。
优选的，所述炉管壁和扭曲片筋的材料为耐热钢、镍基高温合金中的一种，所述T型加强角的材料为稀土耐热钢、钴基高温合金中的一种。
优选的，所述炉管壁和扭曲片筋的材料为25Cr35NiNb合金或35Cr45NiNb合金中的一种，所述T型加强角的材料为掺杂了稀土的25Cr35NiNb合金或35Cr45NiNb合金，所述稀土为铈含量40～60wt％的混合稀土金属或镧含量80～90wt％的混合稀土金属。
优选的，所述过渡件靠近T型加强角的一端中稀土的含量与T型加强角相同，所述过渡件靠近炉管壁或扭曲片筋的一端中稀土的含量为零，从靠近T型加强角一端到靠近炉管壁或扭曲片筋的一端，过渡件中稀土的含量逐渐递减。
优选的，所述过渡件中稀土含量的递减方式为梯度递减，且梯度变化路径通过CALPHAD方法获得。
为了解决本发明的另一个技术问题，所采取的技术方案为，一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管的增减材制造方法，包括如下步骤：
S1、增减材方案制备：分析乙烯裂解炉用扭曲片炉管的CAD三维模型，制定增材制备方案和减材制备方案，所述增材制备方案为激光熔化沉积增材制备方案，所述减材制备方案为铣削减材制备方案；
S2、采用旋转电极法将制备扭曲片炉管所需的原料制成球形粉末，烘干；
S3、增材制备：采用激光熔化沉积增材制备技术，激光送粉喷嘴可同时输送2种或2种以上材料，依次在炉管壁、扭曲片筋、T型加强角的所在区域输送相应的原料或者依次在炉管壁、扭曲片筋、T型加强角、过渡件所在区域输送相应的原料，每个区域均逐层沉积3～5层增材；
S4、减材制备：采用铣削减材制备技术，按照S1中减材方案进行表面和侧面精整加工，对步骤S3中沉积的3～5层增材进行铣削，沉积体温度小于200℃；
S5、重复步骤S3和S4直至扭曲片炉管成型完成；
其中，步骤S1、S2不分先后顺序。
作为上述乙烯裂解炉用扭曲片炉管的增减材制造方法进一步的改进：
优选的，步骤S3所述增材制备中，激光束功率0.5～12KW，激光束斑直径1～10mm，扫描速度3～30mm/s，沉积效率10～100cm3/h，单层厚度0.5～2.0mm；步骤S4所述的减材制备中，径向铣削力为45～550N，径向进给量0.1～5.2mm，铣削速度75～120m/min。
优选的，步骤S3所述激光熔化沉积增材制备方案为采用基于MATLAB的STL模型算法将导入的扭曲片炉管三维模型分层切片，形成增材制备方案；步骤S4所述铣削减材制备方案为采用基于恒铣削力控制的方法，以控制径向力为目标的变进给工艺方案。
本发明相比现有技术的有益效果在于：
(1)与传统熔模铸造单一材料结构的扭曲片炉管相比，本发明扭曲片炉管的材料结构更优，本发明将扭曲片炉管结构拆分，在扭曲片筋与炉管壁的结合位置设置T型加强角，T型加强角采用抗渗碳性能和高温持久性能更优异的材料，使扭曲片炉管的服役性能更好，造价低。
(2)在T型加强角与扭曲片筋之间、T型加强角与炉管壁之间分别设置过渡件平滑过渡连接，从扭曲片筋或炉管壁一端到T型加强角一端，过渡件中的材料成分逐渐从接近扭曲片筋和炉管壁过渡到接近T型加强角的成分，界面应力小，相邻部分之间的结合更加牢固。
(3)本发明扭曲片炉管采用增减材复合工艺成形，可一体化实现多材料结构的整体制备，制备效率高，成本低。
附图说明
图1为本发明乙烯裂解炉用扭曲片炉管的结构图；
附图中标记的含义如下：
1、炉管壁；2、扭曲片筋；3、T型加强角；4、过渡件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管，包括炉管壁、扭曲片筋和T型加强角，炉管壁和扭曲片筋为25Cr35NiNb合金，T型加强角为稀土耐热钢，稀土耐热钢为25Cr35NiNb合金+铈(Ce)为主的混合稀土金属微合金化钢，铈(Ce)为主的混合稀土金属含量2.6wt％。
实施例2
一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管，包括炉管壁、扭曲片筋和T型加强角，炉管壁和扭曲片筋为35Cr45NiNb合金，T型加强角为稀土耐热钢，稀土耐热钢为35Cr45NiNb合金+铈(Ce)为主的混合稀土金属微合金化钢，铈(Ce)为主的混合稀土金属含量2.8wt％。
实施例3
一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管，包括炉管壁、扭曲片筋和T型加强角，炉管壁和扭曲片筋为25Cr35NiNb合金，T型加强角为稀土耐热钢，稀土耐热钢为25Cr35NiNb合金+高镧(La 80～90wt％)混合稀土金属微合金化钢，高镧(La 80～90wt％)混合稀土金属含量1.9wt％。
实施例4
一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管，包括炉管壁、扭曲片筋和T型加强角，炉管壁和扭曲片筋为35Cr45NiNb合金，T型加强角为稀土耐热钢，稀土耐热钢为35Cr45NiNb合金+高镧(La 80～90wt％)混合稀土金属微合金化钢，高镧(La 80～90wt％)混合稀土金属含量1.5wt％。
实施例5
一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管，包括炉管壁、扭曲片筋，T型加强角和T型加强角与炉管壁或扭曲片筋之间过渡件，炉管壁和扭曲片筋为25Cr35NiNb合金，T型加强角为稀土耐热钢，稀土耐热钢为25Cr35NiNb合金+铈(Ce)为主的混合稀土金属微合金化钢，铈(Ce)为主的混合稀土金属含量3.7wt％，过渡件为25Cr35NiNb合金+铈(Ce)为主的混合稀土金属微合金化钢，稀土含量从T型加强角侧至炉管壁或扭曲片筋侧，由3.7wt％，梯度减少至零，具体稀土含量梯度变化路径由CALPHAD方法获得，具体为由3.7wt％减少至3.3wt％，再减少至2.7wt％，再减少至1.9wt％，再减少至1.2wt％，再减少至0.5wt％，再减少至0wt％。
实施例6
一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管，包括炉管壁、扭曲片筋，T型加强角和T型加强角与炉管壁或扭曲片筋之间过渡件，炉管壁和扭曲片筋为35Cr45NiNb合金，T型加强角为稀土耐热钢，稀土耐热钢为35Cr45NiNb合金+铈(Ce)为主的混合稀土金属微合金化钢，铈(Ce)为主的混合稀土金属含量4.2wt％，过渡件为35Cr45NiNb合金+铈(Ce)为主的混合稀土金属微合金化钢，稀土含量从T型加强角侧至炉管壁或扭曲片筋侧，由4.2wt％，梯度减少至零，具体稀土含量梯度变化路径由CALPHAD方法获得，具体为由4.2wt％减少至3.8wt％，再减少至3.1wt％，再减少至2.7wt％，再减少至2.0wt％，再减少至1.1wt％，再减少至0.6wt％，再减少至0wt％。
实施例7
一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管，包括炉管壁、扭曲片筋，T型加强角和T型加强角与炉管壁或扭曲片筋之间过渡件，炉管壁和扭曲片筋为25Cr35NiNb合金，T型加强角为稀土耐热钢，稀土耐热钢为25Cr35NiNb合金+高镧(La 80～90wt％)混合稀土金属微合金化钢微合金化钢，高镧(La 80～90wt％)混合稀土金属微合金化钢含量3.2wt％，过渡件为25Cr35NiNb合金+高镧(La 80～90wt％)混合稀土金属微合金化钢微合金化钢，稀土含量从T型加强角侧至炉管壁或扭曲片筋侧，由3.2wt％，梯度减少至零，具体稀土含量梯度变化路径由CALPHAD方法获得，具体为由3.2wt％减少至2.8wt％，再减少至2.1wt％，再减少至1.7wt％，再减少至1.0wt％，再减少至0.9wt％，再减少至0.4wt％，再减少至0wt％。
实施例8
一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管，包括炉管壁、扭曲片筋，T型加强角和T型加强角与炉管壁或扭曲片筋之间过渡件，炉管壁和扭曲片筋为35Cr45NiNb合金，T型加强角为稀土耐热钢，稀土耐热钢为35Cr45NiNb合金+高镧(La 80～90wt％)混合稀土金属微合金化钢微合金化钢，高镧(La 80～90wt％)混合稀土金属微合金化钢含量3.5wt％，过渡件为35Cr45NiNb合金+高镧(La 80～90wt％)混合稀土金属微合金化钢微合金化钢，稀土含量从T型加强角侧至炉管壁或扭曲片筋侧，由3.5wt％，梯度减少至零，具体稀土含量梯度变化路径由CALPHAD方法获得，具体为由3.5wt％减少至2.9wt％，再减少至2.2wt％，再减少至1.6wt％，再减少至1.0wt％，再减少至0.3wt％，再减少至0wt％。
实施例9
一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管的增减材制造方法，具体步骤如下：
S1：采用激光熔化沉积增材制备技术，逐层沉积材料3～5层，其中增材制备激光束功率0.5KW，激光束斑直径1mm，扫描速度30mm/s，沉积效率10cm3/h，单层厚度0.5mm，激光送粉喷嘴可同时输送2种或2种以上材料，在炉管壁或扭曲片筋区域输送25Cr35NiNb合金粉末，在T型加强角区域同时输送稀土粉末和25Cr35NiNb合金粉末，稀土粉末输送量占粉末输送总量的2.6wt％，稀土粉末为铈(Ce)为主的混合稀土金属粉末；
S2：恒径向铣削力的变进给减材技术，180℃下对3～5层激光熔化沉积体表面和侧面加工精整，铣削力550N，进给量0.3～5.2mm变化，铣削速度85～120m/min变化；
S3：重复步骤S1和S2直至扭曲片炉管成型完成。
本实施例制备乙烯裂解炉用扭曲片炉管内部柱状晶比例大于70％，碳化物沿晶界呈骨架状分布，碳化物形状为短棒状；扭曲片炉管16/17MPa，1100℃下高温持久力学性能大于120h，渗碳速率小于0.6mm/a，服役寿命不少于5年。而采用单一25Cr35NiNb合金，熔模铸造整体成形扭曲片炉管内部状晶比例小于50％，碳化物沿晶界呈团簇状分布，且易产生有害相(G相)；扭曲片炉管16/17MPa，1100℃下高温持久力学性能在40～80h，渗碳速率大于2mm/a，服役寿命在1～4年。
实施例10
一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管的增减材制造方法，具体步骤如下：
S1：采用激光熔化沉积增材制备技术，逐层沉积材料3～5层，其中增材制备激光束功率12KW，激光束斑直径10mm，扫描速度3mm/s，沉积效率100cm3/h，单层厚度2mm，激光送粉喷嘴可同时输送2种或2种以上材料，在炉管壁或扭曲片筋区域输送35Cr45NiNb合金粉末，在T型加强角区域同时输送稀土粉末和35Cr45NiNb合金粉末，稀土粉末输送量占粉末输送总量的3.5wt％，稀土粉末为高镧(La 80～90wt％)混合稀土金属粉末，在过渡件区域同时输送高镧(La 80～90wt％)混合稀土金属粉末和35Cr45NiNb合金粉末，高镧(La 80～90wt％)混合稀土金属粉末含量由T型加强角侧至炉管壁或扭曲片筋侧，由3.5wt％减少至2.9wt％，再减少至2.2wt％，再减少至1.6wt％，再减少至1.0wt％，再减少至0.3wt％，再减少至0wt％，各成分梯度层宽度均为3mm；S2：恒径向铣削力的变进给减材技术，150℃下对3～5层激光熔化沉积体表面和侧面加工精整，铣削力45N，进给量0.1～0.3mm变化，铣削速度75～90m/min变化；S3：重复步骤S1和S2直至扭曲片炉管成型完成。
本实施例制备乙烯裂解炉用扭曲片炉管内部柱状晶比例大于70％，碳化物沿晶界呈骨架状分布，碳化物形状为短棒状；扭曲片炉管16/17MPa，1100℃下高温持久力学性能大于120h，渗碳速率小于0.6mm/a，服役寿命不少于5年。而采用单一35Cr45NiNb合金，熔模铸造整体成形扭曲片炉管内部状晶比例小于50％，碳化物沿晶界呈团簇状分布，且易产生有害相(G相)；扭曲片炉管16/17MPa，1100℃下高温持久力学性能在40～80h，渗碳速率大于2mm/a，服役寿命在1～4年。
由实施例9-10中采用本发明的增减材制造方法制得特定结构的扭曲片炉管，相比采用该方法制得的单一合金的扭曲片炉管，其高温持久力学性能和抗渗碳性能均更优异，服役寿命也更长。
本领域的技术人员应理解，以上所述仅为本发明的若干个具体实施方式，而不是全部实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，还可以做出许多变形和改进，所有未超出权利要求所述的变形或改进均应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管的增减材制造方法，其特征在于，所述扭曲片炉管包括扭曲片筋（2）和两片沿扭曲片筋（2）长度方向对称设置的圆弧状炉管壁（1），两片所述炉管壁（1）和扭曲片筋（2）之间采用T型加强角（3）过渡连接，并围合形成筒状结构，所述炉管壁（1）和扭曲片筋（2）的材料相同，所述T型加强角（3）的材料具有比炉管壁（1）和扭曲片筋（2）更高的抗渗碳性能；所述T型加强角（3）与所述炉管壁（1）之间、所述T型加强角（3）与所述扭曲片筋（2）之间均通过过渡件（4）连接，所述过渡件（4）中抗渗碳组分的含量从靠近T型加强角（3）一端到靠近炉管壁（1）或扭曲片筋（2）的一端逐渐递减；
其制造方法包括如下步骤：
S1、增减材方案制备：分析乙烯裂解炉用扭曲片炉管的 CAD 三维模型，制定增材制备方案和减材制备方案，所述增材制备方案为激光熔化沉积增材制备方案，所述减材制备方案为铣削减材制备方案；
S2、采用旋转电极法将制备扭曲片炉管所需的原料制成球形粉末，烘干；
S3、增材制备：采用激光熔化沉积增材制备方案，激光送粉喷嘴可同时输送2种或2种以上材料，依次在炉管壁（1）、扭曲片筋（2）、T型加强角（3）的所在区域输送相应的原料或者依次在炉管壁（1）、扭曲片筋（2）、T型加强角（3）、过渡件（4）所在区域输送相应的原料，每个区域均逐层沉积3~5层增材；
S4、减材制备：采用铣削减材制备方案，按照S1中减材方案进行表面和侧面精整加工，对步骤S3中沉积的3~5层增材进行铣削，沉积体温度小于200℃；
S5、重复步骤S3和S4直至扭曲片炉管成型完成；
其中，步骤S1、S2不分先后顺序。
2.根据权利要求1所述一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管的增减材制造方法，其特征在于，所述T型加强角（3）两侧的延伸端之间的长度L1为12~36mm，所述T型加强角（3）中间的延伸端距离筒体内壁的长度L2为6~18 mm，所述过渡件（4）的长度L3为10~30 mm。
3.根据权利要求1所述的一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管的增减材制造方法，其特征在于，所述炉管壁（1）和扭曲片筋（2）的材料为耐热钢、镍基高温合金中的一种，所述T型加强角（3）的材料为稀土耐热钢、钴基高温合金中的一种。
4.根据权利要求3所述的一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管的增减材制造方法，其特征在于，所述炉管壁（1）和扭曲片筋（2）的材料为25Cr35NiNb合金或35Cr45NiNb合金中的一种，所述T型加强角（3）的材料为掺杂了稀土的25Cr35NiNb合金或35Cr45NiNb合金，所述稀土为铈含量40~60wt%的混合稀土金属或镧含量80~90wt%的混合稀土金属。
5.根据权利要求4所述的一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管的增减材制造方法，其特征在于，所述过渡件（4）靠近T型加强角（3）的一端中稀土的含量与T型加强角（3）相同，所述过渡件（4）靠近炉管壁（1）或扭曲片筋（2）的一端中稀土的含量为零，从靠近T型加强角（3）一端到靠近炉管壁（1）或扭曲片筋（2）的一端，过渡件（4）中稀土的含量逐渐递减。
6.根据权利要求5所述的一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管的增减材制造方法，其特征在于，所述过渡件（4）中稀土含量的递减方式为梯度递减，且梯度变化路径通过CALPHAD方法获得。
7.根据权利要求1所述的一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管的增减材制造方法，其特征在于，步骤S3所述增材制备中，激光束功率0.5~12 KW，激光束斑直径1~10 mm，扫描速度3~30mm/s，沉积效率10~100 cm3/h，单层厚度0.5~2.0 mm；步骤S4所述的减材制备中，径向铣削力为45~550 N，径向进给量0.1~5.2 mm，铣削速度75~120 m/min。
8.根据权利要求1所述的一种乙烯裂解炉用扭曲片炉管的增减材制造方法，其特征在于，步骤S3所述激光熔化沉积增材制备方案为采用基于MATLAB的STL模型算法将导入的扭曲片炉管三维模型分层切片，形成增材制备方案；步骤S4所述铣削减材制备方案为采用基于恒铣削力控制的方法，以控制径向力为目标的变进给工艺方案。
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