CN118048595A

CN118048595A - 一种高温加氢裂化装置设备用金属涂层及其制备工艺

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Publication number: CN118048595A
Application number: CN202410165527.3A
Authority: CN
Inventors: 侯应黎; 董燕梅; 何德军
Original assignee: Sichuan Liming Brazing Technology Co ltd
Current assignee: Sichuan Liming Brazing Technology Co ltd
Priority date: 2024-02-05
Filing date: 2024-02-05
Publication date: 2024-05-17

Abstract

本发明公开了一种高温加氢裂化装置设备用金属涂层及其制备工艺，金属涂层所用金属粉末包括：16％～20％的Ni，20％～24％的Cr，54％～64％的Co，2.8％～5.0％的W；5.0％～8.0％的Si。本发明的积极效果是：本发明的涂层材料能满足感应加热对材料自熔性的要求，通过涂层预制+电磁感应熔覆的新型涂覆工艺方法制备承压设备金属涂层，既满足高温H₂+H₂S等介质环境的腐蚀要求，又能极大地提高了涂层与基体之间的结合强度不低于300MPa、消除了涂层的孔隙率，是一种能既耐氢损伤、高温H₂+H₂S腐蚀、连多硫酸腐蚀和高温硫腐蚀工况、又能在高温加氢裂化装置设备上推广使用的新型耐蚀金属涂层。

Description

一种高温加氢裂化装置设备用金属涂层及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种石油化工领域高温加氢裂化装置设备及管线用新型金属涂层及其制备工艺。

背景技术

世界上含硫和高含硫原油的产量已占世界原油总产量的75％以上，其中硫含量大于2％的高含硫原油约占30％。这些原油的炼油装置在设计新建开工或改造投产仅几个月或一年，就发生严重腐蚀泄漏问题。特别是加氢裂化装置的大型加氢反应器、反应流出物高压换热器、反应炉炉管、热高分离器及相应的工艺管线等核心设备。在高温(T>220℃)工况下，设备和管线发生严重的氢损伤、高温H₂+H₂S腐蚀、连多硫酸腐蚀、高温硫腐蚀等；目前(1)在高温临氢环境下操作的设备根据操作的氢分压和操作温度参照纳尔逊曲线选材，(2)在高温H₂+H₂S腐蚀根据Couper曲线选材，(3)在高温硫腐蚀根据McConomy曲线选材；(4)有连多硫酸腐蚀部位一般选应选用稳定型奥氏体不锈钢。因此，高温、高压(设计压力超过10MPa)加氢裂化装置的大型加氢反应器、高压换热器设备等壳体选用2.25Cr-1Mo或3.5Cr-1Mo铬钼钢堆焊奥氏体不锈钢，不仅制造工艺极其苛刻，还要避免基层Cr-Mo钢的回火脆性，以及高压厚壁容器热处理引起的堆焊层耐蚀性下降，很多设备在投产不到1年就出现裂纹或失效，严重影响装置的正常运行，给企业造成极大的经济损失。因此，亟须寻找一种在能耐高温加氢裂化装置恶劣腐蚀工况的新型耐蚀涂层材料及制备工艺。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种高温加氢裂化装置设备及管线用耐蚀金属涂层材料及其制备工艺，适用于高温(T>220℃)工况下由H₂+H₂S等腐蚀介质引起的氢损伤、高温H₂+H₂S腐蚀、连多硫酸腐蚀和高温硫腐蚀；同时采用涂层预制+后处理的新型涂层制备工艺。本发明可有效克服现有技术中因基层Cr-Mo钢存在回火脆性，以及高压厚壁容器热处理引起的堆焊层耐蚀性下降的弊端。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高温加氢裂化装置设备用金属涂层，所用金属粉末包括：16％～20％的Ni，20％～24％的Cr，54％～64％的Co，2.8％～5.0％的W；5.0％～8.0％的Si。

本发明还提供了一种高温加氢裂化装置设备用金属涂层的制备工艺，包括如下步骤：

步骤一、制作合金粉末PB-Ni90CrCo：

筛选合金或纯材按配比制取金属混合物，通过烧结熔化达到充分混合，并采用气雾化法生产得到形状为球形或近球形、粒度为120～400目或更细的合金粉末PB-Ni90CrCo；

步骤二、对需防护部位进行表面预处理；

步骤三、对需防护部位表面进行涂层预制：

(1)热喷涂预制：将合金粉末PB-Ni90CrCo在烘箱中105～115℃烘干6～10h后装入送粉系统中，然后启动空气压缩机、水冷系统和火焰喷涂设备，在经过预处理合格的基面上，首先采用氧乙炔火焰喷涂金属底层；然后采用超音速喷涂金属中间层或面层直至预制厚度达到规定的厚度以上；

(2)涂抹预制：在经过预处理合格的基面上，首先将金属涂膏用喷枪或涂刷的方法，按照从上到下，从左到右的顺序进行均匀涂敷预制，保证涂层厚度均匀，单次涂敷厚度不大于0.15mm；待涂层表面干透后，再按相同的方法涂刷中间层和面层，直至预制厚度达到规定的厚度以上；

步骤四、采用电磁感应加热对预制凃层以连续扫描加热的方式进行熔覆；

步骤五、表面质量检测。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明提供了一种高温加氢裂化装置设备用新型金属涂层，能代替目前临氢设备堆焊奥氏体不锈钢表面使用的Cr₂O₃、ZrO₂、SiC、Al₂O₃等陶瓷涂层，克服了现有涂层高温下易脱落，使用效果差的缺点；本发明的新型金属涂层主要合金元素包括：16％～20％的Ni，20％～24％的Cr，54％～64％的Co，2.8％～5.0％的W；5.0％～8.0％的Si；其中金属钴抗氢脆性能比镍效果好，能够与Ni结合生成Co-Ni复合金属涂层，通过钎涂工艺形成冶金结合，不脱落、耐高温长效防护。

本发明的涂层材料能满足感应加热对材料自熔性的要求，通过涂层预制+电磁感应熔覆的新型喷涂工艺方法制备承压设备金属涂层，既满足高温H₂+H₂S等介质环境的腐蚀要求，又能极大地提高了涂层与基体之间的结合强度(不低于300MPa)、消除了涂层的孔隙率(一般为0)，是一种能既耐氢损伤、高温H₂+H₂S腐蚀、连多硫酸腐蚀和高温硫腐蚀工况、又能在高温加氢裂化装置设备上推广使用的经济型新型耐蚀材料。

具体实施方式

一种高温加氢裂化装置设备及管线用金属防腐涂层，所用金属粉末包括：16％～20％的Ni，20％～24％的Cr，54％～64％的Co，2.8％～5.0％的W；5.0％～8.0％的Si。金属粉末采用气雾化法生产，形状为球形或近球形、粒度为120～400目或更细，适合制作金属涂层。

一种高温加氢裂化装置设备及管线用金属涂层制备方法，包括如下步骤：

步骤一：选择金属粉末和磨料

(1)选择合金粉末PB-Ni90CrCo，主要包括：16％～20％的Ni，20％～24％的Cr，54％～64％的Co，2.8％～5.0％的W；5.0％～8.0％的Si。金属粉末采用气雾化法生产，形状为球形或近球形、粒度为120～400目，适合火焰喷涂。

(2)磨料：根据涂层厚度和砂粒直径之间的关系，按设计涂层厚度选用规格为14目或16目的棕刚玉，保证涂层和承压设备之间有良好的结合力。

(3)金属涂膏制作：粘结剂采用PVA+HPMC等复合胶，比例5％-12％，金属粉末占88％-95％，高速搅拌混合20-40分钟即可。

步骤二：对承压设备、管线基材或堆焊层内壁需防护部位进行预处理和表面除锈

(1)对承压设备、管线基材或堆焊层内表面进行预处理：将表面的凹凸不平、非圆弧过渡打磨圆滑；将基材表面存在的毛刺、焊渣、积尘及疏松清除干净；将基材表面上任何原来的表面处理层(如氮化层、电镀层等)清除干净。

(2)将磨料装入喷砂设备中，将喷砂枪通过操作孔置于压力容器内，启动空气压缩机，人工操作或机械自动操作喷砂枪使压力容器内壁需防护部位进行表面除锈，确保表面除锈等级不低于Sa3.0级。

步骤三：在承压承压设备、管线基材或堆焊层内部与腐蚀介质接触表面预制金属耐腐蚀凃层

(1)热喷涂预制：将金属粉末在烘箱中105～115℃烘干6～10h后装入送粉系统中，启动空气压缩机、水冷系统和火焰喷涂设备。首先采用氧乙炔火焰喷涂金属底层，调整负压重力送粉器的流量78～80g/min，保证喷涂距离80～100mm，控制氧气压力0.8～0.9MPa、氧气流量16～20L/min，控制乙炔压力0.1～0.12MPa、乙炔流量11～13L/min，形成氧化性焰流，通过人工操作或机械自动操作喷涂枪将120～400目的PB-Ni90CrCo金属粉末融化喷射成性能参数符合要求的金属底层；然后采用超音速喷涂金属中间层或面层，调整氮气送粉器压力0.7～0.80MPa、氮气流量0.3～0.4L/min，保证喷涂距离100～120mm，控制氧气压力0.8～0.9MPa、氧气流量30～32L/min，控制丙烷压力0.6～0.7MPa、丙烷流量16～20L/min，形成氧化性焰流；控制火焰喷吹空气压力0.6～0.7MPa、空气流量70～80L/min，通过人工操作或机器人操作喷涂枪将120～400目的合金粉末PB-Ni90CrCo融化喷射成性能参数符合要求的金属中间层或面层。

(2)涂抹预制：在经过预处理合格的基面上，首先将按比例搅拌混合好的金属底膏，用喷枪或涂刷的方法，按照从上到下，从左到右的顺序进行均匀涂敷预制，保证涂层厚度均匀，单次涂敷厚度不大于0.15mm；待涂层表面干透后(含水率小于10％)，再按以上方法涂刷中间层和面层，直至预制厚度达到规定的厚度以上。

在涂层预制过程中用测厚仪检测金属涂层厚度，保证耐腐蚀涂层厚度满足设计要求(一般0.3mm到0.8mm)；若厚度大于或等于规定厚度0.1mm以上，采用磨削机械将多余的涂层磨去即可。

步骤四：后处理，提高涂层的结合强度，消除孔隙率

将感应加热器轨迹控制系统放入容器内，保证感应加热器既能沿压力容器内壁做圆周运动(50～120mm/min)，又可以沿轴向方向移动(移动范围0～4.0m)，还可以沿径向方向调整(距涂层表面1～3mm)。启动工装轨迹控制系统和高频感应加热控制系统(设置频率80～300KHz、功率50～200Kw)，使得涂层始终达到感应重熔温度(960～1050℃)、热影响厚度小于等于2mm，保证金属涂层中无未熔透或过熔等缺陷。每道熔覆完毕，调整工装使感应枪移动约感应线圈宽度的3/4，保证涂层每道间搭接无夹生。采用人工或机器人操作重复上述步骤直至完成所有需要喷涂的部位。

步骤五：表面质量检测

对涂层表面进行超声和着色检测，保证涂层无裂纹、气孔、夹渣等缺陷。否则，应手动打磨该缺陷区域至基体，采用局部修复，直到检测合格为止。

本发明的工作原理

16％以上的镍，添加20％以上的铬，和金属钴一起真空熔炼，形成耐高温抗氧化粉末，能确保合金具有良好的抗点蚀性能；54％以上的Co，作为主要元素，和硼硅组成自熔合金，在大气条件下烧结形成涂层，硅元素保证金属涂层与基体金属材料有良好的润湿性和合金之间的自熔性，同时使得金属涂层具有匹配的硬度和平整的表面，并消除金属涂层内部的孔隙率；添加加入少量的W，提高了涂层硬度，保证涂层具有良好的抗点蚀和缝隙腐蚀性能。配合火焰喷涂+感应加热后处理或金属膏涂覆+感应加热后处理的工艺方法，既保证PVB-Ni90CrCo承压设备金属涂层在含盐和湿硫化氢工况下的腐蚀性，又保证金属涂层在使用的过程中与基体之间、金属涂层本体之间具有良好的结合强度(不低于300MPa)。

Claims

1.一种高温加氢裂化装置设备用金属涂层，其特征在于：所用金属粉末包括：16％～20％的Ni，20％～24％的Cr，54％～64％的Co，2.8％～5.0％的W；5.0％～8.0％的Si。

2.一种基于权利要求1所述的高温加氢裂化装置设备用金属涂层的制备工艺，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、制作合金粉末PB-Ni90CrCo：

按配比称取金属粉末，通过烧结熔化达到充分混合，并采用气雾化法生产得到形状为球形或近球形、粒度为120～400目的合金粉末PB-Ni90CrCo；

步骤二、对需防护部位进行表面预处理；

步骤三、对需防护部位表面进行涂层预制：

步骤五、表面质量检测。

3.根据权利要求2所述的高温加氢裂化装置设备用金属涂层的制备工艺，其特征在于：步骤二所述对需防护部位进行表面预处理的方法为：

(1)将基材表面的凹凸不平、非圆弧过渡打磨圆滑；将基材表面存在的毛刺、焊渣、积尘及疏松清除干净；将基材表面原有的表面处理层清除干净；

(2)将磨料装入喷砂设备中，将喷砂枪通过操作孔置于压力容器内，启动空气压缩机，操作喷砂枪对需防护部位进行表面除锈，确保表面除锈等级不低于Sa3.0级。

4.根据权利要求3所述的高温加氢裂化装置设备用金属涂层的制备工艺，其特征在于：包括如下步骤：所述磨料为14目或16目的棕刚玉。

5.根据权利要求2所述的高温加氢裂化装置设备用金属涂层的制备工艺，其特征在于：步骤三中，在凃层预制过程中，采用测厚仪检测金属涂层厚度，保证涂层厚度满足设计要求，若厚度大于或等于规定厚度0.1mm以上时，采用磨削机械将多余的涂层磨去即可。

6.根据权利要求2所述的高温加氢裂化装置设备用金属涂层的制备工艺，其特征在于：步骤三中，采用氧乙炔火焰喷涂金属底层的方法为：调整负压重力送粉器的流量78～80g/min，保证喷涂距离80～100mm，控制氧气压力0.8～0.9MPa、氧气流量16～20L/min，控制乙炔压力0.1～0.12MPa、乙炔流量11～13L/min，形成氧化性焰流后，操作喷涂枪将120～400目的合金粉末PB-Ni90CrCo融化喷射成性能参数符合要求的金属底层。

7.根据权利要求2所述的高温加氢裂化装置设备用金属涂层的制备工艺，其特征在于：步骤三中，采用超音速喷涂金属中间层或面层的方法为：调整氮气送粉器压力0.7～0.80MPa、氮气流量0.3～0.4L/min，保证喷涂距离100～120mm，控制氧气压力0.8～0.9MPa、氧气流量30～32L/min，控制丙烷压力0.6～0.7MPa、丙烷流量16～20L/min，形成氧化性焰流；控制火焰喷吹空气压力0.6～0.7MPa、空气流量70～80L/min，通过人工操作或机器人操作喷涂枪将120～400目的合金粉末PB-Ni90CrCo融化喷射成性能参数符合要求的金属中间层或面层。

8.根据权利要求2所述的高温加氢裂化装置设备用金属涂层的制备工艺，其特征在于：步骤三中，金属涂膏的制作方法为：采用复合胶PVA+HPMC作为粘结剂、比例为5-12％，与合金粉末PB-Ni90CrCo、比例为88-95％，高速搅拌混合20-40分钟即可。

9.根据权利要求2所述的高温加氢裂化装置设备用金属涂层的制备工艺，其特征在于：步骤四所述采用电磁感应加热对预制凃层以连续扫描加热的方式进行熔覆的方法为：

第一步、将感应加热器轨迹控制系统放入容器内，保证感应加热器既能沿压力容器内壁做50～120mm/min的圆周运动，又能沿轴向移动0～4.0m，还能沿径向在距涂层表面1～3mm内进行调整；

第二步、启动工装轨迹控制系统和高频感应加热控制系统，频率为80～300KHz、功率为50～200Kw，使得涂层始终达到感应重熔温度960～1050℃、热影响厚度小于等于2mm，确保金属涂层中无未熔透或过熔缺陷；

第三步、每道熔覆完毕，调整工装使感应枪移动感应线圈宽度的3/4，保证涂层每道间搭接无夹生，然后重复上述步骤直至完成所有需要喷涂的部位。

10.根据权利要求2所述的高温加氢裂化装置设备用金属涂层的制备工艺，其特征在于：步骤五所述表面质量检测的方法为：对涂层表面进行超声和着色检测，若涂层有裂纹、气孔、夹渣缺陷，则手动打磨缺陷区域至基体，采用局部修复，直到检测合格为止。