轉化爐管材料的發展與選用

轉化爐的管系是轉化爐的核心，包括上集氣管、上尾管、轉化管、（下尾管）、下集氣支管、下集氣總管。下集氣總管根據制氫規模大小，一般采用熱壁集合管和冷壁集合管，制氫規模較小轉化爐設備，因出口集合管膨脹量不太大，不會造成下尾管設計上的困難，故常采用熱壁集合管。制氫規模較大轉化爐，其轉化爐出口集合管受熱膨脹量在300mm以上，因熱應力產生較大的位移，單靠下尾管吸收是不可能的，生產過程中經常有尾管接頭斷裂現象，而采用冷壁集合管可緩解這些矛盾。由于下集氣支管和下集氣總管采用帶襯里的全冷壁結構，使外壁溫度降到200℃以下，大大減小了下集氣支管和自身的膨脹量，從而無需使用下尾管。

制氫轉化爐管由于管壁溫度很高，材質一般為HP-40Nb。目前，設計時轉化爐管已開始采用全冷壁集合管結構。轉化爐管采用下支承向上膨脹的結構形式，其重量靠設置的彈簧懸吊，以減少熱態下管系的應力。轉化爐管上部有兩根上集氣管，通過上尾管與轉化管連接，上尾管用于補償上集氣管與轉化管之間不同方向的位移。上集氣管和上尾管由于工作溫度較低（450~540℃），采用鉻鉬鋼，轉化爐管下部直接坐落在下集氣支管上。

轉化爐管材料的發展與選用

轉化爐管材料開發經歷了幾個階段，最早使用材料為18Cr/8Ni系列，其使用的溫度和壓力都不高（600℃以下保證耐熱強度），后來對Cr和Ni的成分進行多次調整試驗，發現25Cr20Ni的熱強度比較好，為進一步提高它的強度，把C的質量分數由0.1%提高到0.4%，開發出HK-40高溫離心鑄造爐管作為轉化管。在20世紀六、七十年代的烴類蒸汽轉化管幾乎都是用HK-40。當初的轉化爐管不加工內孔，管壁厚高達22mm，且薄厚不均勻，這不僅使爐管的內應力大、材料的重量大，且使成本居高不下，熱效率低，造成介質轉化效率低下，后經加工內孔雖有了改善，而且使用一段時間后，發現HK-40在800℃左右的溫度范圍操作易產生有害的σ相。為了減少σ相產生，后來又生產了改良型的HK-40mod。

到80年代又把用于乙烯裂解爐爐管材料的HP系列高溫合金用于烴類蒸汽轉化爐。HP耐熱合金是在HK系列基礎上發展起來的，其中Ni的質量分數提高了15%。Ni是強烈形成并穩定奧氏體且擴大奧氏體相區的元素，在奧氏體不銹鋼中，隨著鎳含量的增加σ相形成的傾向顯著降低。在碳含量相同的條件下，HP比HK的共晶碳化物多，故使蠕變斷裂強度提高。該鋼的最高使用溫度可達1100℃。為了進一步提高爐管的高溫蠕變斷裂強度和高溫韌性，在HP的基礎上又添加了Nb，W，Mo和Ti等合金元素，形成了一系列合金爐管的鋼種牌號。其中HP-40Nb是目前制氫轉化爐使用較多的材料。

HP-40Nb中含有Nb和W，而HK-40中沒有這兩種元素。Nb和W元素能提高材料的滲碳性，增加溫度劇變時的抗裂性，從而提高材料的高溫韌性，HP-40Nb線膨脹系數較HK-40小，而導熱系數較HK-40高，從而提高了材料的抗熱沖擊性能。另外HP-40Nb中元素Nb，可以在合金基體中產生細小而均勻分布的Nb（C和N）化合物，大大提高了合金的高溫抗蠕變強度，在1000℃時的高溫強度比HK-40提高約80%。轉化爐管HP-40Nb和HK-40成分和性能，將表1，表2。

轉化爐爐管的壁溫分布見圖2。高溫段在下部，低溫段在上部，一般認為溫度高，爐管容易損壞，而實際上爐管損壞都在中上部，在管內轉化氣溫度600~800最易損壞。這是由于爐管外壁溫度高，內壁溫度低，內外壁的膨脹不一樣，使爐管產生了熱應力，容易造成爐管損壞。下部雖然管壁溫度高，但由于內外壁溫差小，因此沒有損壞。由此可見，高溫爐管的失效，溫度應力是主要因素，溫差應力大于由內壓產生的應力。因此，目前高溫爐管的設計采取盡可能降低溫差應力。在同樣的壓力和溫度水平下為了降低爐管的溫差應力，最好的辦法是減少爐管的壁厚。目前，爐管的壁厚設計計算，是通過由拉森/米勒曲線求得材料的高溫持久強度來計算的。因此，為了降低爐管的壁厚，只有提高爐管材料的高溫持久強度。因此，這也是制氫轉化爐選擇HP-40Nb的原因。