转化炉管材料的发展与选用

转化炉的管系是转化炉的核心，包括上集气管、上尾管、转化管、（下尾管）、下集气支管、下集气总管。下集气总管根据制氢规模大小，一般采用热壁集合管和冷壁集合管，制氢规模较小转化炉设备，因出口集合管膨胀量不太大，不会造成下尾管设计上的困难，故常采用热壁集合管。制氢规模较大转化炉，其转化炉出口集合管受热膨胀量在300mm以上，因热应力产生较大的位移，单靠下尾管吸收是不可能的，生产过程中经常有尾管接头断裂现象，而采用冷壁集合管可缓解这些矛盾。由于下集气支管和下集气总管采用带衬里的全冷壁结构，使外壁温度降到200℃以下，大大减小了下集气支管和自身的膨胀量，从而无需使用下尾管。

制氢转化炉管由于管壁温度很高，材质一般为HP-40Nb。目前，设计时转化炉管已开始采用全冷壁集合管结构。转化炉管采用下支承向上膨胀的结构形式，其重量靠设置的弹簧悬吊，以减少热态下管系的应力。转化炉管上部有两根上集气管，通过上尾管与转化管连接，上尾管用于补偿上集气管与转化管之间不同方向的位移。上集气管和上尾管由于工作温度较低（450~540℃），采用铬钼钢，转化炉管下部直接坐落在下集气支管上。

转化炉管材料的发展与选用

转化炉管材料开发经历了几个阶段，最早使用材料为18Cr/8Ni系列，其使用的温度和压力都不高（600℃以下保证耐热强度），后来对Cr和Ni的成分进行多次调整试验，发现25Cr20Ni的热强度比较好，为进一步提高它的强度，把C的质量分数由0.1%提高到0.4%，开发出HK-40高温离心铸造炉管作为转化管。在20世纪六、七十年代的烃类蒸汽转化管几乎都是用HK-40。当初的转化炉管不加工内孔，管壁厚高达22mm，且薄厚不均匀，这不仅使炉管的内应力大、材料的重量大，且使成本居高不下，热效率低，造成介质转化效率低下，后经加工内孔虽有了改善，而且使用一段时间后，发现HK-40在800℃左右的温度范围操作易产生有害的σ相。为了减少σ相产生，后来又生产了改良型的HK-40mod。

到80年代又把用于乙烯裂解炉炉管材料的HP系列高温合金用于烃类蒸汽转化炉。HP耐热合金是在HK系列基础上发展起来的，其中Ni的质量分数提高了15%。Ni是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素，在奥氏体不锈钢中，随着镍含量的增加σ相形成的倾向显著降低。在碳含量相同的条件下，HP比HK的共晶碳化物多，故使蠕变断裂强度提高。该钢的最高使用温度可达1100℃。为了进一步提高炉管的高温蠕变断裂强度和高温韧性，在HP的基础上又添加了Nb，W，Mo和Ti等合金元素，形成了一系列合金炉管的钢种牌号。其中HP-40Nb是目前制氢转化炉使用较多的材料。

HP-40Nb中含有Nb和W，而HK-40中没有这两种元素。Nb和W元素能提高材料的渗碳性，增加温度剧变时的抗裂性，从而提高材料的高温韧性，HP-40Nb线膨胀系数较HK-40小，而导热系数较HK-40高，从而提高了材料的抗热冲击性能。另外HP-40Nb中元素Nb，可以在合金基体中产生细小而均匀分布的Nb（C和N）化合物，大大提高了合金的高温抗蠕变强度，在1000℃时的高温强度比HK-40提高约80%。转化炉管HP-40Nb和HK-40成分和性能，将表1，表2。

转化炉炉管的壁温分布见图2。高温段在下部，低温段在上部，一般认为温度高，炉管容易损坏，而实际上炉管损坏都在中上部，在管内转化气温度600~800最易损坏。这是由于炉管外壁温度高，内壁温度低，内外壁的膨胀不一样，使炉管产生了热应力，容易造成炉管损坏。下部虽然管壁温度高，但由于内外壁温差小，因此没有损坏。由此可见，高温炉管的失效，温度应力是主要因素，温差应力大于由内压产生的应力。因此，目前高温炉管的设计采取尽可能降低温差应力。在同样的压力和温度水平下为了降低炉管的温差应力，最好的办法是减少炉管的壁厚。目前，炉管的壁厚设计计算，是通过由拉森/米勒曲线求得材料的高温持久强度来计算的。因此，为了降低炉管的壁厚，只有提高炉管材料的高温持久强度。因此，这也是制氢转化炉选择HP-40Nb的原因。