一种新型耐腐蚀加氢用高压热电偶的研制

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    在炼油化工生产过程中,特别是在加工高含硫原油的加氢装置中,有很多高温(400℃以上)、高压(ANSI1500 lbf以上, 1 lbf≈4.448 N )、易产生氢脆和硫化腐蚀的恶劣环境,这种场所使用的热电偶极易损坏,主要原因: a)金属中的过饱和氢在缺陷部位富集、析出并结合为氢分子,形成的内压降低了裂纹形成和扩展所需的应力;b)氢吸附在显微裂纹表面或其他缺陷表面,使裂纹扩展所需能量下降,加速了裂纹扩展速率;c)处于晶格点阵中的氢使金属原子间结合力下降,致使材料在较低应力下即可断裂;d)氢扩散促使裂纹局部塑性变形量增大,导致裂纹加速扩展。因此,当材料中偏聚的氢浓度达到临界值时,在一定条件下将导致材料的脆化(氢脆)和氢损伤。

    此外,在加工过程中,原料中的硫化物经常会分解出H₂S,在某些场合,H2S与其他化学物质,如Cl-, O₂, CO₂, HCl, HCN, H₂, S, SO₂等相互作用,加剧了腐蚀环境的影响程度。金属材料受H2S腐蚀的形式多种多样,包括均匀腐蚀、坑蚀、氢鼓泡、氢诱发的阶梯腐蚀裂纹及氢脆、硫化物引起的应力腐蚀破裂等。在高温、高压和临氢条件下,当氢蚀和H₂S腐蚀同时存在时,造成的危害更为严重。

    该文从热电偶外保护管的制造材料、加工方法和表面防腐处理技术等方面,详细介绍了新型耐腐蚀加氢用高压热电偶的研制和技术特点。

    1　新型耐腐蚀加氢用高压热电偶的研制

    1.1　外保护管采用新型不锈钢合金材料

    为了解决常规不锈钢耐高温、耐腐蚀性能差等问题,开发了镍、铬、钼、铌、钴、铝、硅和微量钇等元素构成的新型不锈钢材料。新材料以镍、铬、铌、钇为高温基础元素,用元素钴细化金属颗粒,提高了钼、铝元素的比例(铝元素是抗S和H₂S腐蚀的理想材料),通过优化不锈钢中各元素的组成,调整能形成稳定碳化物元素的比例,研制成功了能够降低碳氢化合反应和反应速率、减少氢溶解度和在Fe晶格中扩散系数的新型不锈钢材料。实验证明:采用新型不锈钢材料制成的热电偶外保护管,在1 100℃高温下仍有很高的强度、韧性和耐腐蚀性。

    1.2　连接法兰和外保护管采用整体成型技术

    热电偶过程连接法兰和外保护管一般采用焊接式结构。由于焊接时焊缝组织和热影响区域晶粒比较粗大和不均匀,而且焊缝中含有较多的Mn, Si等元素,硬度较高,因此,在焊接残余应力和焊接过程带入的氢诱发延迟裂纹的共同作用下,焊缝区域成为发生应力腐蚀最敏感的部位。为了从结构上克服焊接时焊缝区性能较差的先天不足,采用了热电偶连接法兰和外保护管整体成型技术,如图1所示。