石油催化装置材料耐热性能研究

2021-10-17徐英山唐海光陈礼明

化学与粘合 2021年5期

徐英山，唐海光，陈礼明

（1.中国石油青海油田格尔木炼油厂，青海格尔木816099；2.北京石大圣铭科技有限公司，北京102200）

前言

石油在生产过程中，通过催化装置将石油原材料经过催化裂化等步骤，生产汽油和柴油产品。石油在催化裂化过程中，会产生高温现象[1～4]。因此，石油催化装置的耐热性不仅会影响石油催化裂化效率，而且会影响石油企业的经济效益。石油催化装置包括四大部分，分别为反应-再生装置、分馏装置、吸收稳定装置和能量回收装置[5～8]。其中，反应-再生装置为石油原料油的裂化反应和催化剂再生场所，分馏装置将裂化后的石油分成汽油、柴油、气体等不同组分，吸收稳定装置将裂化气体中的C3、C4吸收，并将乙烷等轻质组分汽提出去，能量回收装置将催化剂再生产生的烟气能量回收[9,10]。以上各部分装置的作用不同，耐热性也不同。尤其是若反应-再生装置中的取热器耐热性能不好，会发生爆管等事故，还有石油催化装置中的高温管线，很容易发生泄漏，进而影响装置的正常运行[11～15]。基于上述分析，为确保石油催化裂化反应能够顺利进行，对石油催化装置的耐热性能开展研究。

1 实验准备

实验所用材料取自石油催化装置中的部分构件。在耐热性测试前，先测定石油催化装置材料的致密度，实验选用材料为石油催化装置内壁的型号为TH－901的防腐涂料，其是以中国生漆为主要原料经化学改性得到的树脂基料。采用排水法测量石油催化装置材料试样的密度。根据阿基米德原理，石油催化装置材料试样在液体中所受浮力为：

在公式（1）中，F代表石油催化装置材料试样所受浮力大小，ρ代表水的密度，V代表石油催化装置材料试样的体积，g代表重力加速度。分别测出石油催化装置材料试样在空气和水中的质量，则石油催化装置材料试样在水中的浮力为：

在公式（2）中，m1代表石油催化装置在空气中的质量，m2代表石油催化装置在水中的质量。由公式（1）和公式（2）可得石油催化装置材料试样的实际测量密度为：

在测量石油催化装置材料试样的密度后，利用北京时代佳享科技有限公司生产的THL310时代里氏硬度计测量石油催化装置材料试样的硬度，在每个石油催化装置材料试样的不同位置测试，去掉极值之后，取所有数据的平均值作为石油催化装置材料试样的硬度值。通过对石油催化装置材料试样的密度测量和硬度测量，对石油催化装置材料的性质作初步测试，考察石油催化装置是否符合硬度要求。图1为石油催化装置材料试样经过150℃处理的硬化曲线。

图1 石油催化装置材料试样150℃的硬化曲线Fig.1 The hardening curve of material specimen used for the petroleum catalytic unit at 150℃

如图1所示，经过不同预拉伸处理的石油催化装置材料试样于150℃条件下，均在96h左右，硬度达到最大值，之后其硬度下降，说明预拉伸有助于提高石油催化装置的硬度。图2为石油催化装置材料试样经过290℃处理的硬化曲线。

图2 石油催化装置材料试样290℃的硬化曲线Fig.2 The hardening curve of material specimen used for the petroleum catalytic unit at 290℃

如图2所示，经过不同预拉伸处理的石油催化装置材料试样于290℃条件下作处理，与150℃条件相比，由于温度较高，其时效响应较快，试样均在5h左右，硬度达到最大值，之后进入软化阶段。通过分析发现，石油催化装置材料试样的硬度满足实验要求。之后，采用拉伸（室温、高温）试验和热暴露法，对石油催化装置的耐热性能开展测试。

2 实验过程

石油催化装置的拉伸测试在东莞市力显仪器科技有限公司生产的电脑式伺服万能材料试验机HZ-1003B上开展，拉伸速度和拉断速度设置为1.5mm/min，每个石油催化装置分别在室温状态和高温状态下开展测试，两种状态下均选取5个样品作测试，其中，在石油化工装置材料的高温测试中，先将测试材料保温15min后再开始拉伸。首先，选取石油催化装置试样，其加工尺寸依据不同部分石油催化装置的材料而有差异，将其加工成不同形状。石油催化装置中的棒状部分，将其试样加工成如图3所示的形状。

图3 石油装置试样示意图Fig.3 The schematic diagram of a sample of an oil installation

石油催化装置中管状材料，拉伸试样如图4所示。

图4 石油催化装置管状构件试样Fig.4 The sample of tubular members of the petroleum catalytic unit

如图4所示，由于石油催化装置中管状材料的弧形部分不易夹持，选取的拉伸试样可以将保温装置拆卸下去，将其加工成带孔的试样，便于拉伸测试。将石油催化装置材料试样，分别置于150℃/96h条件下和290℃/5h条件下作峰值时效处理，部分石油催化装置材料试样预拉伸3%，对石油催化装置在室温和高温条件下的拉伸性能作测试。为了考察石油催化装置在反应时产生的高温下的服役能力，将290℃/5h预处理后的石油催化装置置于300℃下暴露480h，再将热暴露后的石油催化装置材料分别在室温和高温条件下作测试。

3 结果与分析

3.1 石油催化装置的室温、高温拉伸测试结果

3.1.1 石油催化装置材料150℃/96h时效处理后的拉伸测试

石油催化装置材料经过150℃/96h时效处理后的室温和高温拉伸测试结果如表1所示。

表1 150℃/96h时效处理后石油催化装置材料的拉伸性能Table 1 The tensile properties of materials used for the petroleum catalytic units after a 150℃/96h aging treatment

表1和图5为无预处理的石油催化装置材料和经过预拉伸3%的石油催化装置材料经过150℃/96h时效预处理后分别在室温、高温拉伸性能测试数据，从拉伸性能测试数据可以看出，随着无预处理材料测试温度的升高，拉伸强度依次为室温下石油催化装置材料拉伸强度的96.4%、86.4%、77.0%、61.0%和34.4%，经过预拉伸的石油催化装置材料依次为室温下石油催化装置材料拉伸强度的94.3%、88.8%、77.6%、59.7%和38.1%。未经预处理和经过拉伸处理的石油催化装置材料拉伸强度均随着温度升高不断降低。在上述不同的温度条件下，经过拉伸处理的石油催化装置材料拉伸强度比未经预处理的石油催化装置材料拉伸强度依次高出23.4MPa、11.2MPa、33.1MPa、20.7MPa、7.7MPa和27.4MPa。从屈服强度数据可以看出，预处理对石油催化装置材料的影响十分明显。在上述不同的温度条件下，与未经预处理的石油催化装置材料相比，经过预拉伸的石油催化装置材料屈服强度分别提高136.7MPa、103.3MPa、104.5MPa、67.6MPa、27.6MPa和21MPa。随着测试温度的升高，未经预处理的石油催化装置材料屈服强度下降趋势稍平缓，直至400℃后，石油催化装置材料的屈服强度才降至室温条件下的71.9%，而经过预拉伸的石油催化装置材料屈服强度在400℃时已下降明显，降低为室温条件下的57.9%。由此可见，虽然预拉伸可以提高石油催化装置材料的强度，但是石油催化装置的韧性和延展性受到一定的损失。

图5 150℃/96h时效处理后石油催化装置材料的拉伸性能Fig.5 The tensile properties of materials used for the petroleum catalytic units after a 150℃/96h aging treatment

3.1.2 石油催化装置材料290℃/5h时效处理后的拉伸测试

石油催化装置材料经过290℃/5h时效处理后的室温和高温拉伸测试结果如表2所示。

表2 290℃/5h时效处理后石油催化装置材料的拉伸性能Table 2 The tensile properties of materials used for the petroleum catalytic units after a 290℃/5h aging treatment

表2和图6为无预处理的石油催化装置材料和经过预拉伸3%的石油催化装置材料经过290℃/5h时效预处理后分别在室温、高温拉伸性能测试数据，从拉伸性能测试数据可以看出，随着无预处理的材料测试温度升高，拉伸强度依次为室温下石油催化装置材料拉伸强度的95.4%、89.5%、77.0%、63.7%和38.0%，经过预拉伸的石油催化装置材料依次为室温下石油催化装置材料拉伸强度的97.4%、88.6%、80.0%、62.8%和43.5%。未经预处理和经过拉伸处理的石油催化装置材料拉伸强度均随着温度的升高不断降低。在上述不同的温度条件下，经过拉伸处理的石油催化装置材料拉伸强度比未经预处理的石油催化装置材料拉伸强度依次高出14.7MPa、24.3MPa、8.4MPa、26.7MPa、4.9MPa和33MPa。从屈服强度数据可以看出，290℃时效处理对石油催化装置材料的影响依然十分明显。在上述不同的温度条件下，与未经预处理的石油催化装置材料相比，经过预拉伸的石油催化装置材料屈服强度分别提高152.1MPa、130.6MPa、113.9MPa、97.8MPa、32.5MPa和32.9MPa。随着测试温度的升高，未经预处理的石油催化装置材料屈服强度下降趋势依然平缓，直至400℃后，石油催化装置材料的屈服强度才降至室温条件下的80.2%，而经过预拉伸的石油催化装置材料的屈服强度在400℃时已下降明显，降低为室温条件下的61.8%。

图6 290℃/5h时效处理后石油催化装置材料的拉伸性能Fig.6 The tensile properties of materials used for the petroleum catalytic units after a 290℃/5h aging treatment

3.1.3 对比不同时效处理温度对石油催化装置材料的影响

对比表1和表2中石油催化装置材料的拉伸强度和屈服强度，将其相减后得到强度差值如表3所示。

表3 石油催化装置不同时效处理温度的强度差值Table 3 The strength difference of materials treated at various aging treatment temperatures used for the petroleum catalytic units

在表3中，强度差值若为正值，则表示低温时效处理后石油催化装置材料的强度较高，若为负值，则表示高温时效处理后石油催化装置材料的强度较高。从整体数据来看，无论是否对石油催化装置材料作预处理，强度差值为正值的数据个数多于强度差值为负值的数据个数，则表明低温时效处理所用时间较长，石油催化装置材料的强度较高，即虽然低温条件所用时间较长，但可以使石油催化装置材料试样取得更高的强度。

3.2 石油催化装置材料热暴露后的高温拉伸测试

石油催化装置材料试样在经过热暴露后的测试结果如表4和图7所示，其测试条件为150℃/96h。

表4 热暴露后石油催化装置材料的拉伸性能Table 4 The tensile properties of materials used for the petroleum catalytic unit after the heat exposure

图7为与表4相对应的石油催化装置材料的拉伸性能曲线。

图7 热暴露后石油催化装置材料的拉伸性能Fig.7 The tensile properties of materials used for the petroleum catalytic unit after the heat exposure

从表4和图7中可知，未经预处理的石油催化装置材料和经过预拉伸3%的石油催化装置材料经过300℃热暴露96h后，其拉伸强度均随着测试温度的升高而下降，经过预拉伸的石油催化装置材料的屈服强度下降趋势更剧烈。

对290℃/5h时效处理的石油催化装置材料试样在暴露前后的力学性能作计算，结果如表5所示。

表5 300℃热暴露480h前后石油催化装置材料试样的力学性能对比结果Table 5 The mechanical properties of material samples used for the petroleum catalytic unit before and after the heat exposure at 300℃for 480h

由表5可知，在300℃/480h热暴露后，无预处理试样的拉伸强度从489MPa下降到372MPa，拉伸强度值保留76.1%，经过预拉伸3%的试样的拉伸强度从502MPa下降到428MPa，拉伸强度值保留85.3%。但二者的屈服强度在经过热暴露前后的保留比相差无几。此外，发现在热暴露后，经过预拉伸试样的拉伸强度和屈服强度均大于未经预处理的试样。综上所述，将石油装置材料作预拉伸处理，可以提高石油催化装置的拉伸强度（耐热性）。当石油催化装置遇高温后，其拉伸强度会受到一定的影响。