CN118293729A - 镍基传热管及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流体换热技术领域，公开了一种镍基传热管及其制备方法和应用。该镍基传热管由提高了镍铬合金本身Ni的含量且还掺杂了Al、Ti和稀土金属元素形成的材质的炉管和钟形强化传热元件构成，具有强化传热效果的同时抗渗碳能力和高温热稳定性较强，进而镍基传热管在高温环境下的服役性能明显提高，还使镍基传热管的加工时间短，最大热应力小，使用寿命长。

Description

镍基传热管及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及流体换热技术领域，具体地涉及一种镍基传热管及其制备方法和应用。

背景技术

石油烃类蒸汽裂解制乙烯工艺中的传热管在经过长时间使用后，大大降低裂解炉管的传热效率。扭曲片管强化传热技术通过在裂解炉管内设置扭曲片，可改变管内流体流动形式，从而减薄边界层，减缓结焦，进而提高裂解炉传热效率。但是，第一代扭曲片强化传热管由于材质或结构限制，炉管在高温环境下的抗渗碳能力和高温热稳定性较差，由于裂解炉内流体温度较高且操作过程中常遇到炉管超温情况，再根据材料“热胀冷缩”的基本特性，裂解炉管内外温度差的存在会使得炉管与扭曲片不同部位热膨胀量不同，在扭曲片与炉管连接处易发生开裂，进而导致强化传热管的失效。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的镍基传热管的抗渗碳能力以及高温稳定性差，炉管易开裂等问题，提供一种镍基传热管及其制备方法和应用。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种镍基传热管，该镍基传热管包括炉管和设置于炉管内壁上的强化传热元件，所述镍基传热管的材质为掺杂有Al、Ti和稀土金属的镍铬合金，所述强化传热元件与所述炉管的内壁之间形成圆角光滑过渡。

本发明第二方面提供一种制备如上所述的镍基传热管的方法，该方法包括：将Al、Ti、稀土金属和镍铬合金铸造形成空心炉管；然后对空心炉管进行切削，以形成与炉管的内壁之间具有圆角光滑过渡的强化传热元件。

本发明第三方面提供一种所述的镍基传热管在乙烯裂解工艺中的应用。

通过上述技术方案，采用提高传热管材质中Ni含量，同时添加Al、Ti和稀土金属，提高了氧化膜的粘附性和抗氧化性能，确保传热效果的同时进而提高炉管的高温热稳定性和高温环境下的服役性能，提高炉管强度；配合使用与炉管的内壁之间形成圆角光滑过渡的强化传热元件，降低了加工难度，缩短了镍基传热管的加工时间同时降低了镍基传热管内最大热应力，延长其使用寿命。在优选的实施方式中，结合特定的加工工艺制备所述镍基传热管，实现了炉管和强化传热元件的一体化成型。

附图说明

图1是根据本发明一种优选实施方式的镍基传热管的径向截面示意图。

附图标记说明

1强化传热元件，2中间段，3圆弧段，L1为强化传热元件远离炉管内壁的一端与炉管内壁之间的距离，L2为中间段的径向长度。

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明一方面提供一种镍基传热管，该镍基传热管包括炉管和设置于炉管内壁上的强化传热元件，所述镍基传热管的材质为掺杂有Al、Ti和稀土金属的镍铬合金，所述强化传热元件与所述炉管的内壁之间形成圆角光滑过渡。

根据本发明，所述镍基传热管中Al、Ti、稀土金属和Ni的重量比为1：0.06-1500：0.0006-150：2.6-6000，优选地，所述镍基传热管中Al、Ti、稀土金属和Ni的重量比为1：0.15-2.5：0.008-0.2：8.3-30。上述元素的添加能够形成保护膜，并改善氧化膜的粘附性，以提高抗渗碳能力，进一步地，使镍基传热管材质各组分在上述范围内，进而提高其高温热稳定性和服役性能。

根据本发明，镍铬合金可以为本领域常见的用于传热管制备的镍铬合金，根据本发明的优选实施方式，所述镍基传热管中Ni的含量为40-60重量％，更优选为50-60重量％。通过对镍铬合金中镍的含量改进，进一步提高了炉管高温环境下的服役性能。所述镍基传热管中Cr的含量可以为10-40重量％，优选为20-36重量％。所述镍基传热管中还可能含有不可避免的杂质，如Fe、Si、Mn等。

根据本发明，所述镍基传热管中的稀土金属选自Ce、La或Re中的至少一种。

根据本发明的优选实施方式，所述镍基传热管中Ce的含量为0.01-0.5重量％，优选为0.05-0.2重量％；或者，所述镍基传热管中La的含量为0.1-1.5重量％，优选为0.5-1重量％；或者，所述镍基传热管中Re的含量为0.01-1.5重量％，优选为0.2-0.4重量％。

根据本发明，如图1所示，所述强化传热元件1包括远离炉管内壁的中间段2与靠近炉管内壁的圆弧段3且中间段2两侧通过圆弧段3的弧线延伸至炉管内壁形成圆角光滑过渡。特别地，如上所述强化传热元件与炉管内壁连接处形成了光滑过渡的圆角，减小了机械加工的难度，降低强化传热元件与炉管内壁接触处高温热应力大小。

根据本发明的优选实施方式，所述中间段为矩形。

根据本发明的优选实施方式，所述强化传热元件远离炉管内壁的一端中间段与炉管内壁之间的距离(也即强化传热元件径向截面的长度)L1、中间段的径向长度L2与炉管内径M之间的关系满足L1：M：L2为1：1-100：0.01-0.95，更优选地，L1：M：L2为1：2.5-10：0.2-0.8。

根据本发明的优选实施方式，所述强化传热元件圆弧段的弧线长度L3与炉管内径M之间的关系满足L3：M为0.01-2:1，更优选的，L3：M为0.1-1.5:1。

根据本发明的优选实施方式，所述中间段的宽度和炉管内径M之间的比值为0.01-0.4：1，更优选为0.012-0.03:1。

根据本发明的优选实施方式，所述圆弧段的弧线对应的半径和炉管内径M之间的比值为1：6-60，更优选为1：12-26。当强化传热元件和炉管满足以上关系时能够进一步提高机械强度。

根据本发明，所述强化传热元件是实心的，更为优选的，强化传热元件的径向截面呈钟形。

根据本发明的优选实施方式，所述强化传热元件沿炉管轴向长度与炉管内径M之间的比值为1-10：1，更优选为2-4：1。

根据本发明更优选的实施方式，所述强化传热元件的旋转角度为90-360°，更优选为120-360°，保证传热性能。

根据本发明的优选实施方式，所述强化传热元件在镍基传热管中螺旋状延伸且呈中心对称。

根据本发明，所述强化传热元件可以为多个，根据本发明的优选实施方式，所述强化传热元件沿轴向设置的个数为1-12个，更优选为1-4个。

根据本发明，所述炉管为空心圆柱状炉管。

本发明特定形状的强化传热单元，提高了强化传热元件的强度，缩短了加工时间，并进一步的提高了炉管的传热性能，降低结焦速率，延长炉管寿命。

本发明第二方面提供一种制备如上所述镍基传热管的方法，该方法包括：将掺杂了Al、Ti和稀土金属的镍铬合金铸造形成空心炉管后进行切削，自空心炉管壁面向空心炉管中心处移动在内部形成径向截面呈钟形的强化传热元件。

根据本发明的方法，铸造的方式可以为任何铸造炉管的方式，如采用静态铸造或离心铸造，其中，离心铸造的条件为温度500-3500℃，时间1-15min，速度1800-4000rpm。

根据本发明的方法切削前的空心炉管可以为等壁厚炉管或非等壁厚炉管。

根据本发明，可以通过智能机床加工中心对沿轴线方向水平放置的空心炉管进行加工切削，保证径向截面呈钟形的强化传热元件和空心炉管的整体性以及一体化成型。根据本发明更优选的实施方式，所述切削的方式包括：从空心炉管的厚壁端沿内壁切削形成呈中心对称的径向截面呈钟形的强化传热元件，并沿轴向方向螺旋状延伸至薄壁端直至形成炉管壁厚和强化传热元件径向截面的宽度均匀的传热管，使传热管的径向截面图如图1所示。

本发明第三方面提供一种所述的镍基传热管在乙烯裂解工艺中的应用。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，最大热应力参数通过拉伸试验(GB/T 228.2-2015)方法测得；炉管渗碳厚度利用德国渗碳层深度无损测量仪进行测量；以石脑油为裂解原料在800℃下进行裂解，当镍基传热管出现开裂现象时的总运行时间记即为使用年限；Cr25Ni35Nb购买自青岛新力通工业有限责任公司。

实施例1

以一台年产10万吨的乙烯裂解炉为例进行说明，裂解原料为石脑油，进料量46000kg/h，在裂解炉辐射段炉管上安装4个通过本发明的离心铸造(条件为温度2000℃，时间6min，速度2500rpm)和机械加工的方法制成的强化镍基传热管。其中，炉管材料各组分重量％如表1所示。镍基传热管炉管内径M为73mm，炉管壁厚为7mm，强化传热元件沿炉管轴向长度与炉管内径M的比值为3：1，机加工完成后，强化传热元件的L1为25mm，L2为5mm，L3为7.3mm，与炉管内壁连接的圆弧段的半径为5mm，强化传热元件中间段的宽度为2mm，强化传热元件的旋转角度为180°，相邻强化传热元件之间的距离为炉管内径的3650mm，共设置4个强化传热元件结构。实验结果如表2所示。

实施例2

以一台年产10万吨的乙烯裂解炉为例进行说明，裂解原料为石脑油，进料量46000kg/h，在裂解炉辐射段炉管上安装4个通过本发明的离心铸造(条件为温度2500℃，时间10min，速度3500rpm)和机械加工的方法制成的镍基传热管。其中，炉管材料各组分重量％如表1所示。镍基传热管的炉管内径M为73mm，炉管壁厚为7mm，强化传热元件沿炉管轴向长度与炉管内径M的比值为3：1，机加工完成后，强化传热元件的L1为10mm，L2为8mm，L3为50mm，与炉管内壁连接的圆弧段的半径为3mm，强化传热元件中间段的宽度为1.5mm，强化传热元件的旋转角度为180°，相邻强化传热元件之间的距离为炉管内径的3650mm，共设置4个强化传热元件结构。实验结果如表2所示。

实施例3

以一台年产10万吨的乙烯裂解炉为例进行说明，裂解原料为石脑油，进料量46000kg/h，在裂解炉辐射段炉管上安装4个通过本发明的离心铸造(条件为温度3300℃，时间12min，速度4000rpm)和机械加工的方法制成的镍基传热管。其中，镍基传热管材料各组分重量％如表1所示。镍基传热管的炉管内径M为73mm，炉管壁厚为7mm，强化传热元件沿炉管轴向长度与炉管内径M的比值为3：1，机加工完成后，强化传热元件的L1为14.6mm，L2为7.3mm，L3为20mm，与炉管内壁连接的圆弧段的半径为4mm，强化传热元件中间段的宽度为1mm，强化传热元件的旋转角度为180°，相邻强化传热元件之间的距离为炉管内径的3650mm，共设置4个强化传热元件结构。实验结果如表2所示。

实施例4

按照实施例3的方法，不同的是，强化传热元件沿炉管轴向长度与炉管内径比值为10：1，机加工完成后，强化传热元件的L1为36mm，L2为0.36mm，L3为140mm，与炉管内壁连接的圆弧段的半径为12mm，强化传热元件中间段的宽度为15mm。实验结果如表2所示。

实施例5

按照实施例3的方法，不同的是，强化传热元件沿炉管轴向长度与炉管内径比值为1：1，机加工完成后，强化传热元件的L1为0.73mm，L2为0.6mm，L3为6mm，与炉管内壁连接的圆弧段的半径为1.5mm，强化传热元件中间段的宽度为5mm。实验结果如表2所示。

实施例6

按照实施例3的方法，不同的是，强化传热元件沿炉管轴向长度与炉管内径比值为15：1，机加工完成后，强化传热元件的L1为0.66mm，L2为0.65mm，L3为0.36mm，与炉管内壁连接的圆弧段的半径为14mm，强化传热元件中间段的宽度为30mm。实验结果如表2所示。

对比例1

以一台年产10万吨的乙烯裂解炉为例进行说明，裂解原料为石脑油，进料量46000kg/h，在裂解炉辐射段炉管上安装4个采用通过静态铸造方法制成的镍基传热管。镍基传热管材料各组分重量％如表1所示的Cr25Ni35Nb合金，炉管内径为73mm，炉管壁厚为7mm，强化传热元件沿炉管轴向长度与炉管内径比值为2.5：1，强化传热元件的L1为15mm，L2为7.5mm，L3为10mm，强化传热元件中间段的宽度为2mm，强化传热元件的旋转角度为180°，相邻镍基传热管之间的距离为镍基传热管内径的3650mm。实验结果如表2所示。

对比例2

按照实施例3的方法，不同的是，炉管材料各组分重量％如表1所示，只在镍铬合金中掺杂Ti和Re。

对比例3

按照实施例3的方法，不同的是，强化传热元件为径向截面长度为16mm，宽度为5.6mm的矩形传热元件。

表1

表2

通过表2的结果可以看出，采用本发明提供的镍基传热管加工难度更低，加工时间更短，强化传热元件结构和炉管组分的改进结合本申请的制造方法，可显著降低镍基传热管的最大热应力，提高其高温热稳定性，大大提高镍基传热管的使用寿命。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种镍基传热管，该镍基传热管包括炉管和设置于炉管内壁上的强化传热元件，其特征在于，所述镍基传热管的材质为掺杂有Al、Ti和稀土金属的镍铬合金，所述强化传热元件与所述炉管的内壁之间形成圆角光滑过渡。

2.根据权利要求1所述的镍基传热管，其中，所述镍基传热管中Al、Ti、稀土金属和Ni的重量比为1：0.06-1500：0.0006-150：2.6-6000；

优选地，Al、Ti、稀土金属和Ni的重量比为1：0.15-2.5：0.008-0.2：8.3-30。

3.根据权利要求2所述的镍基传热管，其中，所述镍基传热管中Ni的含量为40-60重量％，优选为50-60重量％。

4.根据权利要求1所述的镍基传热管，其中，所述稀土金属选自Ce、La或Re中的至少一种。

5.根据权利要求4所述的镍基传热管，其中，所述镍基传热管中Ce的含量为0.01-0.5重量％，优选为0.05-0.2重量％；

或者，所述镍基传热管中La的含量为0.1-1.5重量％，优选为0.5-1重量％；

或者，所述镍基传热管中Re的含量为0.01-1.5重量％，优选为0.2-0.4重量％。

6.根据权利要求1所述的镍基传热管，其中，所述强化传热元件包括远离炉管内壁的中间段(1)与靠近炉管内壁的圆弧段(2)且中间段(1)两侧通过圆弧段(2)的弧线延伸至炉管内壁形成圆角光滑过渡；

优选地，所述中间段为矩形；

优选地，所述强化传热元件远离炉管内壁的一端与炉管内壁之间的距离L1、中间段的径向长度L2与炉管内径M之间的关系满足L1：M：L2为1：1-100：0.01-0.95，更优选地，L1：M：L2为1：2.5-10：0.2-0.8；

优选地，所述强化传热元件圆弧段的弧线长度L3与炉管内径M之间的关系满足L3：M为0.01-2:1，更优选的，L3：M为0.1-1.5:1；

优选地，所述中间段的宽度和炉管内径M之间的比值为0.01-0.4：1，更优选为0.012-0.03:1；

优选地，所述圆弧段的弧线对应的半径和炉管内径M之间的比值为1：6-60，更优选为1：12-26。

7.根据权利要求1所述的镍基传热管，其中，所述强化传热元件是实心的；

和/或，所述强化传热元件沿炉管轴向长度与炉管内径M之间的比值为1-10：1，优选为2-4：1；

和/或，所述强化传热元件在镍基传热管中螺旋状延伸且呈中心对称；

和/或，所述强化传热元件沿轴向设置的个数为1-12个。

8.根据权利要求1所述的镍基传热管，其中，所述炉管为空心圆柱状炉管。

9.一种制备权利要求1-8中任意一项所述的镍基传热管的方法，其特征在于，该方法包括：将Al、Ti、稀土金属和镍铬合金铸造形成空心炉管；然后对空心炉管进行切削，以形成与炉管的内壁之间具有圆角光滑过渡的强化传热元件。

10.权利要求1-8中任意一项所述的镍基传热管在乙烯裂解工艺中的应用。