Цилиндрическая труба для промышленных химических установок

1 Область изобретения Настоящее изобретение относится к трубе для использования в устройстве для нагревания газообразной или жидкой среды, пропускаемой от одного конца этой трубы к ее другому концу с одновременным нагреванием так, чтобы происходила химическая реакция. Нагревание может осуществляться, например, путем нагревания внешней поверхности стенки трубы или нагревания непосредственно сквозь стенку трубы. Предпосылки создания изобретения В описании предшествующего уровня настоящего изобретения есть ссылки на конкретные конструкции и способы, однако эти ссылки не следует обязательно считать как предшествующий уровень согласно применимым положениям действующего законодательства. Заявители сохраняют за собой право продемонстрировать, что любая из ссылок может не считаться предшествующим уровнем относительно настоящего изобретения. Для получения необходимого выхода готовой продукции, например, этилена в крекингпечи, необходимо применять трубы, в которых нет трещин на внутренней поверхности. Труба должна обладать стойкостью к воздействию таких веществ, которые образуются внутри нее. При использовании доступных в настоящее время материалов для труб, работающих в подобных условиях, часто обнаруживается, что внутри труб образуются оксиды, которые легко отделяются, что приводит к сокращению срока службы этих труб. Одновременно существует и проблема коксования, поскольку на внутренних поверхностях таких труб возникают отложения углеродсодержащих соединений. Чем больше таких отложений, тем меньший объем газов может проходить через трубу. В то же время уменьшается перенос тепла, что ухудшает экономичность процесса. В известных печах для крекинга углеводородов обычно используются литые трубы из сплава на базе никеля с большим количеством хрома. Они имеют некоторые недостатки, так как такой материал для труб является более дорогим и, кроме того, никель в больших количествах может служить катализатором для нежелательного коксования. Кроме того, постоянные формы таких труб, которые обычно характеризуются как высокотемпературные материалы, недостаточны для некоторых применений. В крекинг-печи происходит расщепление углеводородов. Исходным материалом может быть, например, лигроин или пропан в смеси с водяным паром. Когда материал пропускается через трубы в крекинг-печи, температура повышается до 800 С. Таким образом получают важную продукцию, например, этилен и пропилен. Кроме того, образуются газообразные водород,метан, бутан и другие углеводороды. Для того, 004604 2 чтобы избежать нежелательных реакций, важно,чтобы такое нагревание происходило очень быстро, и чтобы полученные продукты быстро охлаждались - время нахождения в печи составляет несколько десятых секунды. Температура в печи может достигать 1100-1200 С, а температура материала трубы в печи может превышать 1100 С. Нагревание пространства печи может осуществляться путем сжигания газов, полученных в крекинг-процессе, например, водорода и метана, и печь может быть снабжена множеством газовых горелок, которые установлены в полу или в стенах такой печи. Трубы, используемые в печи, должны хорошо сохранять форму при нагревании и должны выдерживать высокие температуры. Они должны быть стойкими к окислению и коррозии так, чтобы выдерживать атмосферу в пространстве печи. Углеродный потенциал внутри труб в печи очень высокий, и поэтому материал труб должен противодействовать закоксовыванию и образованию карбидов. К исходному материалу часто добавляют небольшое количество серы, и,следовательно, трубы должны обладать хорошей стойкостью к воздействию серы и соединений серы. Краткое описание изобретения Настоящее изобретение относится к новому типу ребристых труб, которые должны изготавливаться из материала, который улучшает их стойкость к воздействию среды, имеющейся в печах для крекинга углеводородов снаружи труб, а также к воздействию конкретных условий, возникающих внутри труб. Согласно одному аспекту настоящего изобретения создана металлическая труба для использования в печах, где газообразную или жидкую среду пропускают через такую трубу от входного до выходного конца и которая подвергается существенному нагреванию и, в результате этого, разложению, при этом металлическая труба содержит корпус, гладкую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность,имеющую профиль, причем корпус выполнен из нержавеющего сплава на базе железа-никеляхрома, содержащего в вес.% макс. 0,08% С; 2327% Сr; 33-37% Ni; 1,3-1,8% Мn; 1,2-2% Si; 0,08-0,25% N; 0,01-0,15% редкоземельных металлов и нормальные примеси, а профиль содержит множество впадин или углублений, которые проходят вдоль продольной оси трубы и имеют дно с плавной кривизной. За счет выполнения труб из высокопрочной нержавеющей стали с хорошей стойкостью к отслаиванию оксидов и коксованию была значительно повышена химическая стойкость и экономичность печей. Была получена труба с очень хорошими характеристиками теплопереноса в сочетании с существенно повышенной стойкостью к слишком быстрому коксованию,науглероживанию и отслаиванию оксидов под 3 воздействием продуктов, получаемых при пропускании материалов через трубу. Краткое описание чертежей Ниже следует более подробное описание задач и преимуществ предпочтительных вариантов настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями и где фиг. 1 - цилиндр с внутренним профилем согласно настоящему изобретению; фиг. 2 - поперечное сечение варианта цилиндра на фиг. 1; фиг. 3 - диаграмма изменения веса при окислении на воздухе при 1000 С как функции времени работы таких труб; фиг. 4 - схематическая иллюстрация измерения профиля науглероживания на образце в форме стержня для анализа содержания карбида; фиг. 5 - результаты измерений науглероживания как функции площади карбидов. Подробное описание изобретения На фиг. 1 показана труба 10, имеющая входной конец, через который подается газообразующая среда, например, углеводород и пар,которая проходит к выходному концу, одновременно участвуя в химической реакции. В показанном варианте внутренняя поверхность 11 трубы 10 имеет впадины 13 и выступы 14, образующие в сечении синусоидальный контур, тогда как внешняя поверхность 16 является, по существу, гладкой или круглой в сечении, см. фиг. 2. Выступы 14 и впадины 13 имеют скругленный профиль, предотвращающий образование усталостных трещин. Согласно альтернативному варианту настоящего изобретения внутренние впадины 13 цилиндра 10 могут проходить спирально относительно продольной оси этого цилиндра. Альтернативно, труба может иметь по всей длине форму не цилиндра, а конуса, проходящего от входного конца к выходному. Было обнаружено, что стабильность формы при нагревании улучшается при использовании вышеописанных труб, если они изготовлены на пильгер-стане по оправке, как в принципе показано и описано в патенте США 4,095,477. Альтернативно, такие трубы можно изготовить и способом, описанным в патенте США 5,016,460. Вместо периодической прокатки бесшовных труб на пильгер-стане можно использовать прокатку труб на дорне. Сталь, выбираемая для такого цилиндра 10, является нержавеющим сплавом железа, никеля и хрома с аустенитной структурой и полученной при строгом контроле и оптимизации количества составляющих сплава. Сплав содержит в вес.% макс. 0,08% С; 23-27% Сr; 33-37%Ni; 1,3-1,8% Мn; 1,2-2% Si; 0,08-0,25% N; 0,010,15% редкоземельных металлов, а также Fe и нормальные примеси. Содержание редкоземельных металлов предпочтительно составляет 4 0,03-0,10%, что способствует образованию тонкой упругой примыкающей пленки оксида, когда материал попадает в окисляющую среду при высокой температуре. Содержание азота должно предпочтительно составлять 0,13-0,18%, содержание кремния предпочтительно должно быть 1,3-1,8%. При выборе вышеуказанного материала можно получить неожиданное и существенное увеличение периодов времени между заменой труб и одновременно уменьшить количество углеродсодержащих отложений на внутренней поверхности труб, что еще больше повышает экономическую эффективность процесса, поскольку уменьшение таких отложений в трубах позволяет пропускать через них большее количество углеводородов, например, при производстве этилена. Дополнительные преимущества можно получить путем нанесения окиси хрома на внутреннюю поверхность трубы, что предотвращает диффузию углерода в материал при окислении этих труб до того, как они будут введены в эксплуатацию. На фиг. 3 показаны результаты исследований тенденции отслаивания оксидов в трубах,изготовленных из материала Sanicro 39 согласно настоящему изобретению, в сравнении с некоторыми обычными материалами, которые используются для решения подобных задач. Для наглядности, в исследование включены как цельнокованые трубы, так и трубы, полученные литьем, которые хорошо зарекомендовали себя в крекинг-печах для получения этилена, например, из материала, выпускаемого InternationalNickel Inc. под маркой INCO 803, материала,выпускаемого Sumitomo Metals Ltd под маркой НК 4 М и из литейного сплава марки HP45-Nb. Состав различных материалов, с которыми проводилось сравнение, представлен в следующей таблице: Сплав На диаграмме на фиг. 3 показано изменение веса во время окисления при температуре 1000 С как функция времени воздействия на трубы. Как следует из диаграммы на фиг. 3, полученные результаты показывают, что образующиеся оксиды более легко отслаиваются от материалов, с которыми проводилось сравнение, чем от материала Sanicro 39 согласно настоящему изобретению. Тесты на закоксовывание проводились в условиях, аналогичных условиям среды этилена, существующим в крекинг-печи, при которых чередуются науглероживающая и окисляющая среды. Закоксовывание возникает в газовой смеси, содер 5 жащей моноксид углерода, газообразный водород и метан в смеси, которая имеет температуру 1050 С и дает кислородный потенциал, соответствующий давлению 10-15 атм и активности углерода 1. После выдержки в течение 120 ч в этой среде образовавшийся кокс удаляли путем ввода воздуха для сжигания кокса. Время между циклами закоксовывания/окисления составляло 135-140 ч. Общее время тестирования составило 1104 ч, соответствующие 8 циклам, как описано выше. Температура поддерживалась постоянной на уровне 1050 С на протяжении всего теста. Геометрия тестовых стержней составляла 8 х 8 х 20 мм. По завершении теста стержни были извлечены, и их сечение исследовалось на предмет изменения доли площади карбидов по выбранной линии. Поперечное сечение тестовых стержней имеет квадратную форму, и при такой конструкции тестовых стержней было обнаружено, что показатель науглероживания в значительной степени зависит от того, в каком месте внешней поверхности проводились измерения. Участки, близкие к углам, оказались более чувствительны к науглероживанию,чем участки, поверхность которых была плоской. На фиг. 4 показано положение линий на сечении тестовых стержней, которые анализировались. Первая линия (Профиль 10) проходила на расстоянии 0,8 мм (10% от длины кромки) в глубину материала вдоль внешней поверхности. Вторая линия(Профиль 50) проходила на расстоянии 4 мм от угла и через центр тестового стержня. На фиг. 4 схематически показано изменение науглероживания в зависимости от того, насколько близко положение к кромке или насколько глубоко оно находится в глубине от плоской поверхности. На этой фиг. 4 также схематически показано,как глубина науглероживания зависит от расстояния до угла. Заштрихованный серым участок представляет зону науглероживания, а белое поле представляет ненауглероженный материал. Следует отметить, что глубина науглероживания больше на углах тестового стержня. На фиг. 5 представлены результаты анализа площади сечения, в которой присутствуют карбиды. Ось X представляет расстояние от исходной точки на одной, внешней поверхности (0-8 мм), на оси У показана измеренная доля площади карбидовHP45-Nb не затронуты науглероживанием от плоских поверхностей (Профиль 50), и из этих двух материалов Sanicro 39 показывает лучшую устойчивость к науглероживанию в участках, близких к углам (Профиль 10). Сплав 803 подвергался мас Фиг. 1 6 сивному науглероживанию в области углов и сильному науглероживанию у плоских поверхностей. Сплав НК 4 М подвергался максимальному науглероживанию по всей глубине материала. Несмотря на то, что настоящее изобретение описано со ссылками на конкретные варианты,специалистам в данной области будут очевидны определенные модификации и изменения. Таким образом, настоящее изобретение ограничивается только объемом и существом прилагаемой формулы. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Цилиндрическая труба для использования в печи, в которой среду, образованную газом и жидкостью, пропускают под давлением по такой трубе от ее входного конца к противоположному концу,одновременно подвергая существенному нагреванию и разложению, содержащая корпус; гладкую внешнюю поверхность и профильную внутреннюю поверхность; причем корпус выполнен из нержавеющего сплава на базе железа, никеля и хрома,содержащего, вес.%: макс. 0,08% С, 23-27% Сr, 3337% Ni, 1,3-1,8% Мn, 1,2-2,0% Si, 0,08-0,25% N,0,01-0,15% редкоземельных металлов, и обычные примеси, и профильная внутренняя поверхность содержит множество впадин или углублений, которые проходят вдоль продольной оси трубы и имеют дно с плавной криволинейностью. 2. Труба по п.1, в которой каждая из множества впадин или углублений проходит вдоль продольной оси трубы по прямой. 3. Труба по п.1, в которой каждая из множества впадин или углублений и каждый из множества выступов проходят по спирали от входного конца к противоположному концу трубы. 4. Труба по п.1, которая дополнительно содержит на внутренней поверхности слой окиси хрома. 5. Труба по любому из пп.1-4, в которой количество редкоземельных металлов составляет 0,030,10%. 6. Труба по любому из пп.1-5, в которой количество кремния составляет 1,3-1,8%. 7. Труба по любому из пп.1-6, в которой количество азота составляет 0,13-0,18%. 8. Использование металлической трубы по любому из предшествующих пунктов в печи для получения этилена. 9. Печь для крекинга углеводородов, содержащая трубу по п.1.