徐英山，唐海光，陳禮明

（1.中國石油 青海油田格爾木煉油廠，青海 格爾木816099；2.北京石大圣銘科技有限公司，北京102200）

前 言

石油在生產(chǎn)過程中，通過催化裝置將石油原材料經(jīng)過催化裂化等步驟，生產(chǎn)汽油和柴油產(chǎn)品。石油在催化裂化過程中，會產(chǎn)生高溫現(xiàn)象[1～4]。因此，石油催化裝置的耐熱性不僅會影響石油催化裂化效率，而且會影響石油企業(yè)的經(jīng)濟效益。石油催化裝置包括四大部分，分別為反應(yīng)-再生裝置、分餾裝置、吸收穩(wěn)定裝置和能量回收裝置[5～8]。其中，反應(yīng)-再生裝置為石油原料油的裂化反應(yīng)和催化劑再生場所，分餾裝置將裂化后的石油分成汽油、柴油、氣體等不同組分，吸收穩(wěn)定裝置將裂化氣體中的C3、C4吸收，并將乙烷等輕質(zhì)組分汽提出去，能量回收裝置將催化劑再生產(chǎn)生的煙氣能量回收[9,10]。以上各部分裝置的作用不同，耐熱性也不同。尤其是若反應(yīng)-再生裝置中的取熱器耐熱性能不好，會發(fā)生爆管等事故，還有石油催化裝置中的高溫管線，很容易發(fā)生泄漏，進而影響裝置的正常運行[11～15]?；谏鲜龇治?，為確保石油催化裂化反應(yīng)能夠順利進行，對石油催化裝置的耐熱性能開展研究。

1 實驗準(zhǔn)備

實驗所用材料取自石油催化裝置中的部分構(gòu)件。在耐熱性測試前，先測定石油催化裝置材料的致密度，實驗選用材料為石油催化裝置內(nèi)壁的型號為TH－901的防腐涂料，其是以中國生漆為主要原料經(jīng)化學(xué)改性得到的樹脂基料。采用排水法測量石油催化裝置材料試樣的密度。根據(jù)阿基米德原理，石油催化裝置材料試樣在液體中所受浮力為：

在公式（1）中，F(xiàn)代表石油催化裝置材料試樣所受浮力大小，ρ代表水的密度，V代表石油催化裝置材料試樣的體積，g代表重力加速度。分別測出石油催化裝置材料試樣在空氣和水中的質(zhì)量，則石油催化裝置材料試樣在水中的浮力為：

在公式（2）中，m1代表石油催化裝置在空氣中的質(zhì)量，m2代表石油催化裝置在水中的質(zhì)量。由公式（1）和公式（2）可得石油催化裝置材料試樣的實際測量密度為：

在測量石油催化裝置材料試樣的密度后，利用北京時代佳享科技有限公司生產(chǎn)的THL310時代里氏硬度計測量石油催化裝置材料試樣的硬度，在每個石油催化裝置材料試樣的不同位置測試，去掉極值之后，取所有數(shù)據(jù)的平均值作為石油催化裝置材料試樣的硬度值。通過對石油催化裝置材料試樣的密度測量和硬度測量，對石油催化裝置材料的性質(zhì)作初步測試，考察石油催化裝置是否符合硬度要求。圖1為石油催化裝置材料試樣經(jīng)過150℃處理的硬化曲線。

圖1 石油催化裝置材料試樣150℃的硬化曲線Fig.1 The hardening curve of material specimen used for the petroleum catalytic unit at 150℃

如圖1所示，經(jīng)過不同預(yù)拉伸處理的石油催化裝置材料試樣于150℃條件下，均在96h左右，硬度達到最大值，之后其硬度下降，說明預(yù)拉伸有助于提高石油催化裝置的硬度。圖2為石油催化裝置材料試樣經(jīng)過290℃處理的硬化曲線。

圖2 石油催化裝置材料試樣290℃的硬化曲線Fig.2 The hardening curve of material specimen used for the petroleum catalytic unit at 290℃

如圖2所示，經(jīng)過不同預(yù)拉伸處理的石油催化裝置材料試樣于290℃條件下作處理，與150℃條件相比，由于溫度較高，其時效響應(yīng)較快，試樣均在5h左右，硬度達到最大值，之后進入軟化階段。通過分析發(fā)現(xiàn)，石油催化裝置材料試樣的硬度滿足實驗要求。之后，采用拉伸（室溫、高溫）試驗和熱暴露法，對石油催化裝置的耐熱性能開展測試。

2 實驗過程

石油催化裝置的拉伸測試在東莞市力顯儀器科技有限公司生產(chǎn)的電腦式伺服萬能材料試驗機HZ-1003B上開展，拉伸速度和拉斷速度設(shè)置為1.5mm/min，每個石油催化裝置分別在室溫狀態(tài)和高溫狀態(tài)下開展測試，兩種狀態(tài)下均選取5個樣品作測試，其中，在石油化工裝置材料的高溫測試中，先將測試材料保溫15min后再開始拉伸。首先，選取石油催化裝置試樣，其加工尺寸依據(jù)不同部分石油催化裝置的材料而有差異，將其加工成不同形狀。石油催化裝置中的棒狀部分，將其試樣加工成如圖3所示的形狀。

圖3 石油裝置試樣示意圖Fig.3 The schematic diagram of a sample of an oil installation

石油催化裝置中管狀材料，拉伸試樣如圖4所示。

圖4 石油催化裝置管狀構(gòu)件試樣Fig.4 The sample of tubular members of the petroleum catalytic unit

如圖4所示，由于石油催化裝置中管狀材料的弧形部分不易夾持，選取的拉伸試樣可以將保溫裝置拆卸下去，將其加工成帶孔的試樣，便于拉伸測試。將石油催化裝置材料試樣，分別置于150℃/96h條件下和290℃/5h條件下作峰值時效處理，部分石油催化裝置材料試樣預(yù)拉伸3%，對石油催化裝置在室溫和高溫條件下的拉伸性能作測試。為了考察石油催化裝置在反應(yīng)時產(chǎn)生的高溫下的服役能力，將290℃/5h預(yù)處理后的石油催化裝置置于300℃下暴露480h，再將熱暴露后的石油催化裝置材料分別在室溫和高溫條件下作測試。

3 結(jié)果與分析

3.1 石油催化裝置的室溫、高溫拉伸測試結(jié)果

3.1.1 石油催化裝置材料150℃/96h時效處理后的拉伸測試

石油催化裝置材料經(jīng)過150℃/96h時效處理后的室溫和高溫拉伸測試結(jié)果如表1所示。

表1 150℃/96h時效處理后石油催化裝置材料的拉伸性能Table 1 The tensile properties of materials used for the petroleum catalytic units after a 150℃/96h aging treatment

表1和圖5為無預(yù)處理的石油催化裝置材料和經(jīng)過預(yù)拉伸3%的石油催化裝置材料經(jīng)過150℃/96h時效預(yù)處理后分別在室溫、高溫拉伸性能測試數(shù)據(jù)，從拉伸性能測試數(shù)據(jù)可以看出，隨著無預(yù)處理材料測試溫度的升高，拉伸強度依次為室溫下石油催化裝置材料拉伸強度的96.4%、86.4%、77.0%、61.0%和34.4%，經(jīng)過預(yù)拉伸的石油催化裝置材料依次為室溫下石油催化裝置材料拉伸強度的94.3%、88.8%、77.6%、59.7%和38.1%。未經(jīng)預(yù)處理和經(jīng)過拉伸處理的石油催化裝置材料拉伸強度均隨著溫度升高不斷降低。在上述不同的溫度條件下，經(jīng)過拉伸處理的石油催化裝置材料拉伸強度比未經(jīng)預(yù)處理的石油催化裝置材料拉伸強度依次高出23.4MPa、11.2MPa、33.1MPa、20.7MPa、7.7MPa和27.4MPa。從屈服強度數(shù)據(jù)可以看出，預(yù)處理對石油催化裝置材料的影響十分明顯。在上述不同的溫度條件下，與未經(jīng)預(yù)處理的石油催化裝置材料相比，經(jīng)過預(yù)拉伸的石油催化裝置材料屈服強度分別提高136.7MPa、103.3MPa、104.5MPa、67.6MPa、27.6MPa和21MPa。隨著測試溫度的升高，未經(jīng)預(yù)處理的石油催化裝置材料屈服強度下降趨勢稍平緩，直至400℃后，石油催化裝置材料的屈服強度才降至室溫條件下的71.9%，而經(jīng)過預(yù)拉伸的石油催化裝置材料屈服強度在400℃時已下降明顯，降低為室溫條件下的57.9%。由此可見，雖然預(yù)拉伸可以提高石油催化裝置材料的強度，但是石油催化裝置的韌性和延展性受到一定的損失。

圖5 150℃/96h時效處理后石油催化裝置材料的拉伸性能Fig.5 The tensile properties of materials used for the petroleum catalytic units after a 150℃/96h aging treatment

3.1.2 石油催化裝置材料290℃/5h時效處理后的拉伸測試

石油催化裝置材料經(jīng)過290℃/5h時效處理后的室溫和高溫拉伸測試結(jié)果如表2所示。

表2 290℃/5h時效處理后石油催化裝置材料的拉伸性能Table 2 The tensile properties of materials used for the petroleum catalytic units after a 290℃/5h aging treatment

表2和圖6為無預(yù)處理的石油催化裝置材料和經(jīng)過預(yù)拉伸3%的石油催化裝置材料經(jīng)過290℃/5h時效預(yù)處理后分別在室溫、高溫拉伸性能測試數(shù)據(jù)，從拉伸性能測試數(shù)據(jù)可以看出，隨著無預(yù)處理的材料測試溫度升高，拉伸強度依次為室溫下石油催化裝置材料拉伸強度的95.4%、89.5%、77.0%、63.7%和38.0%，經(jīng)過預(yù)拉伸的石油催化裝置材料依次為室溫下石油催化裝置材料拉伸強度的97.4%、88.6%、80.0%、62.8%和43.5%。未經(jīng)預(yù)處理和經(jīng)過拉伸處理的石油催化裝置材料拉伸強度均隨著溫度的升高不斷降低。在上述不同的溫度條件下，經(jīng)過拉伸處理的石油催化裝置材料拉伸強度比未經(jīng)預(yù)處理的石油催化裝置材料拉伸強度依次高出14.7MPa、24.3MPa、8.4MPa、26.7MPa、4.9MPa和33MPa。從屈服強度數(shù)據(jù)可以看出，290℃時效處理對石油催化裝置材料的影響依然十分明顯。在上述不同的溫度條件下，與未經(jīng)預(yù)處理的石油催化裝置材料相比，經(jīng)過預(yù)拉伸的石油催化裝置材料屈服強度分別提高152.1MPa、130.6MPa、113.9MPa、97.8MPa、32.5MPa和32.9MPa。隨著測試溫度的升高，未經(jīng)預(yù)處理的石油催化裝置材料屈服強度下降趨勢依然平緩，直至400℃后，石油催化裝置材料的屈服強度才降至室溫條件下的80.2%，而經(jīng)過預(yù)拉伸的石油催化裝置材料的屈服強度在400℃時已下降明顯，降低為室溫條件下的61.8%。

圖6 290℃/5h時效處理后石油催化裝置材料的拉伸性能Fig.6 The tensile properties of materials used for the petroleum catalytic units after a 290℃/5h aging treatment

3.1.3 對比不同時效處理溫度對石油催化裝置材料的影響

對比表1和表2中石油催化裝置材料的拉伸強度和屈服強度，將其相減后得到強度差值如表3所示。

表3 石油催化裝置不同時效處理溫度的強度差值Table 3 The strength difference of materials treated at various aging treatment temperatures used for the petroleum catalytic units

在表3中，強度差值若為正值，則表示低溫時效處理后石油催化裝置材料的強度較高，若為負(fù)值，則表示高溫時效處理后石油催化裝置材料的強度較高。從整體數(shù)據(jù)來看，無論是否對石油催化裝置材料作預(yù)處理，強度差值為正值的數(shù)據(jù)個數(shù)多于強度差值為負(fù)值的數(shù)據(jù)個數(shù)，則表明低溫時效處理所用時間較長，石油催化裝置材料的強度較高，即雖然低溫條件所用時間較長，但可以使石油催化裝置材料試樣取得更高的強度。

3.2 石油催化裝置材料熱暴露后的高溫拉伸測試

石油催化裝置材料試樣在經(jīng)過熱暴露后的測試結(jié)果如表4和圖7所示，其測試條件為150℃/96h。

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

圖7為與表4相對應(yīng)的石油催化裝置材料的拉伸性能曲線。

圖7 熱暴露后石油催化裝置材料的拉伸性能Fig.7 The tensile properties of materials used for the petroleum catalytic unit after the heat exposure

從表4和圖7中可知，未經(jīng)預(yù)處理的石油催化裝置材料和經(jīng)過預(yù)拉伸3%的石油催化裝置材料經(jīng)過300℃熱暴露96h后，其拉伸強度均隨著測試溫度的升高而下降，經(jīng)過預(yù)拉伸的石油催化裝置材料的屈服強度下降趨勢更劇烈。

對290℃/5h時效處理的石油催化裝置材料試樣在暴露前后的力學(xué)性能作計算，結(jié)果如表5所示。

表5 300℃熱暴露480h前后石油催化裝置材料試樣的力學(xué)性能對比結(jié)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熱暴露后，無預(yù)處理試樣的拉伸強度從489MPa下降到372MPa，拉伸強度值保留76.1%，經(jīng)過預(yù)拉伸3%的試樣的拉伸強度從502MPa下降到428MPa，拉伸強度值保留85.3%。但二者的屈服強度在經(jīng)過熱暴露前后的保留比相差無幾。此外，發(fā)現(xiàn)在熱暴露后，經(jīng)過預(yù)拉伸試樣的拉伸強度和屈服強度均大于未經(jīng)預(yù)處理的試樣。綜上所述，將石油裝置材料作預(yù)拉伸處理，可以提高石油催化裝置的拉伸強度（耐熱性）。當(dāng)石油催化裝置遇高溫后，其拉伸強度會受到一定的影響。

3 結(jié)束語

石油催化裝置的耐熱性能對于石油催化裝置的安全性有非常大的影響，對石油催化裝置的耐熱性能做了測試，發(fā)現(xiàn)石油催化裝置材料作預(yù)拉伸處理可以提高其拉伸性能。由于實驗條件有限，還需對石油催化裝置的耐熱性能作進一步研究，為石油催化裝置的安全性提供一定的理論基礎(chǔ)。