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READ MORE石油化学鋳造 は、主に高温合金、耐熱鋼、耐食性超合金から金属部品を製造するプロセスであり、石油化学処理プラント、製油所、化学製造施設で見られる極端な熱的、機械的、化学的条件に耐えるように特別に設計されています。 これらの鋳物は、分解炉の管、放射コイル、触媒担体、バルブ本体、ポンプ ハウジング、激しい腐食性媒体下で 600°C から 1,100℃ 以上の範囲の温度で連続的に動作するパイプライン継手などの装置の構造的および機能的なバックボーンを形成します。
汎用鋳物とは異なり、石油化学鋳物は、耐クリープ性、耐酸化性、耐浸炭性、熱疲労寿命に関する厳しい材料基準を満たさなければなりません。これらの特性は、慎重に選択された合金組成、管理された鋳造作業、および鋳造後の熱処理によって達成されます。石油化学鋳造とは何か、その製造方法、利用可能な材料の選択肢を理解することは、製油所や化学プラントのインフラの信頼性を担うエンジニア、プラントオペレーター、調達専門家にとって不可欠です。
石油化学施設内の動作環境は、あらゆる加工材料が直面する最も過酷な環境の 1 つです。たとえば、エチレンクラッカーの炉管は、周囲温度とプロセス温度の間を循環します。 1,050℃ 年に複数回のデコーキング作業中に。水素製造プラントの水蒸気改質管の持続性 内圧 20 ~ 40 bar 900℃ を超える金属温度で、設計寿命全体にわたって 50,000 ~ 100,000 時間の連続運転が可能です。
標準的な炭素鋼や低合金鋼の鋳物は、これらの条件に耐えることができません。石油化学鋳物が耐えなければならない故障モードには次のものがあります。
これらの劣化メカニズムのそれぞれには、特定の合金および鋳造プロセスの応答が必要です。そのため、石油化学鋳造は、鋳造エンジニアリングのより広範な分野の中で別個の分野となります。
石油化学鋳造用の合金の選択は、温度、圧力、流体化学、および必要な耐用年数の特定の組み合わせによって決まります。主な合金ファミリーは次のとおりです。
HK-40 合金 (25Cr-20Ni) は、数十年にわたって水蒸気改質装置およびエチレン クラッカー チューブの主力製品でした。優れた耐酸化性を提供します。 1,050℃ 中程度の負荷の用途に適したクリープ強度を備えています。 HP グレード (26Cr-35Ni) は、この性能範囲を拡張します。ニオブ (Nb)、チタン (Ti)、またはタングステン (W) を添加した HP 改質合金は、クリープ破断寿命をさらに向上させます。 標準 HP と比較して 30 ~ 50% オーステナイトマトリックス中に安定した炭化物相を析出させることにより、
これらの合金は通常、次の方法で製造されます。 遠心鋳造 管状製品と 静的キャスト 継手、マニホールド、ヘッダーボックス用。
ガスタービン駆動のコンプレッサーコンポーネント、高温バルブ内部構造、および 1,100℃ 以上で動作する触媒サポートグリッドなど、最も要求の厳しい石油化学用途では、ニッケル基超合金が、強度と耐酸化性の必要な組み合わせを提供します。このクラスの合金には通常、次のものが含まれます。 60 ~ 75 wt% ニッケル クロム (15 ~ 22%)、コバルト、モリブデン、アルミニウム、チタンが添加されています。 γ' (ガンマプライム) 析出相は、これらの合金に卓越した高温強度を与えます。
インベストメント鋳造 (ロストワックス法) は、形状に要求される薄肉、内部通路、および厳しい公差を実現できるため、複雑なニッケル超合金石油化学部品の主要な製造ルートです。
主に摩耗と適度な温度にさらされる部品(触媒床サポートグリッド、流動接触分解(FCC)ユニットのサイクロンセパレーター、スライドバルブ)は、多くの場合、高クロム鉄(Cr 25 ~ 30 wt%)または耐摩耗鋼から鋳造されます。これらの材料は次の硬度を実現します。 HRC 55 ~ 65 摩耗浸食に対する優れた耐性を備えながら、大断面の鋳物に対してコスト効率を維持します。
Stellite ファミリーなどのコバルト基合金は、同等の温度でのニッケル基合金と比較して、優れた耐硫化性と高温腐食耐性を備えています。これらは、硫黄を含む流れによってニッケル合金が急速に劣化する製油所のバルブシート、ノズル、および摩耗接触面に使用されます。
石油化学鋳造の形状、合金、生産量、および寸法公差の要件によって、どの鋳造プロセスが最も適切かが決まります。最も広く使用されている 4 つのプロセスは次のとおりです。
遠心鋳造は、炉管、ラジアントチューブ、改質管、移送ライン継手などの円筒管状石油化学部品を製造するための主要なプロセスです。溶融した合金は回転する鋳型に注入されます。遠心力 - 通常 60~100g — 金属を金型の壁に押し付け、スラグ、酸化物、ガス含有物を穴に向かって追い出し、そこで機械加工で除去します。
その結果、次のようなチューブが得られます。 緻密で方向性を持って凝固した微細構造 OD (ホットフェイス) ではよりクリーンで均質な構造が ID で実現されています。肉厚均一性 ±5% は日常的に達成されています。最大 6 メートルの長さ、外径 50 mm ~ 600 mm のチューブを 1 回の注入で製造できます。
インベストメント鋳造では、卓越した寸法精度、つまり次の線形公差を備えたほぼネットシェイプの石油化学鋳物が製造されます。 ±0.1~±0.3mm 達成可能であり、優れた表面仕上げ (鋳造のまま Ra 1.6 ~ 6.3 μm)。このプロセスは、他の方法で製造した場合には大規模な機械加工が必要となる、バーナー ノズル、旋回羽根、タービン駆動インペラ、計器付属品などの複雑な形状に最適です。
コンポーネントのワックス パターンをセラミック スラリーで多層 (通常は 7 ~ 12 層) でコーティングし、シェル型を構築します。ワックスが溶け出し、シェルがセラミック硬度まで焼成され、合金は真空または制御された雰囲気下で鋳造され、アルミニウムやチタンなどの反応性合金元素の酸化を防ぎます。
大型で比較的単純な石油化学鋳物(バルブ本体、ポンプケーシング、マニホールドブロック、大型フランジ)の場合、砂型鋳造が依然として最も経済的なプロセスです。生砂、フラン樹脂結合砂、またはセラミック砂型は、数キログラムから数トンまでの幅広い合金および部品重量に対応します。寸法公差はインベストメント鋳造よりも広いです(通常、 ISO 8062 に準拠した CT8 ~ CT12 )、ただし、これは重要な表面で機械加工される圧力保持ボディには許容されます。
一部の中量石油化学鋳物(耐熱合金製の標準的なパイプ継手、減速機、エルボ)は、永久的な金型(グラファイトまたは機械加工鋼)で重力注入によって製造されます。永久鋳型鋳造では、砂型鋳造よりも冷却速度が速く、インベストメント鋳造金型と比較して適度な工具投資で、より細かい粒子サイズと若干優れた機械的特性が得られます。
次の表は、最も重要な石油化学鋳造製品のカテゴリ、その代表的な合金、使用条件、および鋳造プロセスをまとめたものです。
| 製品 | 代表的な合金 | 最大。サービス温度 | 鋳造工程 | 主要な障害モードに耐えました |
|---|---|---|---|---|
| エチレンクラッカーラジアントチューブ | HP-Nb、HP-W | 1,100°C | 遠心分離 | クリープ, carburization |
| 水蒸気改質管 | HK-40、HPマイクロ | 950℃ | 遠心分離 | クリープ, oxidation |
| ラジアントチューブアセンブリ(工業炉) | 25Cr-35Ni、35Cr-45Ni | 1,080℃ | 遠心分離 / static | 熱疲労, oxidation |
| FCCサイクロンセパレーター | 高Cr鉄、HH合金 | 800℃ | 砂型鋳造 | エロージョン・コロージョン |
| バーナーのノズルとチップ | Ni基超合金 | 1,150℃ | インベストメント鋳造 | 酸化, thermal shock |
| バルブボディ(高温用) | CF8M(316SS)、WC9 | 650℃ | 砂型鋳造 | 腐食、圧力クリープ |
| 材料バスケットとトレイ | 25Cr-20Ni、35Cr-45Ni | 1,050℃ | 静的/砂型鋳造 | 酸化, thermal fatigue |
| シャフトスリーブとサポートアーム | 耐熱鋼 | 900°C | 投資・砂 | 摩耗、クリープ、酸化 |
高品質の石油化学鋳物の製造には、エンジニアリング、冶金、品質の一連の厳密なステップが必要です。注文の受付から出荷までの一般的なワークフローは次のように進行します。
耐圧サービスに使用される石油化学鋳物は、国際的に認められた規格に準拠する必要があります。最も参照されるものは次のとおりです。
石油化学鋳物の長期的な性能は、その化学組成だけでなく、凝固および熱処理中に発生する微細構造によって決まります。主な微細構造の特徴とその工学的重要性には次のようなものがあります。
HP および HK 合金では、凝固中および使用中に炭化クロム (M₂₃C₆) が粒界に析出します。十分に分布した部分的に不連続な炭化物ネットワークにより、クリープに耐える粒界強化が実現します。しかし、炭化物が粒界の周囲に連続膜を形成する場合(徐冷によって促進される状態)、粒界破壊のための脆い経路が形成されます。鋳造所の冷却速度制御と溶体化焼鈍温度は、所望の炭化物の形態を達成するために重要です。
高温クリープ耐性については、 粗粒構造 (ASTM 粒度 1 ~ 3) 粒界が少ないと単位クリープ変形当たりの粒界滑りが少なくなるため、一般に好ましい。遠心鋳造では、外径面では自然に粗い粒子が生成され (金型の外側の面に対してゆっくりと冷却されます)、内径ではより細かい粒子が生成されます。内径の粒子ゾーンは通常、耐圧チューブの用途のために機械加工で除去されます。
クロム、鉄、モリブデンが豊富に含まれる脆い金属間化合物であるシグマ (σ) 相は、次の温度にさらされたオーステナイト鋳物に形成されることがあります。 600℃と900℃ 長期間にわたって。その形成により、靭性と延性が大幅に低下します。慎重な組成制御、特にシリコンの制限とフェライト含有量の削減により、石油化学鋳物の耐用年数にわたるシグマ相生成のリスクが最小限に抑えられます。
エチレン製造用の蒸気分解炉は、遠心鋳造耐熱合金管の最大の用途です。 1 つのエチレンクラッカーには次のものが含まれる可能性があります。 600 ~ 1,200 チューブアセンブリ それぞれ、端と端を溶接した複数の遠心鋳造チューブセクションで構成されています。一般的な設計寿命の目標は次のとおりです。 100,000時間 また、チューブの交換 (計画されたシャットダウン活動) は、生産損失を最小限に抑えるために、他の計画されたメンテナンスに合わせて行われます。 Nb、Ti、Zr のマイクロ合金を添加した高度な HP-Micro 合金は、クリープ破断寿命を達成できます 2~3倍長くなります 同等の動作温度における標準 HP よりも優れています。
水蒸気メタン改質 (SMR) 炉では、ニッケル触媒を充填した何百もの改質管が、 950℃ と内部圧力 20~40バール 。これらのチューブは、プロセス業界で最も負荷のかかるクリープ コンポーネントの 1 つです。応力破断設計計算に正確に一致した肉厚を備えた遠心鋳造 HK または HP グレードのチューブが標準ソリューションです。組成の小さな偏差(たとえば、炭素含有量が仕様値より 0.03 wt% 低い場合)でも、900°C での 100,000 時間の破断応力を次の方法で軽減できます。 5~8MPa 、応力が制限された設計では重大なペナルティが発生します。
製油所の FCC ユニットは、重質軽油を約 100 ℃ の温度で高温の触媒と接触させることにより、重質軽油をガソリン、ディーゼル、LPG に変換します。 700~800℃ 。内部コンポーネント (サイクロン セパレーター、スタンドパイプ、ライザー終端装置、スライド バルブ) は、高温の研磨触媒粒子と硫黄を含む流れに同時にさらされます。高クロム鉄鋳物と耐熱鋼砂型鋳物は、耐摩耗性と耐食性を兼ね備えているため、FCC の内部全体に広く使用されています。
従来の石油化学プラントを超えて、耐熱鋳物は石炭火力発電所やガス火力発電所でも同様に重要な役割を果たしています。そこでは、過熱器ヘッダー、タービンケーシング、ボイラー継手が最高 200 ℃以下の温度で作動します。 250バールで620℃ 超々臨界(USC)装置で。これらの用途に使用される耐クリープ性フェライト鋼およびオーステナイト合金は、石油化学鋳物と同じ基本的な工学原理を共有しています。
| 合金グレード | 構成(約) | 最大。サービス温度 | クリープ Resistance | 浸炭 Resistance | 相対コスト |
|---|---|---|---|---|---|
| HK-40 | 25Cr-20Ni | 1,050℃ | 中等度 | 中等度 | 低い |
| 馬力(標準) | 26Cr-35Ni | 1,080℃ | 良い | 良い | 中等度 |
| HP-Nb (修正) | 26Cr-35Ni-1Nb | 1,100°C | とても良い | 良い | 中等度–High |
| 35Cr-45Ni | 35Cr-45Ni-Si | 1,150℃ | とても良い | 素晴らしい | 高 |
| Ni基超合金 | 60–75Ni-Cr-Co-Mo | 1,150℃ | 素晴らしい | とても良い | 非常に高い |
| 高-Cr iron | 25~30Cr、2.5~3.5C | 800℃ | 低い | 中等度 | 低い |
圧力に耐える使用における石油化学鋳造品は安全性が重要であるため、NDT は製造および使用中の検査サイクルに不可欠な要素となっています。主な方法と石油化学鋳物への応用は次のとおりです。
江蘇華業科技有限公司 は、江蘇省京江市東興鎮工業団地に位置するハイテク企業であり確立された石油化学鋳造メーカーであり、登録資本金は 3,491万7,000人民元 。同社は、高温合金、高温耐摩耗合金、高温耐熱合金、高温耐腐食合金の製造を専門としています。これらはまさに石油化学、製油所、火力発電の用途に必要な材料群です。
Jiangsu Huaye Technology は、石油化学鋳物メーカーであり、世界市場にサービスを提供する石油化学鋳物工場の両方として、高温コンポーネントの要件の全範囲に対応する包括的な製品ポートフォリオを提供しています。
これらの製品は、航空宇宙、船舶、石油化学、火力発電、冶金、帯鋼加工など、製造において最も厳しい材料および寸法品質要件を課す業界の顧客に供給されています。 Jiangsu Huaye Technology の合金設計、鋳造生産、機械加工、熱処理、NDT、工場組み立てに及ぶ統合機能により、同社は未加工鋳造ではなく完全なソリューションを提供することができ、サプライチェーンを短縮し、世界中の石油化学プラントのオペレーターとエンジニアリング請負業者のプロジェクト全体のリスクを軽減します。
石油化学鋳造サプライヤーを評価するエンジニアと調達専門家は、次の能力と資格を評価する必要があります。
鋳物は、溶かした金属を型に流し込んで製造されます。鍛造品は、圧力をかけながら固体金属を機械的に加工することによって製造されます。鋳物は、複雑な形状の設計の自由度を高め、鍛造が困難な合金 (高度に合金化された耐熱グレードなど) にも対応できます。鍛造品は通常、鍛造加工硬化された微細構造により、優れた引張強度と靱性を備えています。石油化学用途では、壁厚の均一性と粗粒クリープ耐性により、遠心鋳造管が炉での使用に適しています。鍛造品は、衝撃靱性と溶接性が優先されるフランジ、バルブ本体、継手に使用されます。
設計寿命の目標は用途によって異なります。エチレン分解装置および水蒸気改質装置のチューブは通常、次のように設計されています。 100,000時間 (approximately 11 years) 連続運転のこと。実際には、実際のチューブの寿命は、動作温度精度、デコーキング頻度、原料の硫黄含有量、およびチューブ合金の品質に応じて、60,000 時間から 150,000 時間以上の範囲になります。バルブ本体やフランジなどの静的鋳物は、正しく指定され維持されていれば、多くの場合、プラントの設計寿命である 30 年を超えて長持ちします。
耐熱性オーステナイト鋳物の溶接修復は可能ですが、合金は熱影響部で高温割れやひずみ時効割れを起こしやすいため、慎重な手順の開発が必要です。修理には、適合または過剰適合の溶加材を使用する必要があり、HP 以上の合金の場合は、微細構造を復元するために予熱および溶接後の熱処理を行う必要があります。クリープ使用中の炉管の場合、圧力がかかる部分の溶接修理は通常認められません。交換が標準的なアプローチです。
シリコン(Si)添加 1.5~2.5重量% これは、Si が Cr2O3 表面酸化物の下に緻密な SiO2 副層を形成し、炭素の侵入に対する二次的な障壁として機能するためです。ただし、シリコンはクリープ延性を低下させ、シグマ相の形成を促進するため、その含有量はこれらの悪影響に対して慎重にバランスを取る必要があります。
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