[发明专利]油气勘探和生产、精炼和石化工艺领域中的耐侵蚀金属陶瓷内衬

说明书

技术领域

本发明涉及金属陶瓷材料。更具体地，涉及金属陶瓷材料在要求耐侵 蚀的流体和固体加工领域中的用途。更具体地，本发明涉及要求优异耐侵 蚀/腐蚀性和断裂韧性的耐热侵蚀金属陶瓷内衬和内插件在油气勘探和生 产、精炼和石化工艺领域中的用途。

背景技术

耐侵蚀材料用在许多表面遭遇侵蚀作用的领域中。例如，精炼工艺容 器壁和内构件在各种化学和石油环境中接触含有硬的固体颗粒(例如催化 剂颗粒)的侵蚀性流体，遭受着侵蚀和腐蚀。对于为操作温度高于600℉ 的精炼和石化工艺装置中的内金属表面提供长期耐侵蚀/磨损作用的内衬 和内插件而言，要求具有耐高温侵蚀性和韧性的组合性质。保护这些容器 和内构件以免受特别在高温下侵蚀和腐蚀导致的材料分解是一项技术挑 战。在某些接触特别磨损性材料(例如砂)的油气勘探和生产的设备中， 也需要优异的耐侵蚀性。耐高温内衬目前用于需要保护以免受最严重侵蚀 和腐蚀的部件，例如用于分离固体颗粒和流体流的内旋风分离器的内壁， 这种内旋风分离器例如是在流体催化裂化装置(也称作“FCCU”)中用 于分离催化剂颗粒和工艺流体的内旋风分离器。

现有技术的耐侵蚀材料是化学粘结的浇铸氧化铝耐高温材料。该浇铸 氧化铝耐高温材料对温度和腐蚀具有足够的耐受性，但耐侵蚀能力有限。 这些浇铸氧化铝耐高温材料施用到需要保护的表面上，并在热固化时硬化， 并经金属粘固剂或金属增强剂粘附到所述表面上。它还容易粘结到其它耐 高温表面上，以提供修补块或完整的内衬。一种可商购耐高温材料的典型 化学组成是按重量％计的80.0％Al₂O₃、7.2％SiO₂、1.0％Fe₂O₃、4.8％ MgO/CaO和4.5％P₂O₅。现有技术的耐高温内衬的寿命明显受内衬被高速 固体颗粒撞击、机械断裂和碎裂的过度机械磨损所限制。固体颗粒的例子 有催化剂和焦炭。主要的侵蚀机理是穿透粘结剂相的磷酸盐粘结相的破裂， 如图1的截面扫描电子显微照片所示，图1描绘了精炼和石化工艺领域中 所用的在模拟FCCU使用条件下遭受高温侵蚀的现有标准耐高温样品。粘 结剂相的破裂在显微照片中清楚可见。当这些粘结更新为更强的陶瓷粒子 直接粘结时，整个内衬变得造价昂贵，并且容易出现灾难性、易碎破裂的 缺陷。

沉淀硬化的合金上的陶瓷薄涂层或焊接覆层也可以用于耐受高温侵 蚀，但不如常规的化学粘结的浇铸耐高温内衬有效。焊接覆层和等离子体 喷涂的涂层的厚度和陶瓷含量都受到限制，因为该层以熔融形式施用到固 体基的金属上，并且残余热/成形应力有限。

较硬的陶瓷材料还往往过于易碎，它们缺乏韧性，会不利地影响装置 可靠性。也可以使用富含金属的陶瓷-金属复合材料，如硬的衬面材料，但 达不到前述浇铸材料所提供的耐侵蚀水平，因为成形/制造技术限制了这种 微结构中可用的硬粗粒陶瓷的量。已经通过粉末冶金技术设计出了硬陶瓷 粒子含量较高的金属基质复合材料，其具有优异耐侵蚀性和韧性，以用于 低于600℉的领域，但现有技术并没有提供可有利地用于精炼和石化工艺 应用的耐受温度和腐蚀的复合物。

现有富含陶瓷的陶瓷-金属复合材料(例如与渗有碳化物的Co或Ni 结合的WC)的耐受热侵蚀能力有限，这是因为缺乏长期在腐蚀环境下的 高温磨损/侵蚀领域中的热动力学稳定性。如图2所示，与更耐高温的钢和 陶瓷粒子(TiC、SS、FeCrAlY)相比，这些材料在FCCU温度下对氧具 有反应性。另一方面，沉淀硬化的合金在高温工艺环境下具有稳定的组成， 但缺乏高浓度的硬陶瓷和/或不能对这些聚集体的形状和尺寸进行优化，以 保护耐磨损性差的金属粘结组分免受侵蚀。

内衬和内插件用在许多高温精炼和石化工艺中，以保护内部的钢表面 不受循环微粒固体(例如催化剂或焦炭)造成的侵蚀/磨损。一种这样的应 用是旋风分离器。在过去的十年，旋风分离器设计和耐高温内衬材料迅速 发展，明显改善了FCCU装置的操作性和效率。但同时，由于商业上对更 长的运行时间、更高的生产速度、提高的分离效率以及使用更硬且低磨损 的催化剂的追求，对这种旋风分离器系统的需求正在增加。因此，耐高温 侵蚀性和内衬耐用性仍是今天限制FCCU的可靠性和运行时间的材料属 性；耐用性和耐侵蚀性都得到改善的材料将增强装置性能。