技术领域
[0001] 本
发明涉及临氢设备领域，尤其是一种临氢设备耐火炉衬结构及其制备方法。
背景技术
[0002] 氢气是重要的清洁
能源和化工原料，在石油化工和化学行业具有重要的地位。氢气及含氢方法气体通常采用高温高压方法制取、管道输送。常用设备包括制氢装置的集合管和转化气
蒸汽发生器、甲烷化装置的甲烷化反应器、余热回收器、高压
过热器及输送管道、合成
氨装置一、二段炉之间的集气管以及二段转化炉等。制取和输送氢气及含氢方法气的设备金属壳体长期
接触氢气容易发生氢脆、氢
腐蚀等，设备金属壳体一旦发生破损，其内部的高温、高压、可燃、易爆的方法气体高压喷出将造成重大安全事故以及不可估量的经济损失。因此必须制作
隔热耐火衬里对金属壳体进行保护，同时还可以减少能源消耗、改善生产劳动条件。
[0003] 目前的临氢设备采用厚壁耐热
钢或特殊钢做壳体，内部制作金属锚
固件固定的双3
层隔热耐火浇注料炉衬，炉衬的隔
热层一般采用体密1.0g/cm 左右的隔热浇注料，耐火层
3
采用体密3.0g/cm 左右的刚玉质浇注料。现有的层临氢设备衬里结构存在以下问题：
[0004] 1、壳体
温度较高。氢气是导热系数最大的气体，临氢环境下耐火材料的导热系数大大增加，加上金属锚固件造成的
热桥作用，造成外壁温度较高，局部超温现象经常出现。
[0005] 2、抗热震性差。刚玉质浇注料的耐氢气侵蚀能
力强、耐火度高、强度高，是临氢装置常用的耐火材料。但是刚玉质浇注料的抗热震
稳定性差，在温度变化幅度较大时会发生剥离掉落。一旦发生剥落，剥落处的炉衬厚度将减薄，
炉壳温度会上升，影响结构安全，造成严重事故。
[0006] 3、裂纹较多。临氢设备衬里一般是双层结构，每层设有
密度较大的金属锚固钉进行固定。金属锚固钉在高温下体积膨胀与周围刚玉质浇注料膨胀相差较大，即使在锚固钉顶部采用预留膨胀间隙的方法也无法彻底消除膨胀差异，会造成耐火层衬里脱落。两层衬里材料的膨胀性能相差较大，会造成隔热层和耐火层局部脱离，尤其是处于顶部的炉衬。在耐火层产生裂纹的情况下，含氢气体会渗透到隔热层，造成壳体局部超温，同时由于耐火层平均温度的升高使耐火层浇注料的烧后收缩加大、裂纹增大，甚至会造成脱落。一般临氢设备使用一个周期后裂纹均会增宽、加深，安全使用
风险增大。
[0007] 4、隔热层材料杂质含量太高。临氢衬里，尤其是温度大于700℃时，要求低
铁低
硅。由于硅迁移会造成炉衬的疏松脱落，还会在余热回收装置处沉积降低换热效率。而常规临氢设备采用的隔热层材料硅含量一般在40%以上，当含氢气体渗透到隔热层时会造成大量的硅迁移使炉衬强度弱化。
[0008] 以上问题的存在，使临氢设备炉衬使用寿命不长，尤其是在温度超过850℃时，寿命更短。
发明内容
[0009] 本发明的目的在于克服
现有技术的不足之处，提供一种结构科学合理、抗热震性好、稳定可靠、寿命长的临氢设备耐火炉衬结构。
[0010] 本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0011] 一种临氢设备耐火炉衬结构，由内向外依次为耐火层、隔热层以及金属壳体，其隔热层内的隔热层锚固钉固接金属壳体；耐火层内的耐火层锚固钉固接隔热层。
[0012] 而且，所述耐火层锚固钉延伸穿过隔热层并与金属壳体固接。
[0013] 而且，所述耐火层的
体积密度为2550kg/m3-3000kg/m3，且
氧化硅、氧化铁杂质含量应分别小于0.5%。
[0014] 而且，所述隔热层的体积密度在1000kg/m3-1700kg/m3，且氧化硅、氧化铁杂质含量应分别小于1%。
[0015] 而且，所述耐火层中掺入一层陶瓷
纤维或/和防爆纤维，层厚度一般大于等于80mm。
[0016] 而且，所述隔热层锚固钉是V型或Ω型，隔热层锚固钉直径小于10mm，采用
焊接连接或
螺栓连接方式与金属壳体固装。
[0017] 一种临氢设备耐火炉衬结构的制备方法，其步骤如下：
[0018] ⑴安装锚固钉：在临氢设备的金属壳体上采用焊接或
螺纹连接方式安装隔热层锚固钉和耐火层下部锚固钉，对隔热层锚固钉和耐火层下部锚固钉进行
热处理，并给隔热层锚固钉安装塑料帽；
[0019] ⑵制作隔热层：在金属壳体上进行对隔热层支模浇注或
喷涂施工形成隔热层，浇注成型后进行养护；
[0020] ⑶安装耐火层锚固钉：将耐火层上部锚固钉与耐火层下部锚固钉连接，并在耐火层上部锚固钉上戴好塑料帽；
[0021] ⑷制备耐火层：所述耐火浇注料采用自流型或半自流型浇注料，采用木棍辅助流平或机械振捣，振捣应均匀，并将一定量的
不锈钢纤维掺入耐火浇注料中一起搅拌均匀；耐火浇注料经支模浇注形成耐火层；
[0022] ⑸成型：经过支模浇注形成一个整体的临氢设备耐火炉衬结构。
[0023] 而且，所述步骤⑴安装锚固钉及步骤⑶安装耐火层锚固钉所述的塑料帽为缠绕塑料布方式制成。
[0024] 而且，所述步骤⑴安装锚固钉中的隔热层锚固钉之间的间距为300mm至500mm。
[0025] 而且，所述步骤⑷耐火层的表面与耐火层上部锚固钉的上端部的距离为25mm至50mm。
[0026] 本发明的优点和积极效果是：
[0027] 1、本发明可以广泛的应用于多种临氢设备，包括：制氢装置的集合管和转化气
蒸汽发生器；甲烷化装置的甲烷化反应器、余热回收器、高压
过热器及输送管道；合成氨装置一、二段炉之间的集气管和二段转化炉等。此种结构还可推广到高温管道炉衬中，例如：石化行业催化装置斜管、提升管等。本结构尤其适合于使用温度为500℃-1300℃的高温临氢设备。
[0028] 2、本发明的结构可以使设备外壁温度均匀、减少耐火浇注料施工难度、保证炉衬均匀一致、整体性强、使用寿命长、不会发生突然性破坏、利于设备安全运行。
附图说明
[0029] 图1为本发明分层结构示意图；
[0030] 图2为隔热层锚固钉与金属壳体的焊接连接方式；
[0031] 图3为隔热层锚固钉与金属壳体的螺栓连接方式；
[0032] 图4为隔热层锚固钉与金属壳体的另一螺栓连接方式；
[0033] 图5为隔热层锚固钉与金属壳体的另一螺栓连接方式。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图并通过具体
实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0035] 一种临氢设备耐火炉衬结构，包括由内向外依次固装直接接触含氢工业气体的耐火层5、采用氧化
铝质高纯度隔热浇注料制成的隔热层3以及金属壳体1，本发明的创新点在于：隔热层通过隔热层锚固钉2固装在金属壳体上；耐火层通过耐火层锚固钉固装在隔热层上，且该耐火层锚固钉延伸穿过隔热层并与金属壳体固接，结构整体性强，提升结构的抗热震性能。
[0036] 所述隔热层的材料采用高铝质轻质浇注料，其体积密度一般在1000kg/3 3
m-1700kg/m，隔热浇注料的氧化硅、氧化铁杂质含量应分别小于1%，通常小于0.5%。当临氢设备操作温度较低时，即小于700℃时，氧化硅含量可适当放宽。
[0037] 所述耐火浇注料以高纯度刚玉为主材，可以是电熔刚玉或
烧结刚玉，为
水硬性，或3 3
气硬性、热硬性，耐火浇注料的体积密度一般在2550kg/m-3000kg/m。该耐火浇注料中掺入不锈钢纤维6，还可以同时掺入陶瓷纤维或/和防爆纤维，一般为一层，其厚度一般不小于80mm。耐火浇注料的氧化硅、氧化铁杂质含量应分别小于0.5%，通常小于0.2%。当临氢设备操作温度较低时，即小于700℃时，氧化硅含量可适当放宽。耐火浇注料中掺入的不锈钢纤维应该是SUS304、SUS310或SUS330材质，应该为冷拔型，也可以是熔抽型，其长径比应在60：1-150：1，弓形钢纤维效果较好，以提升炉衬的抗裂性能、增加韧性并且使环形结构稳定。
[0038] 所述金属壳体表面还可以涂刷一层防腐涂料或
沥青漆，保护炉壳钢板不被腐蚀。
[0039] 所述隔热层锚固钉可以采用V型、Ω型等多种形式，直径小于10mm，材质根据操作温度确定，可以是SUS304材质的，也可以是SUS310材质的，在温度很高时可采用SUS330材质。隔热层锚固钉的间距以不大于500mm为宜，但最小应大于300mm，以减少热桥作用；若临氢设备卧式放置，则最顶部应有锚固钉。
[0040] 所述耐火层中不采用或采用极少量的金属锚固钉，可极大减少热桥作用。
[0041] 所述隔热层材料采用高铝质轻质浇注料，大幅降低氧化硅、氧化铁含量的同时提高强度，具有与耐火层材料类似的膨胀性能，保证炉衬
质量均一、整体性强、使用寿命长。
[0042] 上述结构的具体制备方法具体如下：
[0043] ⑴安装锚固钉：在临氢设备金属壳体上采用焊接或
螺纹连接方式安装隔热层锚固钉2和耐火层下部锚固钉7，对隔热层锚固钉和耐火层下部锚固钉进行热处理，并根据需要给隔热层锚固钉安装塑料帽4；
[0044] 所述隔热层锚固钉与金属壳体的连接方式包括焊接和螺栓连接两种方式：其中焊接连接方式如图2所示是指将隔热层锚固钉直接与金属壳体用不锈钢
焊条焊接在一起，焊接完成后再与金属壳体一起进行整体热处理。螺栓连接分成如图3至图5所示的三种方式，附图3所示的螺栓连接指在金属壳体上焊接一个与金属壳体同材质的或不锈钢的
螺母，隔热层锚固钉与螺栓事先焊接在一起，螺母焊接并热处理后炉衬制作前再将隔热层锚固钉通过螺栓拧入螺母中的连接方式；附图4所示的螺栓连接指在金属壳体上焊接一个与金属壳体同材质的或不锈钢的螺栓，隔热层锚固钉与螺母事先焊接在一起，螺栓焊接并热处理后炉衬制作前再将隔热层锚固钉通过螺母拧到螺栓上的连接方式；附图5中的螺栓连接指采用Ω型锚固钉时的连接方式，具体为在金属壳体上焊接一个与金属壳体同材质的或不锈钢的长螺栓，螺栓焊接并热处理后炉衬制作前再将隔热层锚固钉通过上、下两个螺母和
垫片固定到螺栓上的连接方式；
[0045] 所述塑料帽可以采用塑料、
橡胶材质，也可采用缠绕塑料布、刷沥青漆等方式，主要是考虑到金属件与浇注料膨胀系数的差异，高温时塑料帽烧失预留金属膨胀间隙，不至于破坏浇注料，塑料帽应该与金属锚固钉钉头紧密结合，避免施工时掉落在浇注料内，高温烧后形成空隙；
[0046] ⑵制作隔热层：在金属壳体上进行隔热浇注料支模浇注或喷涂施工形成隔热层，一般不采用手工捣打方法施工，隔热浇注料的厚度根据
传热计算得出，隔热浇注料可以是一层，也可以是多层。隔热浇注料可以是水硬性的，也可以是气硬、热硬性的；浇注成型后按规定进行养护；
[0047] ⑶安装耐火层锚固钉：将耐火层上部锚固钉7与耐火层下部锚固钉8连接，并根据需要在耐火层上部锚固钉上戴好塑料帽；所述塑料帽可以采用塑料、橡胶材质，也可采用缠绕塑料布、刷沥青漆等方式，主要是考虑到金属件与浇注料膨胀系数的差异，高温时塑料帽烧失预留金属膨胀间隙，不至于破坏浇注料，塑料帽应该与金属锚固钉钉头紧密结合，避免施工时掉落在浇注料内，高温烧后形成空隙；
[0048] ⑷制备耐火层：所述耐火浇注料采用自流型或半自流型浇注料，可采用木棍辅助流平或机械振捣，振捣应均匀，不得过振或漏振，避免耐火浇注料分层或不锈钢纤维结团、沉降；将一定量的不锈钢纤维掺入耐火浇注料中一起搅拌均匀，不得结团；
[0049] ⑸成型：经过支模浇注形成一个整体的临氢设备炉衬，经烘炉处理后即可投入使用。
[0050] 隔热浇注料和耐火浇注料在施工时应注意采取防止杂质混入的措施，可采用干净的或新的容器、
搅拌机等。
[0051] 耐火层锚固钉根据需要布置，如果设备直径较小（小于Φ1300mm）可不布置，若设备直径较大（大于Φ1300mm）应布置。
[0052] 隔热层锚固钉可以是V型、Ω型等多种形式，直径小于10mm，材质根据操作温度确定，可以是SUS304材质的，也可以是SUS310材质的，在温度很高时可采用SUS330材质。隔热层锚固钉的间距以不大于500mm为宜，但最小应大于300mm，以减少热桥作用；若临氢设备卧式放置，则最顶部应有锚固钉。
[0053] 所述耐火层锚固钉为分段式安装，首先将长螺母与耐火层下部锚固钉连接在一起，然后再与金属壳体连接，关键是要保证埋入隔热浇注料中的耐火层下部锚固钉的总长度等于隔热浇注料厚度，以便于隔热浇注料浇注施工时模板支设方便。若采用喷涂法施工，则可不受此限制。
[0054] 耐火层锚固钉可与隔热层锚固钉间隔布置，其材质与隔热层锚固钉相同或更高，直径不宜大于10mm。耐火层上部锚固钉的端部距离耐火浇注料的表面应有25mm以上的距离，操作温度越高此距离越大，但最大不应大于50mm。若耐火浇注料内部还要其他直接承受方法气体的耐火材料时，此距离可不受此限制。
[0055] 尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附
权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和
修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
