劉煒，丁錫端，裴炳安

(1. 中國(guó)石油化工股份有限公司 金陵分公司，江蘇 南京 210033；2. 杭州富陽(yáng)富春江儀表廠，浙江 杭州 311413；3. 中石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003)

固定床渣油加氫裝置由于具有很強(qiáng)的原料適應(yīng)性和加工靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)渣油的清潔高效利用，經(jīng)濟(jì)效益高，是目前石化行業(yè)應(yīng)用較多的渣油處理裝置，而且還在不斷新建。目前加氫裝置反應(yīng)器大都以固定床反應(yīng)器為主，也有少量的沸騰床、漿態(tài)床、液相加氫反應(yīng)器。以固定床反應(yīng)器為例，1個(gè)反應(yīng)器從上到下至少有3個(gè)以上的床層測(cè)溫，每個(gè)床層最少需要5～10個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，5 Mt /a渣油加氫反應(yīng)器甚至每一層會(huì)有24～26個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。1個(gè)反應(yīng)器中要裝幾十個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，4個(gè)反應(yīng)器中要裝上百個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。由于反應(yīng)器是高溫高壓容器，不宜開(kāi)孔太多，普通的熱電偶已無(wú)法滿足要求，所以只能采用高溫高壓多點(diǎn)柔性鎧裝熱電偶來(lái)解決。催化劑床層的徑向溫差直接反映了反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài)，現(xiàn)行生產(chǎn)過(guò)程要求床層溫度在反應(yīng)器內(nèi)均勻分布，并對(duì)每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此對(duì)反應(yīng)器催化劑床層測(cè)溫元件的精度、可靠性、安全性提出了很高的要求。本文就反應(yīng)器催化劑床層測(cè)溫的重要性、目前產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)類型、使用中的一些問(wèn)題進(jìn)行了闡述，并提出了解決方案。

1　反應(yīng)器催化劑床層測(cè)溫的重要性

1.1　測(cè)量徑向溫差

催化劑床層的徑向溫差一般不得大于床層高度直徑比的3.5倍，通常為3～7 ℃，以下幾方面原因可能導(dǎo)致溫差太大，此時(shí)須引起操作人員的注意，嚴(yán)重時(shí)需停工檢修。

1) 催化劑裝填疏密度。

2) 反應(yīng)物偏流，進(jìn)料量太低、分配盤泡罩堵塞、雜質(zhì)堵塞催化劑縫隙。

3) 冷氫箱噴嘴堵塞。

4) 床層催化劑結(jié)焦、架橋。

5) 測(cè)溫傳感器安裝高度有誤。

1.2　測(cè)量不同床層溫度形成溫度梯度

通過(guò)自上而下的溫度梯度來(lái)判斷反應(yīng)的催化劑活性、原料性質(zhì)、固定溫升等，溫升過(guò)高時(shí)需加大上層注冷氫量。

2　高壓多點(diǎn)柔性熱電偶技術(shù)要求

高壓多點(diǎn)柔性鎧裝熱電偶技術(shù)要求主要如下。

1) 偶絲尺寸： 單管單點(diǎn)不小于φ8 mm，單管多點(diǎn)不小于φ10～φ16 mm。

2) 熱電偶分度號(hào)： K；結(jié)構(gòu)為接地型或絕緣型，推薦使用絕緣型。

3) 允差等級(jí)或精度： ±1.5 ℃或±(t×0.4%)，t為實(shí)際測(cè)量溫度,℃。

4) 響應(yīng)時(shí)間： 輸出變化至階躍變化的63.2%時(shí)，所需時(shí)間不超過(guò)15 s。

5) 在鎧管內(nèi)的多點(diǎn)熱電偶不得公用偶絲的正極或負(fù)極。

6) 管束應(yīng)限制在直徑為64 mm (2.5″)的圓內(nèi)，熱電偶鎧管應(yīng)允許25 mm的彎曲半徑。

7) 熱電偶的連接法蘭、鎧裝層、T型支架、固定管卡、二次密封腔、二次密封腔的泄漏測(cè)壓口接口材質(zhì)采用347牌號(hào)不銹鋼，熱電偶制造中使用的347牌號(hào)的不銹鋼應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定熱處理。

3　高壓多點(diǎn)柔性熱電偶鎧管結(jié)構(gòu)形式

按制造工藝分單管單點(diǎn)和單管多點(diǎn)。

1) 單管單點(diǎn)是將1對(duì)偶絲、氧化鎂預(yù)填在保護(hù)管內(nèi)經(jīng)拉伸而成，成品熱電偶的鎧套外徑一般為φ8 mm。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是安裝方便、損壞后可單獨(dú)更換，缺點(diǎn)是強(qiáng)度差、卸劑時(shí)易損壞、氧化鎂密度較小，鎧管破碎后易造成滲氫。

2) 單管多點(diǎn)是將多對(duì)偶絲、氧化鎂預(yù)填在保護(hù)管內(nèi)經(jīng)擠壓而成，成品熱電偶的鎧管外徑一般為φ10 mm。每根鎧管內(nèi)不超過(guò)4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)；鎧管外徑為φ13 mm時(shí)，每根鎧管內(nèi)不超過(guò)9個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。T型梁結(jié)構(gòu)每根鎧管內(nèi)不超過(guò)2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、卸劑時(shí)部件不易損壞、氧化鎂密度較大，鎧管破碎后不易造成滲氫；缺點(diǎn)是損壞后不能單獨(dú)更換。

4　高壓多點(diǎn)柔性熱電偶的測(cè)點(diǎn)布置方式

高壓多點(diǎn)柔性熱電偶的布置方式分為線性布置和環(huán)形布置： 線性布置的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)器內(nèi)壁安裝支撐預(yù)埋件僅1塊，安裝簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高，卸劑時(shí)不易損壞熱電偶；缺點(diǎn)是測(cè)溫點(diǎn)少。環(huán)形布置的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫點(diǎn)多；缺點(diǎn)是反應(yīng)器內(nèi)壁安裝支撐預(yù)埋件多，需制造廠二次設(shè)計(jì)制作支架，安裝復(fù)雜、強(qiáng)度較低，卸劑時(shí)易損壞熱電偶。

4.1　線性布置方式

以T-型梁結(jié)構(gòu)為代表，按反應(yīng)器直徑又分為3點(diǎn)和6點(diǎn)測(cè)溫，3點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)位置分別為反應(yīng)器直徑的1/3，1/2，2/3；6點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)位置分別為反應(yīng)器直徑的1/7，2/7，3/7，4/7，5/7，6/7。其結(jié)構(gòu)又分帶外套管和不帶外套管兩種。

1) 帶外套管的T-型梁結(jié)構(gòu)熱電偶是將幾根端部帶堵頭的外保護(hù)管分別焊接在T-型鋼梁上，外套管另一端和T-型鋼梁均焊接在法蘭內(nèi)面上，法蘭上布置與測(cè)溫點(diǎn)相同數(shù)量的鉆孔，填料函用于將熱電偶鎧管從法蘭外面插入外保護(hù)管內(nèi)，并添加火山巖填料密封，幾個(gè)鎧管在法蘭外面分別用鎖緊螺母鎖緊，結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于外套管內(nèi)設(shè)計(jì)為常壓，因而該位置鎖緊螺母并不承壓，當(dāng)外套管因滲氫造成套管內(nèi)帶壓，嚴(yán)重時(shí)將鎧管彈出造成無(wú)法測(cè)溫，氫氣泄漏又會(huì)帶來(lái)極大的安全隱患，在反應(yīng)器直徑大于3 200 mm的場(chǎng)合，一般不推薦使用。

圖1　帶外套管T-型梁熱電偶

2) 不帶外套管的T-型梁結(jié)構(gòu)熱電偶是將幾根熱電偶鎧管分別直接焊接在T-型鋼梁上，鎧管另一端和T-型鋼梁均焊接在法蘭內(nèi)面上，二次密封腔一側(cè)與法蘭外面焊接，熱電偶鎧管在二次密封腔接線箱側(cè)再次焊接，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)解決了外套管滲氫的問(wèn)題，但因?yàn)殒z管直接和催化劑接觸，在卸劑時(shí)易損傷鎧管造成內(nèi)漏，解決內(nèi)漏的辦法通常是在鎧管的接線盒端增設(shè)密封堵頭，當(dāng)發(fā)生內(nèi)漏時(shí)將線纜剪斷，用堵頭堵死。

圖2　不帶外套管T-型梁熱電偶

4.2　環(huán)形布置方式

按反應(yīng)器直徑可分為8，12，16，24點(diǎn)等，呈等面積布置；其結(jié)構(gòu)又分焊接密封和填料加鎖緊螺母密封2種。

1) 焊接密封是將若干根熱電偶鎧管的測(cè)量端分別用管卡固定在由制造廠配帶的鋼梁上，鎧管另一端焊接在法蘭內(nèi)面上，二次密封腔一側(cè)與法蘭外面焊接，熱電偶鎧管在二次密封腔接線箱側(cè)再次焊接，結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)因鎧管移動(dòng)造成大的泄漏和安全事故；缺點(diǎn)是損壞后不能單獨(dú)更換，整體吊裝安裝不方便，焊縫進(jìn)行熱處理后會(huì)抵消應(yīng)力，幾個(gè)開(kāi)工周期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)氫鼓泡、晶間開(kāi)裂的現(xiàn)象。但如果焊縫熱處理不當(dāng)以及諸如焊縫寬度、焊接電流、焊層多少等焊接要求不能滿足時(shí)，加上停工時(shí)的硫化氫腐蝕，可能會(huì)較早出現(xiàn)氫鼓泡、晶間開(kāi)裂的現(xiàn)象，給生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患。

圖3　焊接密封示意

2) 填料加鎖緊螺母密封是將若干根熱電偶鎧管的測(cè)量端分別用管卡固定在由制造廠配帶的鋼梁上，鎧管另一端用石墨填料密封加壓緊螺母密封。在法蘭外面上焊接密封底座，密封底座上設(shè)置與二次密封腔連接的外螺紋接口和若干用于鎧管密封的內(nèi)螺紋接口，結(jié)構(gòu)如圖3所示。該接口與密封轉(zhuǎn)換接頭外螺紋端螺紋連接，建議現(xiàn)場(chǎng)采用密封焊，轉(zhuǎn)換接頭內(nèi)螺紋端經(jīng)填加石墨填料后用鎖緊螺母鎖緊，結(jié)構(gòu)如圖4所示。該壓力等級(jí)只能達(dá)到PN70，熱電偶延伸線在二次密封腔接線箱側(cè)也采用填料和鎖緊螺母密封，結(jié)構(gòu)如圖5所示，該壓力等級(jí)可達(dá)到PN320。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是損壞后能單獨(dú)更換、可拆解安裝，安裝方便；缺點(diǎn)是一旦填料老化就會(huì)嚴(yán)重影響密封造成泄漏，采用填料密封后經(jīng)受不了拉力，由于反應(yīng)器內(nèi)鎧裝熱電偶與催化劑結(jié)焦成片、成塊，一旦反應(yīng)器催化劑床層塌陷下沉?xí)r，會(huì)將熱電偶元件拉到反應(yīng)器內(nèi)，產(chǎn)生嚴(yán)重泄漏。2014年中石化某公司就出現(xiàn)過(guò)該事故，導(dǎo)致裝置被迫停工。

圖4　填料加鎖緊螺母密封示意

圖5　填料加鎖緊螺母密封總裝示意

5　渣油加氫反應(yīng)器高溫高壓多點(diǎn)鎧裝熱電偶的研制

5.1　開(kāi)發(fā)熱電偶套管合金材料

為解決多點(diǎn)鎧裝熱電偶在高溫高壓臨氫狀態(tài)下正常工作，解決347牌號(hào)不銹鋼是焊縫處容易高溫氫脆腐蝕和不耐硫化氫腐蝕的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了鎳、鉻、鉬、鈮、鉭、鋁、硅和微量稀土元素構(gòu)成的新型不銹鋼材料，以提高高溫下的強(qiáng)度和耐高溫氫脆開(kāi)裂及耐硫化氫腐蝕的性能。新材料以鉻、鈮、鉬、鉭為高溫基礎(chǔ)元素，特別提高了鉬元素比例，以鎳為平衡，鋁、鈮加鉭組合比例相應(yīng)提高，鋁元素是抗硫和硫化氫腐蝕的理想材料。通過(guò)優(yōu)化不銹鋼中各元素的組成，鎳鉻合金中所含的鉬、鈮固溶體強(qiáng)化效應(yīng)，調(diào)整能形成穩(wěn)定碳化物元素的比例，能夠降低碳?xì)浠戏磻?yīng)和反應(yīng)速率、減少氫溶解度和在鐵晶格中的擴(kuò)散系數(shù)，這些元素也使該合金具有卓越的耐腐蝕特性。實(shí)驗(yàn)證明： 新材料制成的φ10 mm鎧裝熱電偶套管，在1 100 ℃高溫下仍有很高的強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性。

5.2　研制鎧裝熱電偶可拆卸結(jié)構(gòu)

為解決焊接密封結(jié)構(gòu)無(wú)法獨(dú)立更換熱電偶和填料加鎖緊螺母密封不可靠的問(wèn)題，研制了多支鎧裝熱電偶與高壓法蘭連接采用可拆卸結(jié)構(gòu)，密封方法采用高壓閥門結(jié)構(gòu)原理，高壓閥門結(jié)構(gòu)可拆卸裝配示意如圖6所示?？紤]到高溫高壓下材料的膨脹系數(shù)，包括法蘭在內(nèi)的各個(gè)部件分別采用不同材料，進(jìn)行熱處理工藝，優(yōu)化材料性能，高壓焊接式結(jié)構(gòu)裝配示意如圖7所示。

圖6　高壓閥門結(jié)構(gòu)可拆卸裝配示意

圖7　高壓焊接式結(jié)構(gòu)裝配示意

5.3　熱電偶鎧管制作工藝的改進(jìn)和檢驗(yàn)

5.3.1鎧裝制作工藝的改進(jìn)

為了解決單管多點(diǎn)組合鎧裝熱電偶容易產(chǎn)生內(nèi)漏問(wèn)題，研制了單管多點(diǎn)實(shí)芯鎧裝熱電偶。按不同數(shù)量要求制作氧化鎂瓷珠；將各點(diǎn)長(zhǎng)度與偶絲直徑正確計(jì)算，制成裸體熱電偶，定位穿入大直徑氧化鎂瓷珠，再將穿好瓷珠的熱電偶塞入不銹鋼管內(nèi)，擠壓變徑成型。改進(jìn)后的單管多點(diǎn)實(shí)芯鎧裝熱電偶與常規(guī)方法制做的鎧裝熱電偶相比，同樣直徑的產(chǎn)品，保護(hù)管壁壁厚增加了一倍，偶絲直徑增加了5倍，管內(nèi)填料致密性高，套管不封閉耐壓可達(dá)100 MPa而不內(nèi)漏。綜合性能： 強(qiáng)度高、測(cè)溫范圍大、各測(cè)溫點(diǎn)分離絕緣、極高的致密性，使用周期均大幅延長(zhǎng)。

5.3.2鎧裝熱電偶鎧管表面處理

為了進(jìn)一步延長(zhǎng)鎧裝熱電偶的使用壽命，在φ6 mm以上、鎧管壁厚1.0 mm以上的鎧裝熱電偶表面復(fù)合一層抗氫脆、耐腐蝕的保護(hù)層，通過(guò)加熱、溶解、擠壓等工藝，使保護(hù)層與鎧裝基體冶金結(jié)合。這種保護(hù)層能有效隔絕介質(zhì)與基體的直接接觸，可以更加延長(zhǎng)鎧裝熱電偶的使用壽命。

5.3.3壓力試驗(yàn)

為保證產(chǎn)品的密封性，增加了密封部件的氣密性試驗(yàn)和高溫高壓型試驗(yàn)：

1) 常溫氣密性測(cè)試裝置。試壓氣源： 氦氣；指標(biāo)： 耐壓30 MPa，保壓1 h無(wú)泄漏，則為合格。

2) 高溫高壓型試驗(yàn)。試壓介質(zhì)： 高溫導(dǎo)熱油；指標(biāo)： 溫度450 ℃、壓力50 MPa，保壓12 h無(wú)泄漏，則為合格。

3) 二次密封腔耐壓測(cè)試。試壓介質(zhì)： 水；溫度： 常溫；耐壓30 MPa，保壓1 h無(wú)泄漏，則為合格。

5.3.4高溫高壓多點(diǎn)鎧裝熱電偶的技術(shù)指標(biāo)

高溫高壓多點(diǎn)鎧裝熱電偶的技術(shù)指標(biāo)如下:

1) 溫度范圍： 0～800 ℃,極限1 000 ℃。

2) 耐壓能力： 常溫，一次密封耐壓100 MPa，二次密封耐壓30 MPa。

3) 使用場(chǎng)合： 所有加氫反應(yīng)器、高溫高壓、臨氫、腐蝕性環(huán)境。

6　結(jié)束語(yǔ)

加氫反應(yīng)器多點(diǎn)鎧裝熱電偶因技術(shù)要求高，長(zhǎng)期以來(lái)被國(guó)外品牌壟斷，特別是高溫高壓渣油、蠟油加氫裝置反應(yīng)器更是如此。

通過(guò)中國(guó)石油化工股份有限公司金陵分公司、富陽(yáng)富春江儀表廠、中石化洛陽(yáng)工程有限公司三家單位聯(lián)合攻關(guān)，經(jīng)反復(fù)多次試制、實(shí)驗(yàn)，研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的渣油加氫多點(diǎn)高壓鎧裝熱電偶，產(chǎn)品經(jīng)中石化金陵石化分公司1.80 Mt /a渣油加氫裝置第四反應(yīng)器使用，在溫度385 ℃，壓力18.5 MPa，5.5 kt /d處理量狀態(tài)下，效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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