羅海榮，羅永智，王治剛，王芳鈺

甲烷化反應(yīng)器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

羅海榮，羅永智，王治剛，王芳鈺

（蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314）

甲烷化反應(yīng)器是甲烷轉(zhuǎn)化工藝中的重要設(shè)備，處于高溫工況下，設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞直接影響設(shè)備的安全和長(zhǎng)周期運(yùn)行。介紹了甲烷化反應(yīng)器設(shè)計(jì)過程當(dāng)中的技術(shù)特點(diǎn)，為今后此類設(shè)備的設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

甲烷化反應(yīng)器；設(shè)計(jì)質(zhì)量；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；技術(shù)要求

甲烷化反應(yīng)器的作用是將一定比例混合的氫氣、合成氣（CO、CO2）和天然氣經(jīng)過催化放熱反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷[1]。某項(xiàng)目合成氣完全甲烷化側(cè)線試驗(yàn)裝置中的甲烷化反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其內(nèi)部催化反應(yīng)處的設(shè)計(jì)溫度為750 ℃，氣體進(jìn)、出口設(shè)計(jì)溫度為600 ℃，其余金屬殼體的設(shè)計(jì)溫度為350 ℃，殼體內(nèi)壁設(shè)置隔熱襯里，主體材料選用15CrMoR、15CrMo鍛件和S30408鍛件。根據(jù)設(shè)備的工況特點(diǎn)，工程設(shè)計(jì)時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造檢驗(yàn)上都提出了嚴(yán)格的要求，對(duì)此進(jìn)行總結(jié)，為廣大技術(shù)人員提供設(shè)計(jì)參考。

圖1 甲烷化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該設(shè)備的類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：《壓力容器》（GB/T 150.1～150.4—2011）[2]；設(shè)計(jì)壓力：4.0 MPa；水壓試驗(yàn)壓力：6.28 MPa；焊接接頭系數(shù)：1.0；腐蝕余量：3 mm；設(shè)備質(zhì)量約8 t。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

甲烷化反應(yīng)器采用圓筒形裙座支撐結(jié)構(gòu)；殼體封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭EHA1 150 mm×26 mm；殼體分為上下兩段，中間用設(shè)備法蘭連接；氣體進(jìn)、出口分別設(shè)置了入口分布器和出口收集器；內(nèi)壁隔熱襯里采用雙層結(jié)構(gòu)，耐火層為低硅剛玉澆注料，隔熱層為輕質(zhì)澆注料；反應(yīng)器內(nèi)部填裝一定量的催化劑，催化劑上下兩端裝有瓷球?qū)ζ溥M(jìn)行保護(hù)。

2 主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 主殼體焊縫焊接坡口

設(shè)備A、B、D類焊接接頭均要求全截面焊透。根據(jù)設(shè)備的規(guī)格及材料特點(diǎn)，綜合考慮焊接方法、焊接作業(yè)條件、焊接效率、焊接變形、焊后清根等因素，確定了合理、經(jīng)濟(jì)的焊接工藝和焊接坡口，減少了焊接材料的消耗，降低了焊接工作量。設(shè)備主殼體焊縫坡口形式如圖2所示。

（a）筒體、設(shè)備法蘭B類焊接接頭 （b）筒體A類焊接接頭

（c）筒體與封頭B類焊接接頭 （d）接管與殼體D類焊接接頭

圖2 主殼體焊縫坡口形式

2.2 裙座結(jié)構(gòu)

鑒于設(shè)備的規(guī)格和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，裙座采用單環(huán)板螺栓座結(jié)構(gòu)，裙座筒體與下封頭的連接采用一般對(duì)接性結(jié)構(gòu)，如圖3所示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，不但節(jié)約了成本，還保證了支撐結(jié)構(gòu)的安全性。

2.3 氣體進(jìn)、出口接管

設(shè)備外部管線采用S30408不銹鋼，為便于與管線相連，氣體進(jìn)、出口接管設(shè)計(jì)為圖4所示結(jié)構(gòu)，分為兩段，與殼體焊接段采用15CrMo鍛件，與外部管線連接段采用S30408鍛件，在Cr-Mo鋼接管與不銹鋼接管連接的坡口處堆焊一層鎳基材料。由于Cr-Mo鋼接管端部堆焊了鎳基材料，可以不預(yù)熱直接冷焊，所有設(shè)備在最終熱處理之后再完成與不銹鋼接管之間的焊接，不僅避免了不銹鋼接管隨設(shè)備熱處理，保證了不銹鋼材料的性能，還減小在設(shè)備運(yùn)行中異種鋼溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力。

圖3 一般性連接結(jié)構(gòu)

圖4 氣體進(jìn)、出口接管結(jié)構(gòu)

3 主要制造技術(shù)要求

3.1 材料驗(yàn)收

材料到廠后，按《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（TSG 21—2016）[3]中2.1條的規(guī)定驗(yàn)收外，筒體、封頭用鋼板應(yīng)按NB/T 47013.3—2015[4]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定逐張進(jìn)行超聲檢測(cè)復(fù)驗(yàn)，Ⅱ級(jí)合格；受壓元件用不銹鋼材料（鍛件、接管及管件）應(yīng)按爐號(hào)復(fù)驗(yàn)化學(xué)成分，其含碳量應(yīng)不小于0.04%。

3.2 焊接要求

所有選用的焊接材料都應(yīng)有合格的化學(xué)分析質(zhì)量保證書，應(yīng)保證采用相應(yīng)方法焊成的焊接接頭的化學(xué)成分和力學(xué)性能不低于母材考核指標(biāo)，焊接材料到廠后進(jìn)行合金含量復(fù)驗(yàn)并確認(rèn)無誤。所有Cr-Mo鋼的焊接坡口在施焊前應(yīng)進(jìn)行機(jī)械加工，對(duì)于火焰切割制備的焊接坡口表面，其熱影響區(qū)還須采用機(jī)械加工方法切除。施焊前，Cr-Mo鋼的預(yù)熱溫度至少應(yīng)大于等于150 ℃，預(yù)熱范圍是坡口及其兩邊寬度不小于150 mm的區(qū)域，并應(yīng)均勻預(yù)熱；施焊后，其焊接接頭金屬溫度低于150 ℃前，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行消氫處理或退火。施焊后，焊接接頭表面不允許存在咬邊、裂紋、弧坑、夾渣等缺陷，熔渣和兩側(cè)的飛濺物必須打磨清除干凈；筒體、封頭的A、B類焊接接頭表面要打磨與母材平齊，不允許保留焊縫余高；角接接頭表面應(yīng)凹形圓滑。

3.3 無損檢測(cè)要求

無損檢測(cè)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要措施之一，設(shè)計(jì)時(shí)提出了嚴(yán)格的檢測(cè)要求：焊接前對(duì)所有焊接接頭的裝配尺寸、坡口進(jìn)行宏觀檢查；焊接完畢后，所有 A、B類焊接接頭按NB/T 47013.2—2015[5]標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行射線檢測(cè)，檢測(cè)比例100%，檢測(cè)技術(shù)等級(jí)AB級(jí)，合格級(jí)別Ⅱ級(jí)；熱處理前、后及水壓試驗(yàn)后，Cr-Mo鋼的A、B、D、E類焊接接頭表面按NB/T 47013.4—2015[6]標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行磁粉檢測(cè)，檢測(cè)比例100%，合格級(jí)別Ⅰ級(jí)；不銹鋼的B、E類焊接接頭表面按NB/T 47013.5—2015[7]標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行滲透檢測(cè)，檢測(cè)比例100%，合格級(jí)別Ⅰ級(jí)。

3.4 熱處理要求

根據(jù)GB/T 150.4—2011標(biāo)準(zhǔn)中第8.2條的規(guī)定，要求設(shè)備制造完畢后應(yīng)進(jìn)行整體消除應(yīng)力熱處理，所有與設(shè)備相焊的零件應(yīng)在設(shè)備熱處理前焊接完畢，熱處理后不得再次施焊。在制造過程中，應(yīng)綜合考慮產(chǎn)品的性能要求，制訂最佳的熱處理工藝。設(shè)備在爐內(nèi)進(jìn)行熱處理時(shí)，應(yīng)注意控制爐內(nèi)氣氛，保證設(shè)備受熱均勻，防止火焰直接燒到殼體表面上。

3.5 液壓試驗(yàn)要求

液壓試驗(yàn)的程序和步驟嚴(yán)格按照GB/T 150.4—2011標(biāo)準(zhǔn)中第11條的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，采用潔凈的水，水溫不得低于5 ℃，水中的氯離子質(zhì)量濃度不得大于25 mg/L，試驗(yàn)過程中無滲透或漏氣、無可見的變形、無異常的響聲為合格，水壓試驗(yàn)合格后應(yīng)立即將水排凈并充分干燥。

3.6 隔熱襯里要求

隔熱襯里的合理設(shè)計(jì)和選用至關(guān)重要[8]，是保證甲烷反應(yīng)器在高壓、高溫工況下長(zhǎng)期安全且可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素，隔熱襯里必須具備優(yōu)異的耐高溫、耐沖刷、耐腐蝕及抗氫滲透性能，還要具備良好的整體穩(wěn)定性和較好的抗蠕變性。雙層隔熱襯里采用支模澆注施工，在設(shè)備水壓試驗(yàn)合格后由專業(yè)澆注料廠家負(fù)責(zé)完成，其性能指標(biāo)如表1所示。襯里施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照襯里施工技術(shù)方案的要求進(jìn)行操作、檢查與驗(yàn)收，保證襯里的各項(xiàng)性能和質(zhì)量。

表1 隔熱襯里的性能指標(biāo)

澆注料名稱低硅剛玉輕質(zhì)料 110 ℃體積密度/（g/cm3） 2.95 1.25 110 ℃耐壓強(qiáng)度/MPa ≥8.5 ≥1.2 1 000 ℃×3 h燒后線變化率/（%）－0.2%～0－1.5～0 1 000 ℃導(dǎo)熱系數(shù)/（W/m·K）≤2.0≤0.35 Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/（%）≥92≥50 SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/（%）≤0.5≤38 Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/（%）≤0.1≤2 最高溫度/℃1 8001 100

3.7 涂覆、包裝要求

設(shè)備制造完畢后，外表面應(yīng)進(jìn)行噴丸除銹，涂漆前鋼材表面除銹等級(jí)應(yīng)達(dá)到Sa2.5級(jí)的要求。設(shè)備外表面（包括裙座過渡段外表面）涂耐350 ℃高溫變色漆，所有加工表面應(yīng)涂上防銹油脂或其他經(jīng)確認(rèn)的防蝕劑。設(shè)備在包裝前應(yīng)清除一切內(nèi)部雜物，所有開口部分和加工表面應(yīng)采取防護(hù)措施，以防止運(yùn)輸和儲(chǔ)存期間的損壞、腐蝕和進(jìn)入不相干的物質(zhì)；不銹鋼表面應(yīng)采用不含鹵素的溶劑、布帶等材料防護(hù)；所有可拆件應(yīng)做好標(biāo)記放置在包裝箱內(nèi)發(fā)貨，以方便運(yùn)輸。

4 結(jié)束語(yǔ)

甲烷化反應(yīng)器在制造前編制了專門的制造工藝，制造時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行工藝文件要求，嚴(yán)把制造關(guān)，各個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的結(jié)果均符合相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及圖紙的規(guī)定要求。目前，該設(shè)備已投入使用，運(yùn)行狀況良好，達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)。

［1］晏雙華，雙建永，胡四斌.煤制合成氣天然氣工藝中甲烷化合成技術(shù)［J］.化肥設(shè)計(jì)，2010，48（2）：19-21.

［2］壽比南，陳鋼，鄭津洋，等.GB/T 150.1—2011 壓力容器［S］.北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2011.

［3］中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，國(guó)家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局，全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，等.TSG 21—2016 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［S］.北京：新華出版社，2016.

［4］閻長(zhǎng)周，鄭暉，許遵言，等.NB/T 47013.3—2015 承壓設(shè)備無損檢測(cè)第3部分：超聲檢測(cè)［S］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2015.

［5］強(qiáng)天鵬，梁麗紅，沈功田，等.NB/T 47013.2—2015 承壓設(shè)備無損檢測(cè)第2部分：射線檢測(cè)［S］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2015.

［6］陳文虎，周裕峰，郭偉燦，等.NB/T 47013.4—2015 承壓設(shè)備無損檢測(cè)第4部分：磁粉檢測(cè)［S］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2015.

［7］范宇，劉德宇，杜護(hù)軍，等.NB/T 47013.5—2015 承壓設(shè)備無損檢測(cè)第5部分：滲透檢測(cè)［S］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2015.

［8］李淵，王景林，張亮.甲烷化反應(yīng)器襯里的選擇與設(shè)計(jì)優(yōu)化分析［J］.化工進(jìn)展，2013，32（Suppl 1）：48-52.

TH49；TQ545

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.014

2095－6835（2019）14－0036－02

羅海榮（1982—），女，甘肅白銀人，工程師，從事壓力容器設(shè)計(jì)工作。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕