黃繼強，劉瀚孺，李馨

(1. 中國石化長城能源化工(寧夏)有限公司，寧夏 銀川 750411；2. 天津市中環(huán)溫度儀表有限公司，天津 300300)

1，4-丁二醇(BDO)加氫反應(yīng)器和甲醇合成反應(yīng)器分別是BDO項目和甲醇裝置中的核心設(shè)備，長期以來多點熱電偶產(chǎn)品一直為進口品牌，存在進口產(chǎn)品技術(shù)受制于人、采購周期長、采購成本和現(xiàn)場服務(wù)費用居高不下等問題，是企業(yè)所面臨的實際困難。在當(dāng)今的國際經(jīng)濟形式下，大力推進國產(chǎn)化，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，才是尋求技術(shù)獨立，經(jīng)濟求強的最強有力手段。

1 BDO加氫反應(yīng)器多點熱電偶的國產(chǎn)化

1.1 概 述

寧夏某公司BDO項目中，BDO反應(yīng)器采用美國INVISTA工藝，1，4-丁炔二醇(BYD)加氫是在2臺串聯(lián)的固定床反應(yīng)器中進行，99%的加氫反應(yīng)在第1臺反應(yīng)器中完成。INVISTA工藝的特點是系統(tǒng)需定期停車，進行全部催化劑的更換和活化。因此，該公司在2018年1月對加氫反應(yīng)器進行了自2015年開車后的第一次催化劑更換，其中涉及對所用的多點熱電偶進行重新采購和更換。通過技術(shù)合作，成功地將該熱電偶進行了國產(chǎn)化，不僅大幅降低了企業(yè)的采購成本，縮短了檢修周期，同時也實現(xiàn)了該產(chǎn)品的國產(chǎn)化，具有劃時代的意義。

1.2 國產(chǎn)化的原因

BDO高壓加氫反應(yīng)器處于高溫、高壓、臨氫及易燃易爆介質(zhì)的運行環(huán)境中，為確保高壓加氫反應(yīng)器的安全、穩(wěn)定、長期運行，各物理和化學(xué)指標(biāo)的檢驗工作顯得尤為緊迫和重要。同時，該運行環(huán)境對用于測量催化劑床層溫度的多點熱電偶提出了苛刻的要求，技術(shù)指標(biāo)需滿足耐高壓、耐高溫、長周期運行的目標(biāo)。由于該產(chǎn)品一直使用的是進口產(chǎn)品，檢修拆下后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過5 a的連續(xù)運行，原熱電偶已發(fā)生了不同程度的損壞，如毫伏值不準(zhǔn)、絕緣值下降、元件保護管外皮破裂、引線脫落等，因此需要重新采購多點熱電偶。由于檢修工作時間緊、任務(wù)重，而進口產(chǎn)品的采購周期較長，無法滿足時間上的要求，因此筆者大膽提出BDO加氫反應(yīng)器多點熱電偶國產(chǎn)化的觀點。

1.3 國產(chǎn)化的推進

1.3.1 工況介紹

BDO是重要的有機化工原料，是炔醇法中BYD的加氫產(chǎn)物。在BDO的生產(chǎn)工藝中，氫氣經(jīng)氫氣壓縮機升壓至29.4～30.8 MPa后，進入加氫反應(yīng)器，在反應(yīng)器中氫氣與BYD在鎳催化劑的作用下，通過加氫反應(yīng)生成BDO。因此，高壓加氫反應(yīng)器是BDO項目中的核心設(shè)備，目前的BDO高壓加氫反應(yīng)器多為固定床反應(yīng)器，其中測量催化劑溫度的多點熱電偶，要求耐壓等級高，運行周期長。

1.3.2 技術(shù)方案的確定

根據(jù)反應(yīng)器的操作壓力、操作溫度、介質(zhì)特性、接口方式和測點布局，通過技術(shù)攻關(guān)，最終確定了多點熱電偶的技術(shù)方案：

1)可靠性的保證。BDO加氫反應(yīng)器屬于典型的高壓反應(yīng)器，操作壓力為30.5 MPa，因此承壓能力和密封可靠性是技術(shù)方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

a)確定固定方式。根據(jù)反應(yīng)器原設(shè)計工藝接口形式，要求多點熱電偶側(cè)同為GRAYLOC高壓卡蘭，即采用高溫、高壓自緊零泄漏的全金屬密封方式，承壓能力達(dá)到45 MPa以上。

b)制訂多點熱電偶內(nèi)部承壓密封結(jié)構(gòu)。GRAYLOC高壓卡蘭至接線箱之間，設(shè)置二級密封腔結(jié)構(gòu)，腔內(nèi)配有多級密封阻漏裝置，由金屬卡套、石墨填料、雙腔室構(gòu)成，并在腔體外設(shè)置檢漏電接點壓力表，隨時觀測泄漏狀態(tài)，并可遠(yuǎn)傳DCS報警。

c)設(shè)置自動泄壓安全閥。當(dāng)泄漏量達(dá)到設(shè)定值時，泄壓閥自動開始工作，避免操作人員前往現(xiàn)場手工泄壓，保證了人身安全。

2)材料的選擇。反應(yīng)器正常運行時的操作溫度為135 ℃，氫氣與BYD在鎳催化劑的作用下進行加氫反應(yīng)，因此溫度計是在臨氫及易燃易爆介質(zhì)的運行環(huán)境中使用。根據(jù)該化學(xué)屬性，選用抗氫腐蝕性能優(yōu)異的高鎳INCONEL600合金作為測量元件保護管材質(zhì)，設(shè)計使用壽命確保在10 a以上。

3)多點元件形式的選擇。由于INVISTA工藝系統(tǒng)需定期停車，進行全部催化劑的更換和活化，因此多點熱電偶的定期檢修和更換要充分考慮。多點熱電偶有多支單點式、單支多點式、多支多點式3類，該公司反應(yīng)器工藝要求為每套12個測點，從測點數(shù)量、檢維修的實用性和經(jīng)濟性考慮，最終確定選用多支單點式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的最大特點是元件可單獨更換，檢測、維修、更換可有針對性地獨立進行，節(jié)省了后續(xù)的維護成本。

4)測溫效果的保證。在元件的延伸過程中，設(shè)置N個支撐環(huán)，該支撐環(huán)上設(shè)置了與元件數(shù)相同數(shù)量的圓孔，以便測量元件能相應(yīng)穿過，實現(xiàn)元件互不纏繞，為元件的單獨更換奠定了基礎(chǔ)。同時，該支撐環(huán)的外圓直徑尺寸接近多點熱電偶外套管的內(nèi)徑，測量元件在插入套管前，將其前端進行彈性處理，該尺寸的選擇和彈性工藝的結(jié)合，可以巧妙地促使元件進入套管后緊貼套管內(nèi)壁，從而實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的測溫效果，保證了工藝參數(shù)的良好采集。

1.3.3 檢 測

綜上所述，多點熱電偶的技術(shù)方案確定后，壓力測試、密封性測試、焊接測試、材質(zhì)測試、精度測試等，是驗證熱電偶各項性能指標(biāo)的關(guān)鍵，生產(chǎn)廠商運用先進的檢測手段，確保了檢測的完整性和科學(xué)性。

1)運用超聲波探傷、渦流探傷和PT著色檢測，檢測GRAYLOC法蘭的焊接質(zhì)量，該法蘭焊接后，必須運用焊道清洗將應(yīng)力消除，然后檢測焊接質(zhì)量，確保焊接工序萬無一失。

2)運用滲透力最強的氦氣檢測方式，對所有鎧裝元件進行氣密性檢測。

3)運用全成分光譜分析儀，對所有金屬部件進行材質(zhì)檢測，即使微量元素，也可做到與材料標(biāo)準(zhǔn)高度一致。

4)運用特制的壓力測試設(shè)備進行承壓測試，根據(jù)1.5倍的測試要求，測試等級高達(dá)45 MPa。

1.3.4 現(xiàn)場應(yīng)用

經(jīng)過兩個月的設(shè)計、研制、生產(chǎn)、檢測過程，國產(chǎn)化的BDO加氫反應(yīng)器多點熱電偶順利交工，并在規(guī)定時間內(nèi)安裝到現(xiàn)場。經(jīng)過對各項指標(biāo)的復(fù)檢、安裝、調(diào)試等環(huán)節(jié)，自2018年5月開車運行后，截至目前DCS反饋數(shù)據(jù)一直準(zhǔn)確、完整，產(chǎn)品穩(wěn)定運行，BDO加氫反應(yīng)器多點熱電偶國產(chǎn)化圓滿成功。

2 甲醇合成反應(yīng)器多點熱電偶的國產(chǎn)化

2.1 工況介紹

內(nèi)蒙某公司的甲醇合成反應(yīng)器是典型的Davy工藝反應(yīng)器，該反應(yīng)器是英國 Davy Mekee 公司在對傳統(tǒng) ICI 多段冷激塔及 Lurgi 管殼塔進行結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，成功開發(fā)的 Casale 軸、徑向混合流多段絕熱合成塔。該塔各段催化劑床層支撐設(shè)置在塔體內(nèi)，并與塔壁保持一定距離的環(huán)形空隙，形成進氣通道，床層中心為頂端封閉的集氣管。經(jīng)塔外換熱的原料氣入塔后，通過催化劑筐頂部及側(cè)壁開孔，按照軸向和徑向兩種流動方式通過床層，生成氣經(jīng)集氣管匯合后，從催化劑筐底部導(dǎo)出塔外。多段催化劑床層可串聯(lián)使用，也可并聯(lián)使用。Casale合成塔的優(yōu)點： 床層阻力較小、大型化潛力大，高度16 m的塔，生產(chǎn)能力可達(dá)到5 kt/d；缺點： 催化劑裝卸困難。因此，保持穩(wěn)定良好的運行條件，減少催化劑非正常損耗，延長催化劑更換周期，是節(jié)能降耗的有效措施。

2.2 國產(chǎn)化的原因

甲醇合成塔是甲醇裝置的核心設(shè)備之一，也是合成工段中最關(guān)鍵的設(shè)備，合成塔為立式絕熱管殼型反應(yīng)器，管內(nèi)裝有C306型低壓合成甲醇催化劑，反應(yīng)器中重要的參數(shù)涉及壓力、溫度、介質(zhì)成分、流量等，確定合成塔設(shè)備排熱量及結(jié)構(gòu)形式，為工藝設(shè)計提供理論依據(jù)。

其中測量催化劑溫度的多點熱電偶一直使用的是進口品牌產(chǎn)品，雖然產(chǎn)品一直處于穩(wěn)定運行，但在2016年3月，熱電偶因故造成部分導(dǎo)線被燒毀，由于該產(chǎn)品采用共用負(fù)極的結(jié)構(gòu)，因此無法修復(fù)，只能重新采購。該次檢修屬于非計劃停車檢修，而進口產(chǎn)品采購周期長，無法滿足檢修工作時間的進度。同時，該公司一直在找尋各類進口產(chǎn)品國產(chǎn)化的機會，于是甲醇合成反應(yīng)器多點熱電偶的國產(chǎn)化被正式提至日程。

2.3 國產(chǎn)化的推進

2.3.1 技術(shù)方案的確定

根據(jù)反應(yīng)器的操作壓力、操作溫度、介質(zhì)特性、接口方式和測點布局，最終確定了多點熱電偶的技術(shù)方案：

1)可靠性的保證。甲醇合成反應(yīng)器屬于中壓反應(yīng)器，操作壓力為6 MPa，按照工藝要求，安裝法蘭為高壓法蘭，因此承壓能力和密封可靠性是技術(shù)方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

a)法蘭與套管噴嘴部件運用自動填料氬弧焊接，在電腦程序控制下合理掌握焊接進程，焊后進行應(yīng)力消除和超聲波探傷等檢測，確保焊接質(zhì)量完美可靠。根據(jù)承壓能力設(shè)計規(guī)范，達(dá)到10 MPa以上。

b)制訂多點熱電偶內(nèi)部承壓密封結(jié)構(gòu)。

c)該產(chǎn)品由2支保護管組成，每支保護管內(nèi)置10個熱電偶元件，因此產(chǎn)品內(nèi)部采取組合式多級阻漏密封方式，即保護管經(jīng)316SS材質(zhì)的過渡管后，由軟線引出，在過渡管內(nèi)部，多芯元件與引線連接高溫注膠密封，確保無泄漏；產(chǎn)品內(nèi)部的所有螺紋連接，均采用SWAGELOK連接件。

2)材料的選擇。甲醇反應(yīng)器內(nèi)氣體組分中富含氬、氮、甲烷和氫，因此甲醇合成反應(yīng)器中經(jīng)濟有效的溫度是保持等溫或準(zhǔn)等溫工況，即過程溫度為250～260 ℃。根據(jù)介質(zhì)的化學(xué)屬性和溫度范圍，選用抗腐蝕性能優(yōu)異的316L合金作為測量元件保護管材質(zhì)，設(shè)計使用壽命確保在10 a以上。

3)多點元件形式的選擇。該公司甲醇合成反應(yīng)按照Davy工藝要求，每套多點熱電偶需要有20個測點，而熱電偶套管內(nèi)徑僅22 mm，且測點與測點之間的間距僅為1 m多，且總長度達(dá)13 m。從測點數(shù)量、空間條件和測點間距考慮，最終確定選用多支多點式的結(jié)構(gòu)，即單支多點的組合式。產(chǎn)品由2支Φ6 mm保護管組成，每個保護管內(nèi)設(shè)有10個測點，共計20個測點；每個測點的熱電偶都有獨立的正極和負(fù)極，這是與進口產(chǎn)品最大的區(qū)別，該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)每個熱電偶的單獨檢、維修，可大幅節(jié)省后續(xù)的維護成本。

4)測溫效果的保證。因熱電偶測點多，間距小，為防止氣流傳遞導(dǎo)致的熱輻射，在每個測點120 mm范圍的兩側(cè)各100 mm寬區(qū)域內(nèi)，緊密包覆高強度陶瓷纖維毯，并用強有力的細(xì)棉線固定，以保證熱電偶之間的氣密密封，測量點只接受氣流的熱量，避免了沿芯體傳遞來的熱量，同時提高了測量的精準(zhǔn)度，確保了測量值的真實性。

在熱電偶最前端設(shè)置1個304L材質(zhì)的子彈頭狀導(dǎo)向端頭，其連接支撐桿和2支多點熱電偶保護管，在導(dǎo)向端頭的支撐和導(dǎo)向作用下，可以將熱電偶緩慢插入合成塔內(nèi)熱電偶套管噴嘴及熱電偶集中錐中。

在保護管的延伸過程中，設(shè)置N個支撐板，該支撐板上設(shè)置3個圓孔，分別供2支保護管和支撐管穿過，該支撐環(huán)的外圓直徑尺寸接近多點熱電偶外套管的內(nèi)徑，在支撐板的作用下，可以確保長達(dá)13 m的超細(xì)保護管在插入套管的過程中，不發(fā)生扭曲和變形。

2.3.2 檢 測

該多點熱電偶的技術(shù)方案設(shè)計中，測點的檢測和密封性測試是驗證工作的重點。根據(jù)工藝包嚴(yán)苛的檢驗要求，天津某儀表廠商運用先進的檢測手段，確保了檢測的完整性和科學(xué)性。所有檢測均在生產(chǎn)地完成，并在到達(dá)現(xiàn)場后，與該公司技術(shù)人員共同進行了復(fù)檢。

1)尺寸檢測。法蘭頂面做箭頭標(biāo)記，以便在安裝熱電偶時正確定向。

2)材質(zhì)檢測。運用全成分光譜分析儀，對所有金屬部件進行材質(zhì)檢測，即使微量元素，也做到與材料標(biāo)準(zhǔn)高度一致。

3)檢查所有安裝用螺栓、墊圈、RJ環(huán)和陶瓷纖維的供貨完整性。

4)熱電偶功能測試。用熱風(fēng)槍對熱電偶每個測點吹風(fēng)，觀察其響應(yīng)性，記錄響應(yīng)時間，每點取3次測量值，比較測溫速度與溫度變化值。

5)檢查保護管和延長導(dǎo)線保護盒，檢查外部標(biāo)識，由于熱電偶測點多，因此標(biāo)識的清晰、準(zhǔn)確尤為重要。

6)對每個熱電偶進行重復(fù)的連續(xù)性檢查，以確定所有線路處于良好狀態(tài)。

2.4 現(xiàn)場應(yīng)用

從2016年12月正式定貨到2017年3月貨到現(xiàn)場，經(jīng)過3個月的設(shè)計、研制、生產(chǎn)、檢測過程，國產(chǎn)化的甲醇合成反應(yīng)器多點熱電偶順利交工，并在規(guī)定時間內(nèi)安裝到現(xiàn)場。經(jīng)過各項指標(biāo)復(fù)檢、安裝、調(diào)試等環(huán)節(jié)，從2017年4月開車運行至今，DCS反饋數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、完整，產(chǎn)品穩(wěn)定運行，甲醇合成反應(yīng)器多點熱電偶國產(chǎn)化圓滿成功。2017年，該產(chǎn)品順利通過專利審查，獲取了專利知識產(chǎn)權(quán)。

3 結(jié)束語

BDO加氫反應(yīng)器多點熱電偶和甲醇合成反應(yīng)器多點熱電偶國產(chǎn)化的成功，直接節(jié)省了40%～60%的企業(yè)采購成本，時間僅用了原進口產(chǎn)品采購周期的50%，便完成了檢修任務(wù)，且各項指標(biāo)精準(zhǔn)達(dá)標(biāo)，充分體現(xiàn)了國有專業(yè)制造廠商的生產(chǎn)實力。