BDO加氫反應器和甲醇合成反應器多點熱電偶的國產化應用

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)加氫反應器和甲醇合成反應器分別是BDO項目和甲醇裝置中的核心設備，長期以來多點熱電偶產品一直為進口品牌，存在進口產品技術受制于人、采購周期長、采購成本和現場服務費用居高不下等問題，是企業(yè)所面臨的實際困難。在當今的國際經濟形式下，大力推進國產化，擁有自主知識產權，才是尋求技術獨立，經濟求強的最強有力手段。

1 BDO加氫反應器多點熱電偶的國產化

1.1 概 述

寧夏某公司BDO項目中，BDO反應器采用美國INVISTA工藝，1，4-丁炔二醇(BYD)加氫是在2臺串聯(lián)的固定床反應器中進行，99%的加氫反應在第1臺反應器中完成。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。通過技術合作，成功地將該熱電偶進行了國產化，不僅大幅降低了企業(yè)的采購成本，縮短了檢修周期，同時也實現了該產品的國產化，具有劃時代的意義。

1.2 國產化的原因

BDO高壓加氫反應器處于高溫、高壓、臨氫及易燃易爆介質的運行環(huán)境中，為確保高壓加氫反應器的安全、穩(wěn)定、長期運行，各物理和化學指標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，技術指標需滿足耐高壓、耐高溫、長周期運行的目標。由于該產品一直使用的是進口產品，檢修拆下后，發(fā)現經過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、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、任務重，而進口產品的采購周期較長，無法滿足時間上的要求，因此筆者大膽提出BDO加氫反應器多點熱電偶國產化的觀點。

1.3 國產化的推進

1.3.1 工況介紹

BDO是重要的有機化工原料，是炔醇法中BYD的加氫產物。在BDO的生產工藝中，氫氣經氫氣壓縮機升壓至29.4～30.8 MPa后，進入加氫反應器，在反應器中氫氣與BYD在鎳催化劑的作用下，通過加氫反應生成BDO。因此，高壓加氫反應器是BDO項目中的核心設備，目前的BDO高壓加氫反應器多為固定床反應器，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 技術方案的確定

根據反應器的操作壓力、操作溫度、介質特性、接口方式和測點布局，通過技術攻關，最終確定了多點熱電偶的技術方案：

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

a)確定固定方式。根據反應器原設計工藝接口形式，要求多點熱電偶側同為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，承壓能力達到45 MPa以上。

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

c)設置自動泄壓安全閥。當泄漏量達到設定值時，泄壓閥自動開始工作，避免操作人員前往現場手工泄壓，保證了人身安全。

2)材料的選擇。反應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，因此溫度計是在臨氫及易燃易爆介質的運行環(huán)境中使用。根據該化學屬性，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，設計使用壽命確保在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，該公司反應器工藝要求為每套12個測點，從測點數量、檢維修的實用性和經濟性考慮，最終確定選用多支單點式結構，該結構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，設置N個支撐環(huán)，該支撐環(huán)上設置了與元件數相同數量的圓孔，以便測量元件能相應穿過，實現元件互不纏繞，為元件的單獨更換奠定了基礎。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合，可以巧妙地促使元件進入套管后緊貼套管內壁，從而實現快速準確的測溫效果，保證了工藝參數的良好采集。

1.3.3 檢 測

綜上所述，多點熱電偶的技術方案確定后，壓力測試、密封性測試、焊接測試、材質測試、精度測試等，是驗證熱電偶各項性能指標的關鍵，生產廠商運用先進的檢測手段，確保了檢測的完整性和科學性。

1)運用超聲波探傷、渦流探傷和PT著色檢測，檢測GRAYLOC法蘭的焊接質量，該法蘭焊接后，必須運用焊道清洗將應力消除，然后檢測焊接質量，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檢測，即使微量元素，也可做到與材料標準高度一致。

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

1.3.4 現場應用

經過兩個月的設計、研制、生產、檢測過程，國產化的BDO加氫反應器多點熱電偶順利交工，并在規(guī)定時間內安裝到現場。經過對各項指標的復檢、安裝、調試等環(huán)節(jié)，自2018年5月開車運行后，截至目前DCS反饋數據一直準確、完整，產品穩(wěn)定運行，BDO加氫反應器多點熱電偶國產化圓滿成功。

2 甲醇合成反應器多點熱電偶的國產化

2.1 工況介紹

內蒙某公司的甲醇合成反應器是典型的Davy工藝反應器，該反應器是英國 Davy Mekee 公司在對傳統(tǒng) ICI 多段冷激塔及 Lurgi 管殼塔進行結構分析的基礎上，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置在塔體內，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。經塔外換熱的原料氣入塔后，通過催化劑筐頂部及側壁開孔，按照軸向和徑向兩種流動方式通過床層，生成氣經集氣管匯合后，從催化劑筐底部導出塔外。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，生產能力可達到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 國產化的原因

甲醇合成塔是甲醇裝置的核心設備之一，也是合成工段中最關鍵的設備，合成塔為立式絕熱管殼型反應器，管內裝有C306型低壓合成甲醇催化劑，反應器中重要的參數涉及壓力、溫度、介質成分、流量等，確定合成塔設備排熱量及結構形式，為工藝設計提供理論依據。

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品，雖然產品一直處于穩(wěn)定運行，但在2016年3月，熱電偶因故造成部分導線被燒毀，由于該產品采用共用負極的結構，因此無法修復，只能重新采購。該次檢修屬于非計劃停車檢修，而進口產品采購周期長，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品國產化的機會，于是甲醇合成反應器多點熱電偶的國產化被正式提至日程。

2.3 國產化的推進

2.3.1 技術方案的確定

根據反應器的操作壓力、操作溫度、介質特性、接口方式和測點布局，最終確定了多點熱電偶的技術方案：

1)可靠性的保證。甲醇合成反應器屬于中壓反應器，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方案的關鍵環(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，焊后進行應力消除和超聲波探傷等檢測，確保焊接質量完美可靠。根據承壓能力設計規(guī)范，達到10 MPa以上。

b)制訂多點熱電偶內部承壓密封結構。

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

2)材料的選擇。甲醇反應器內氣體組分中富含氬、氮、甲烷和氫，因此甲醇合成反應器中經濟有效的溫度是保持等溫或準等溫工況，即過程溫度為250～260 ℃。根據介質的化學屬性和溫度范圍，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，設計使用壽命確保在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13 m。從測點數量、空間條件和測點間距考慮，最終確定選用多支多點式的結構，即單支多點的組合式。產品由2支Φ6 mm保護管組成，每個保護管內設有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極，這是與進口產品最大的區(qū)別，該結構可以實現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，為防止氣流傳遞導致的熱輻射，在每個測點120 mm范圍的兩側各100 mm寬區(qū)域內，緊密包覆高強度陶瓷纖維毯，并用強有力的細棉線固定，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度，確保了測量值的真實性。

在熱電偶最前端設置1個304L材質的子彈頭狀導向端頭，其連接支撐桿和2支多點熱電偶保護管，在導向端頭的支撐和導向作用下，可以將熱電偶緩慢插入合成塔內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，設置N個支撐板，該支撐板上設置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徑，在支撐板的作用下，可以確保長達13 m的超細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方案設計中，測點的檢測和密封性測試是驗證工作的重點。根據工藝包嚴苛的檢驗要求，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性。所有檢測均在生產地完成，并在到達現場后，與該公司技術人員共同進行了復檢。

1)尺寸檢測。法蘭頂面做箭頭標記，以便在安裝熱電偶時正確定向。

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

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。用熱風槍對熱電偶每個測點吹風，觀察其響應性，記錄響應時間，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線保護盒，檢查外部標識，由于熱電偶測點多，因此標識的清晰、準確尤為重要。

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

2.4 現場應用

從2016年12月正式定貨到2017年3月貨到現場，經過3個月的設計、研制、生產、檢測過程，國產化的甲醇合成反應器多點熱電偶順利交工，并在規(guī)定時間內安裝到現場。經過各項指標復檢、安裝、調試等環(huán)節(jié)，從2017年4月開車運行至今，DCS反饋數據準確、完整，產品穩(wěn)定運行，甲醇合成反應器多點熱電偶國產化圓滿成功。2017年，該產品順利通過專利審查，獲取了專利知識產權。

3 結束語

BDO加氫反應器多點熱電偶和甲醇合成反應器多點熱電偶國產化的成功，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品采購周期的50%，便完成了檢修任務，且各項指標精準達標，充分體現了國有專業(yè)制造廠商的生產實力。