渣油加氫多點(diǎn)柔性熱電偶固定方式的改進(jìn)實(shí)踐

文/魏磊 林東

本文作者魏磊供職于中海油惠州石化有限公司，林東供職于廣東茂化建集團(tuán)有限公司惠州分公司。

加氫反應(yīng)器柔性熱電偶安裝方式優(yōu)缺點(diǎn)分析以及固定方式改進(jìn)措施——反應(yīng)器是渣油加氫裝置的核心設(shè)備之一，它處于高溫、高壓、高硫和臨氫的工藝環(huán)境，其催化劑床層溫度是整個(gè)裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)。本文根據(jù)渣油加氫裝置卸催化劑時(shí)發(fā)現(xiàn)柔性熱電偶大部分從支架處脫落，及少量斷裂的情況，分析原設(shè)計(jì)柔性熱電偶固定方式易出問(wèn)題的原因，并提出改進(jìn)措施，經(jīng)過(guò)2年的時(shí)間驗(yàn)證，效果良好。

隨著汽油國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，原油輕質(zhì)化和低硫低氮化的要求被進(jìn)一步提高，使得煉油廠中加氫裝置的地位越來(lái)越重要。加氫反應(yīng)器是加氫裝置的核心設(shè)備之一，而控制反應(yīng)器床層溫度是調(diào)整產(chǎn)品指標(biāo)合格的主要手段，其風(fēng)險(xiǎn)在于加氫反應(yīng)屬于強(qiáng)放熱反應(yīng)，必須嚴(yán)格控制床層溫度，避免“飛溫”導(dǎo)致催化劑失活。在實(shí)際操作中，原料性質(zhì)變化、催化劑失活結(jié)焦以及床層壓降增大等現(xiàn)象只能通過(guò)調(diào)整床層溫度解決，這就對(duì)在高溫、高壓、臨氫條件下溫度元件的安全性和穩(wěn)定性提出較高的要求。

某煉油項(xiàng)目4.0 Mt/a渣油加氫裝置有兩個(gè)系列，共10臺(tái)加氫反應(yīng)器。每臺(tái)反應(yīng)器有3個(gè)床層，每個(gè)床層有均勻分布的4處測(cè)溫點(diǎn)，全部溫度監(jiān)控共有120點(diǎn)。該項(xiàng)目加氫反應(yīng)器材質(zhì)使用2.25Cr1Mo鋼，管口為3級(jí)鍛件，不能在反應(yīng)器上開太多孔，否則會(huì)影響反應(yīng)器殼體強(qiáng)度。

因此，無(wú)法使用普通帶護(hù)管的溫度測(cè)量方案，只能采用高壓柔性多點(diǎn)熱電偶解決。渣油加氫按催化劑的使用壽命，一般15~18個(gè)月更換一次催化劑。本文針對(duì)換劑檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)柔性熱電偶脫落及斷裂問(wèn)題進(jìn)行分析，并對(duì)安裝固定方式提出改進(jìn)措施。

柔性熱電偶常用安裝方式及其優(yōu)缺點(diǎn)

柔性熱電偶的結(jié)構(gòu)分為單支單點(diǎn)、單支多點(diǎn)以及多支多點(diǎn)。無(wú)論采用哪種結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)都是所有熱電偶共用一個(gè)法蘭，但又相互獨(dú)立。同時(shí)，較好地解決了偶芯耐受高溫高壓的難題，在不需要保護(hù)套管的情況下，其柔性的保護(hù)鎧管為測(cè)量到同一床層不同方向的溫度點(diǎn)提供了可能。由于沒有保護(hù)管，熱電偶直接接觸工藝介質(zhì)，因此鎧管需根據(jù)高溫、高壓、高硫以及臨氫的工況選擇安全系數(shù)較高的材質(zhì)。常用的安裝形式如圖1所示。

圖1 柔性熱電偶安裝形式

1.A 是在反應(yīng)器測(cè)溫層安裝一個(gè)梁，熱電偶被固定在梁上。梁由熱電偶供應(yīng)商成套供貨，具體結(jié)構(gòu)可由業(yè)主和熱電偶制造廠根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，但在測(cè)溫點(diǎn)分布上較為受限，僅能在一個(gè)剖面布局，不能敷設(shè)到其他位置。同時(shí)，支撐梁是整體制造，無(wú)法應(yīng)用在直徑較大的反應(yīng)器。

2.B是熱電偶成環(huán)形分布，從反應(yīng)器側(cè)面法蘭口插入，按提前設(shè)計(jì)好的路徑進(jìn)行安裝。該方案根據(jù)不同的工藝要求需要二次設(shè)計(jì)安裝支架，可以在反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件上焊接支架，對(duì)于測(cè)溫點(diǎn)沒有內(nèi)構(gòu)件的可以在反應(yīng)器器壁上焊接支架，或獨(dú)立設(shè)計(jì)支架，如圖2所示。其優(yōu)點(diǎn)是可應(yīng)用于測(cè)溫點(diǎn)多且非直線分布的場(chǎng)合；缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)量大，安裝復(fù)雜，支架全部使用螺栓聯(lián)接，對(duì)支架長(zhǎng)周期使用的穩(wěn)定性提出較高的要求。

圖2 柔性熱電偶安裝支架

目前，加氫裝置單套規(guī)模不斷擴(kuò)大，反應(yīng)器內(nèi)徑也在不斷增大，無(wú)論是滴流床加氫反應(yīng)器還是液相加氫反應(yīng)器柔性熱電偶安裝普遍使用B方案。

筆者與其他煉油廠技術(shù)交流時(shí)發(fā)現(xiàn)，該方案能夠較好地滿足了工藝對(duì)催化劑床層溫度的監(jiān)控，但隨著生產(chǎn)周期的延長(zhǎng)，催化劑沉降引起環(huán)形支架下沉，導(dǎo)致熱電偶嚴(yán)重變形。同時(shí)，高溫高硫氫氣環(huán)境使得固定熱電偶的金屬扎帶脆化斷裂，特別是在卸催化劑時(shí)，熱電偶直接從支架上脫落。此外，環(huán)形支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若有結(jié)焦現(xiàn)象，卸劑人員很難在保護(hù)熱電偶的前提下，將催化劑清除干凈。

渣油加氫柔性熱電偶安裝的不足

柔性熱電偶安裝方案

渣油加氫反應(yīng)器有上、中、下3個(gè)床層溫度，安裝有3套柔性熱電偶。熱電偶鎧管規(guī)格為Φ8 mm×1.6 mm，材質(zhì)A182 347，4點(diǎn)式單支雙芯結(jié)構(gòu)，可滿足溫度異常時(shí)更換至備用線芯測(cè)量。反應(yīng)器內(nèi)徑約5 500 mm，直徑較大，除頂部分配器和底部收集器外，其他部位無(wú)任何鋼結(jié)構(gòu)。

根據(jù)工藝包專利商要求，催化劑床層溫度點(diǎn)分布距離反應(yīng)器器壁1 m左右即可，若使用環(huán)形支架方案，則支架體積較大、質(zhì)量大、螺栓聯(lián)接多，極易受催化劑沉降影響其穩(wěn)定性。因此，初始設(shè)計(jì)在測(cè)溫層同一平面的反應(yīng)器器壁上焊接多個(gè)不同結(jié)構(gòu)的支架，支架沿圓周均勻分布，熱電偶沿著預(yù)焊接好的支架路徑敷設(shè)安裝。支架如圖3所示。

圖3 安裝支架

1.支架I：每床層4個(gè)，用于螺栓聯(lián)接800 mm的347延長(zhǎng)板，熱電偶感溫端被固定在延長(zhǎng)板末端。

2.支架II：每床層6個(gè)，支架I間均勻分布，用于熱電偶固定。

3.支架III：每床層8個(gè)，支架II間均勻分布，用于熱電偶固定。

這種方案只要前期設(shè)計(jì)準(zhǔn)確，安裝是比較方便靈活的，且預(yù)埋件體積小，數(shù)量少，可有效減小焊接對(duì)反應(yīng)器器壁堆焊層的影響。

安裝方案的不足

通過(guò)渣油加氫換劑檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，延長(zhǎng)支架嚴(yán)重下垂，大量熱電偶從支架脫落，甚至直接斷裂，如圖4所示。分析原因主要有兩點(diǎn)：

圖4 脫落的熱電偶

1.柔性熱電偶在3種支架及延長(zhǎng)板上的固定均使用0.5 mm 的316金屬扎帶。

316材質(zhì)可以滿足抗硫化氫腐蝕，但根據(jù)氫腐蝕機(jī)理可知，當(dāng)溫度高于200℃，氫分壓大于8.0 MPa時(shí)，將加速氫原子向鋼材內(nèi)部擴(kuò)散，隨著生產(chǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)形成“氫脆”，導(dǎo)致金屬扎帶強(qiáng)度和韌性下降或發(fā)生晶間斷裂。檢修人員在重新固定熱電偶時(shí)反饋，基本上所有的扎帶都脆化，熱電偶隨著卸劑完成后脫落。

2.延長(zhǎng)支架采用“一”字347鋼板，僅用兩顆螺栓聯(lián)接。筆者在第2個(gè)換劑周期發(fā)現(xiàn)大量螺栓松動(dòng)或斷裂，延長(zhǎng)支架嚴(yán)重下垂，綁在其上的熱電偶也都脫落。從斷裂的螺栓分析，應(yīng)屬于高溫硫化氫腐蝕，加上高純度氫氣的存在，又進(jìn)一步加速了螺栓的腐蝕。其次，固定螺栓縱向安裝，催化劑下沉的壓力作用在支架上，與螺栓形成“剪刀”力，導(dǎo)致螺栓斷裂。

渣油加氫柔性熱電偶固定方式的改進(jìn)

渣油加氫反應(yīng)器柔性熱電偶各種問(wèn)題的整改不僅延長(zhǎng)了換劑檢修周期，而且檢修人員站在催化劑上作業(yè)也對(duì)催化劑密相裝填帶來(lái)一定的影響，更加大了設(shè)備的采購(gòu)成本。因此，需要對(duì)熱電偶固定方式進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)措施如圖5所示。

圖5 改進(jìn)措施

1.根據(jù)預(yù)焊接在反應(yīng)器器壁上支架的形狀和熱電偶鎧管外徑，設(shè)計(jì)中間鏤空，兩端或一端用螺栓固定的夾板來(lái)替代金屬扎帶。夾板中間鏤空的空間要大于熱電偶鎧管外徑，且安裝時(shí)螺栓為非完全緊固，保證熱電偶在夾板內(nèi)可以活動(dòng)，滿足高低溫環(huán)境下的熱脹冷縮。夾板材質(zhì)可用321金屬材質(zhì)，也可用374替換。

2.根據(jù)支架I預(yù)留的螺栓孔位，將延長(zhǎng)板由“一”形改為“L”形，增加橫向螺栓，與縱向螺栓形成三角支撐，加大延長(zhǎng)支架的抗壓力，同時(shí)將螺栓升級(jí)為321材質(zhì)。需要注意的是，使用在“L”形延長(zhǎng)支架上的夾板尺寸要比用在支架II上的小，并根據(jù)熱電偶安裝路徑預(yù)制夾板螺栓孔位。

3.支架III類似鞍型掛環(huán)，金屬扎帶斷后柔性熱電偶因其柔韌特性隨催化劑成弧形下沉，稍嚴(yán)重點(diǎn)鎧管會(huì)被壓斷。由于有效固定空間只有3 mm，因此該處設(shè)計(jì)使用彈簧固定，能有效限制熱電偶的下沉，同時(shí)又允許有少量的下沉，保證整根熱電偶的彈性，防止局部彎曲過(guò)大導(dǎo)致鎧管開裂。根據(jù)工藝環(huán)境，彈簧的材質(zhì)選擇incoloy825，尺寸和最大工作載荷根據(jù)柔性熱電偶的自重和允許下沉的位移量決定。

技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1.中間鏤空的夾板不局限于使用在支架II和延長(zhǎng)板上，也可用在其他類型支架熱電偶的固定。要充分考慮反應(yīng)器內(nèi)部高溫環(huán)境所引起的熱電偶膨脹因素，夾板凹槽橫向、縱向空間均比熱電偶外徑大約5 mm。在安裝時(shí)，固定螺栓為非完全緊固，進(jìn)一步給予熱電偶一定的膨脹空間。夾板尺寸要小于預(yù)焊接在反應(yīng)器其壁上的支架，已減少催化劑沉降對(duì)其影響。

2.金屬扎帶斷裂勢(shì)必使得熱電偶隨催化劑一起下沉。因此，彈簧的設(shè)計(jì)是一大亮點(diǎn)。Incoloy 825是一種鎳基高溫合金，在高溫高壓水介質(zhì)中有良好的耐應(yīng)力和耐腐蝕性，且在H2+H2S介質(zhì)中也具有良好的耐酸腐蝕性和抗應(yīng)力腐蝕開裂性。由于Incoloy 825的鎳鉻基體通過(guò)加入鉬和鈮來(lái)加強(qiáng)，使得其在1 093℃的高溫環(huán)境下仍具有高強(qiáng)度的韌性和拉伸性。同時(shí)，彈簧2.5 mm線徑遠(yuǎn)大于0.5 mm的金屬扎帶，基本解決的材料腐蝕斷裂的可能。

結(jié)語(yǔ)

渣油加氫反應(yīng)器自上而下的介質(zhì)流速為0.06 m/s，沖刷熱電偶的可能性很小。因此，柔性熱電偶脫落的主要原因還是反應(yīng)器內(nèi)高溫高壓和H2＋H2S的惡劣工況，以及支架結(jié)構(gòu)和材料不合理的設(shè)計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)大型加氫反應(yīng)器普遍使用柔性熱電偶測(cè)量床層溫度，特別是重油加氫更使用單價(jià)昂貴的進(jìn)口品牌，但依然無(wú)法有效解決柔性熱電偶長(zhǎng)周期穩(wěn)定使用的問(wèn)題。

通過(guò)柔性熱電偶固定方式的改進(jìn)，能夠徹底解決其頻繁脫落問(wèn)題，不僅延長(zhǎng)了熱電偶的使用周期，更極大地降低了設(shè)備采購(gòu)成本，特別是夾板的設(shè)計(jì)，效果甚好，筆者已申請(qǐng)實(shí)用性發(fā)明專利。該技術(shù)對(duì)同類加氫反應(yīng)器柔性熱電偶的固定安裝極具價(jià)值的參考意義，為加氫反應(yīng)器的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行奠定了良好基礎(chǔ)，可以在其他加氫裝置進(jìn)行廣泛推廣應(yīng)用，降低柔性熱電偶損壞的故障率。 ●