甲烷化反应器设计简介

2019-08-12罗海荣罗永智王治刚王芳钰

科技与创新 2019年14期

关键词：坡口壳体反应器

罗海荣，罗永智，王治刚，王芳钰

甲烷化反应器设计简介

罗海荣，罗永智，王治刚，王芳钰

（兰州兰石重型装备股份有限公司，甘肃兰州 730314）

甲烷化反应器是甲烷转化工艺中的重要设备，处于高温工况下，设计质量的好坏直接影响设备的安全和长周期运行。介绍了甲烷化反应器设计过程当中的技术特点，为今后此类设备的设计总结经验。

甲烷化反应器；设计质量；结构设计；技术要求

甲烷化反应器的作用是将一定比例混合的氢气、合成气（CO、CO2）和天然气经过催化放热反应转化为甲烷[1]。某项目合成气完全甲烷化侧线试验装置中的甲烷化反应器，结构如图1所示，其内部催化反应处的设计温度为750 ℃，气体进、出口设计温度为600 ℃，其余金属壳体的设计温度为350 ℃，壳体内壁设置隔热衬里，主体材料选用15CrMoR、15CrMo锻件和S30408锻件。根据设备的工况特点，工程设计时在结构设计、制造检验上都提出了严格的要求，对此进行总结，为广大技术人员提供设计参考。

图1 甲烷化反应器结构示意图

1 主要设计参数及结构特点

1.1 主要设计参数

该设备的类别为Ⅱ类，设计标准：《压力容器》（GB/T 150.1～150.4—2011）[2]；设计压力：4.0 MPa；水压试验压力：6.28 MPa；焊接接头系数：1.0；腐蚀余量：3 mm；设备质量约8 t。

1.2 结构特点

甲烷化反应器采用圆筒形裙座支撑结构；壳体封头为标准椭圆形封头EHA1 150 mm×26 mm；壳体分为上下两段，中间用设备法兰连接；气体进、出口分别设置了入口分布器和出口收集器；内壁隔热衬里采用双层结构，耐火层为低硅刚玉浇注料，隔热层为轻质浇注料；反应器内部填装一定量的催化剂，催化剂上下两端装有瓷球对其进行保护。

2 主要结构的设计

2.1 主壳体焊缝焊接坡口

设备A、B、D类焊接接头均要求全截面焊透。根据设备的规格及材料特点，综合考虑焊接方法、焊接作业条件、焊接效率、焊接变形、焊后清根等因素，确定了合理、经济的焊接工艺和焊接坡口，减少了焊接材料的消耗，降低了焊接工作量。设备主壳体焊缝坡口形式如图2所示。

（a）筒体、设备法兰B类焊接接头（b）筒体A类焊接接头

（c）筒体与封头B类焊接接头（d）接管与壳体D类焊接接头

图2 主壳体焊缝坡口形式

2.2 裙座结构

鉴于设备的规格和结构特点，裙座采用单环板螺栓座结构，裙座筒体与下封头的连接采用一般对接性结构，如图3所示，结构简单，制造方便，不但节约了成本，还保证了支撑结构的安全性。

2.3 气体进、出口接管

设备外部管线采用S30408不锈钢，为便于与管线相连，气体进、出口接管设计为图4所示结构，分为两段，与壳体焊接段采用15CrMo锻件，与外部管线连接段采用S30408锻件，在Cr-Mo钢接管与不锈钢接管连接的坡口处堆焊一层镍基材料。由于Cr-Mo钢接管端部堆焊了镍基材料，可以不预热直接冷焊，所有设备在最终热处理之后再完成与不锈钢接管之间的焊接，不仅避免了不锈钢接管随设备热处理，保证了不锈钢材料的性能，还减小在设备运行中异种钢温度变化产生的应力。

图3 一般性连接结构

图4 气体进、出口接管结构

3 主要制造技术要求

3.1 材料验收

材料到厂后，按《固定式压力容器安全技术监察规程》（TSG 21—2016）[3]中2.1条的规定验收外，筒体、封头用钢板应按NB/T 47013.3—2015[4]标准规定逐张进行超声检测复验，Ⅱ级合格；受压元件用不锈钢材料（锻件、接管及管件）应按炉号复验化学成分，其含碳量应不小于0.04%。

3.2 焊接要求

所有选用的焊接材料都应有合格的化学分析质量保证书，应保证采用相应方法焊成的焊接接头的化学成分和力学性能不低于母材考核指标，焊接材料到厂后进行合金含量复验并确认无误。所有Cr-Mo钢的焊接坡口在施焊前应进行机械加工，对于火焰切割制备的焊接坡口表面，其热影响区还须采用机械加工方法切除。施焊前，Cr-Mo钢的预热温度至少应大于等于150 ℃，预热范围是坡口及其两边宽度不小于150 mm的区域，并应均匀预热；施焊后，其焊接接头金属温度低于150 ℃前，应及时进行消氢处理或退火。施焊后，焊接接头表面不允许存在咬边、裂纹、弧坑、夹渣等缺陷，熔渣和两侧的飞溅物必须打磨清除干净；筒体、封头的A、B类焊接接头表面要打磨与母材平齐，不允许保留焊缝余高；角接接头表面应凹形圆滑。

3.3 无损检测要求

无损检测是保证产品质量的重要措施之一，设计时提出了严格的检测要求：焊接前对所有焊接接头的装配尺寸、坡口进行宏观检查；焊接完毕后，所有 A、B类焊接接头按NB/T 47013.2—2015[5]标准的规定进行射线检测，检测比例100%，检测技术等级AB级，合格级别Ⅱ级；热处理前、后及水压试验后，Cr-Mo钢的A、B、D、E类焊接接头表面按NB/T 47013.4—2015[6]标准的规定进行磁粉检测，检测比例100%，合格级别Ⅰ级；不锈钢的B、E类焊接接头表面按NB/T 47013.5—2015[7]标准的规定进行渗透检测，检测比例100%，合格级别Ⅰ级。

3.4 热处理要求

根据GB/T 150.4—2011标准中第8.2条的规定，要求设备制造完毕后应进行整体消除应力热处理，所有与设备相焊的零件应在设备热处理前焊接完毕，热处理后不得再次施焊。在制造过程中，应综合考虑产品的性能要求，制订最佳的热处理工艺。设备在炉内进行热处理时，应注意控制炉内气氛，保证设备受热均匀，防止火焰直接烧到壳体表面上。

3.5 液压试验要求

液压试验的程序和步骤严格按照GB/T 150.4—2011标准中第11条的相关规定执行，采用洁净的水，水温不得低于5 ℃，水中的氯离子质量浓度不得大于25 mg/L，试验过程中无渗透或漏气、无可见的变形、无异常的响声为合格，水压试验合格后应立即将水排净并充分干燥。

3.6 隔热衬里要求

隔热衬里的合理设计和选用至关重要[8]，是保证甲烷反应器在高压、高温工况下长期安全且可靠运行的关键因素，隔热衬里必须具备优异的耐高温、耐冲刷、耐腐蚀及抗氢渗透性能，还要具备良好的整体稳定性和较好的抗蠕变性。双层隔热衬里采用支模浇注施工，在设备水压试验合格后由专业浇注料厂家负责完成，其性能指标如表1所示。衬里施工过程中，应严格按照衬里施工技术方案的要求进行操作、检查与验收，保证衬里的各项性能和质量。

表1 隔热衬里的性能指标

浇注料名称低硅刚玉轻质料 110 ℃体积密度/（g/cm3） 2.95 1.25 110 ℃耐压强度/MPa ≥8.5 ≥1.2 1 000 ℃×3 h烧后线变化率/（%）－0.2%～0－1.5～0 1 000 ℃导热系数/（W/m·K）≤2.0≤0.35 Al2O3的质量分数/（%）≥92≥50 SiO2的质量分数/（%）≤0.5≤38 Fe2O3的质量分数/（%）≤0.1≤2 最高温度/℃1 8001 100

3.7 涂覆、包装要求

设备制造完毕后，外表面应进行喷丸除锈，涂漆前钢材表面除锈等级应达到Sa2.5级的要求。设备外表面（包括裙座过渡段外表面）涂耐350 ℃高温变色漆，所有加工表面应涂上防锈油脂或其他经确认的防蚀剂。设备在包装前应清除一切内部杂物，所有开口部分和加工表面应采取防护措施，以防止运输和储存期间的损坏、腐蚀和进入不相干的物质；不锈钢表面应采用不含卤素的溶剂、布带等材料防护；所有可拆件应做好标记放置在包装箱内发货，以方便运输。