悬浮床油品加氢装置关键施工技术

赵 青 姚永泽 曹建军

中国化学工程第六建设有限公司 湖北襄阳 441100

随着我国经济高速发展，对能源的需求日益加大，同时国家对环保要求越来越高，对油品的质量要求也越来越严，需要有更清洁的能源来满足市场需求。经过多年的发展，我国的优质原油越来越少，而且目前国内传统重油加工技术路线大都采用固定床渣油加氢、渣油催化裂化或延迟焦化组合汽、柴油加氢处理等，其转化率在70%以下，造成大量的浪费与污染。提高产品质量和油品的转化率，是石化行业亟待突破的技术难题。

全国首套鹤壁华石15.8 万t/ a 悬浮床（MCT）焦油加氢示范项目的顺利投产，并产出合格产品，标志着由北京三聚环保新材料股份公司和北京华石联合能源科技发展公司联合研发的悬浮床加氢装置工艺成功地攻克了油转化率低及原料多样化难题。应用该技术处理渣油，生产清洁汽油、柴油，可以简化工艺流程，节省投资，提高收益率。且各种油品转化率均达到96%～99%，轻油收率达92%～95%，远远高于传统技术的70%以下收率。而中国化学工程第六建设有限公司对悬浮床油品加氢装置关键施工技术的研发应用，克服了悬浮床主要核心设备冷壁反应器及内部结构的安装难题，克服了高温、高压不锈钢管道的焊接及稳定化热处理施工困难，以及高压系统氢气气密的施工困难，确保了施工质量，缩短了施工工期，节约了成本，为承接类似工程积累了经验，为悬浮床油品加氢技术在我国的推广应用提供了技术保障。

1 冷壁反应器内衬筒的安装

悬浮床加氢装置核心设备冷壁反应器（图1、2）为氢气、加氢油品、催化剂提供了反应场所，其内部反应温度为450～470℃，工作压力为21.3M～22.4MPa。设备内部浇筑隔热耐磨衬里层和内衬套筒，内衬筒的安装避免了高温、高压介质进入设备后对其隔热耐磨衬里层的冲刷，有效延长了隔热耐磨衬里层及设备整体的使用寿命；同时还能防止隔热耐磨衬里层因长时间介质冲刷，局部脱落后进入工艺管道，影响正常工艺生产。

该冷壁反应器内衬筒采用中空式安装（即内衬筒与隔热耐磨衬里间有20～30mm 的间隙），在高温状态下膨胀间隙的控制是保证施工质量的关键。其材质为S31608，设备内部直径为1180mm、人孔直径为504mm、设备高度为18532mm，空间狭小，只能容纳1人进入设备施工。其成套安装工艺流程如下：材料验收→内衬筒支耳制作安装→设备隔热耐磨衬里施工→内衬筒腰带板安装- 烘炉（温度：600℃）→内衬筒预拼装（间隙测量）→对应设备口开孔→内衬筒组装、焊接→安装位移测量装置→验收、封闭人孔法兰。

图1 冷壁反应器外形及内部结构图

图2 设备内部构造局部图解

1.1 材料验收

内衬筒材料到场后，与厂家、业主、监理一同依据图纸和清单清点数量，并采用光谱检测每片内衬筒的材质。

1.2 内衬筒支耳制作安装

依据设备部件图制作内衬筒支耳，要严格依据图纸尺寸制作，制作完成后将其表面打磨光滑，以便于该支耳在设备内支座上自由滑动。安装时，为保证其与设备内部配套支耳及浇筑料间的15mm 间隙尺寸，在其各接触面覆盖15mm 的纸壳，并粘贴牢固。在高达600℃的烘炉过程中，这些纸壳将变成纸灰，对生产工艺无影响。另外，两支耳间应用隔热毡垫隔离，防止热量传递损失。要求该支耳在浇筑料施工时一并完成。

1.3 设备隔热耐磨衬里施工

设备的隔热耐磨衬里施工由专业公司负责。腰带板部分隔热耐磨衬里厚度为134mm。内衬浇注料施工完成后，要检查其内壁椭圆度与直线度，防止超差后影响内衬筒体与内壁的间隙。

1.4 腰带板的安装

设备隔热耐磨衬里施工完毕后，待浇筑料固化达到设计强度70%以上后开始安装内衬筒连接板——腰带板（图3、4）。腰带板共计7 层，要自下向上安装：先预安装，然后测量腰带板与衬里层间隙与腰带板直径，间隙尺寸2～30mm；合格后，编号并组焊；然后逐层搭设脚手架（采用三角式搭设），逐层施工。

图3 内衬筒与腰带板展开示意图

图4 内衬筒与腰带板连接示意图

1.5 衬里烘炉

腰带板安装完毕后，拆除脚手架，由专业公司对其施工的隔热耐磨衬里层进行烘炉，温度控制在600℃。烘炉结束后,对放置炉内的同条件试块送实验室检测，并与烘炉前的试块数据对比, 要求隔热耐磨衬里层在高温烘炉后的强度也符合设计要求。

1.6 内衬筒组装

（1）烘炉完毕后，安装设备内衬筒。内衬筒通过腰带板连接，与耐磨衬里层的间隙应保证在20～30mm，使其在高温状态下膨胀量符合工艺要求。

（2）在内衬筒上下各开一个Ф18mm 的孔加设螺栓顶丝，以达到其与隔热耐磨衬里层的间隙量。待组对、焊接完毕后，拆除顶丝，并将上、下孔补焊，逐层安装。

（3）内衬筒材质为S31608，焊接采用电弧焊接，焊条牌号为A202，型号为E316- 16。因内部空间小，采用小电流焊接，焊接完成后打磨光滑。

（4）具体安装工艺：首先安装反应器底部锥筒，因反应器内径较小，需现场对锥底切割分片，分两段进行安装；下部内锥筒安装完毕后，在底部搭设三角架以便于内衬筒的组装、焊接。接着进行内衬筒安装，先将内衬筒分片放入设备内部进行组装并点焊，当内衬筒体为不规则圆时，通过对两片内衬筒的尺寸进行修磨调节，采用顶丝调整法保证内衬筒与衬里间隙20～30mm 后，再进行纵缝满焊施工；焊接完成后，再次测量内衬筒与衬里间隙，保证其符合20～30mm 的要求；然后在该层搭设三角架。以此类推逐层安装。

（5）位移测量装置：内衬筒安装完成后，为观测其在热态考核后的位移量是否符合要求，经过咨询各方面专家并经业主、监理等研究通过，在每层内衬筒（相邻90°各一个）上开一小孔，并在其上焊接比其略大的不锈钢短管作为套管。短管内插入直径更小的不锈钢管短管，插入管一端抵住设备衬里层，一端与套管另一端平齐，此表示0 位移量。在热态考核时反应器内部温度达400℃以上时，内衬筒连同套管热膨胀，插入管探出部分即为热膨胀量，待温度完全降下来，进入其中测量记录位移量（图5）。

（6）人孔密封：内衬筒安装完毕后，经业主、监理验收合格，即可拆除内部三脚架，封闭人孔。

2 注氢管口的安装

图5 位移测量装置结构及动态示意图

冷壁反应器注氢装置（图6）安装，采用在探入管表面缠绕石墨盘根，缠绕直径与设备口注氢管口内径一致或稍大，保证其能将设备注氢口间隙全部密封。探入管前后还要设置不锈钢钉，用以将石墨盘根固定在探入管上，钢钉长度比石墨盘根直径稍大即可。缠绕完毕后，在设备侧法兰面同样缠绕石墨盘根，用纸胶带固定，并且两法兰间还要加设隔热毡垫，然后安装。要确保其隔热、密封效果，防止冷氢介质在进入管道后反串入注氢口间隙，造成注氢点管口局部区域因温度差导致的晶间腐蚀现象出现。

图6 冷壁反应器注氢管口结构图

3 耐热加氢管道的施工

本装置高压系统管道操作压力为22.5MPa，操作温度为470℃，管道材质选用TP347 高压厚壁管道。依据设计文件说明，TP347 材质管道设计温度大于350℃，其焊缝需进行焊后稳定化热处理，以防止焊缝晶界贫铬现象的发生。TP347 材质管道主要应用于悬浮床加氢装置的反应区和炉区等工况较为复杂的区域，主要承载介质为高压氢气、高温加氢油品，其焊接及稳定化热处理质量的控制是施工的关键。

为了保证施工质量及施工进度，对以下几个关键点进行了研发控制:

3.1 坡口的处理

TP347 管道管壁较厚，若采用传统人工打磨加工坡口，耗时较长，不易保证其加工精度，而且打磨时如果温度过高，坡口处易产生热裂纹。为保证坡口的加工精度及质量，在现场到货材料上标记下料尺寸，采用车床、削床、钻床等机加工方式下料并加工坡口。

3.2 严控组对及焊接

为了防止高压氢气（20MPa）及高温、高压油品在管路中产生额外的冲刷及摩擦，不允许焊道有内凸现象。为此，使用内窥镜检查控制组对间隙及错边量，保证其符合焊接工艺。在焊接过程中还使用了红外测温仪把控层间温度，并对焊工进行了严格交底。

3.3 焊接工艺评定

最后，对TP347 管道进行了焊接工艺评定，最终确认了该焊接工艺。

3.4 工艺要点

（1）为防止热裂纹，要严格控制好层间温度，氩弧焊打底待焊道冷却后进行电弧焊接。焊接采用多层多道焊，焊完一层后间歇几分钟，待焊道冷却后进行下一层焊接，层间温度严格控制在100℃以下，确保铁素体含量控制在4%～8%范围内。焊接过程中焊条采用微摆动，焊接时采用直流反接，同时要避免焊接缺陷（气孔、夹渣、未焊透等）的形成。

（2）为防止焊接缺陷的产生，每道焊缝从组对、打底、填充、盖面及最后的外观成型，均需专业人员确认并签字后才能进行下道工序。

3.5 焊缝稳定化热处理工艺

采用电加热带对焊缝区进行加热，硅酸铝保温棉对其包扎保温，具体按以下要求执行：

（1）加热宽度：以焊口中心为基准，加热范围每侧不小于3 倍管壁厚，且大于100mm。

（2）保温宽度：以焊口中心为基准，保温范围每侧不小于5 倍管壁厚，且大于250mm；保温采用厚度大于80mm 的硅酸铝耐火纤维毡。

（3）控温/ 测温热电偶：对每组加热器采用单独控温热电偶控制；DN100—DN200 焊口设置2 个测温点，以保证加热均匀，以及整个焊口之间的温差在规定的范围之内。

（4）热处理特殊要求：为减少氧化影响，减少氧化物的生成，整个热处理过程中将管道两端堵死，防止空气流动。

（5）在稳定化热处理后，先将焊缝进行酸洗，然后通过PT 检测焊缝是否出现裂纹。如果出现裂纹，要分析其出现原因，并及时修复，再重新进行热处理（重复热处理次数不得超过2 次）。

3.6 工艺优化

为防止稳定化热处理后出现再热裂纹现象，对以上施工工艺进行进一步优化：

（1）稳定化热处理前增加消应力措施，在热处理前将焊缝打磨平整，在打磨的过程中释放部分残余应力。

（2）控制层间温度，采用滑动装置以利于焊缝的自由收缩。

（3）稳定化热处理参数设置的过程中，考虑到热处理过程中的温差应力、组织应力及壁厚因素，将升温速度放缓至50～200℃/ h，通过延后升温使温差减少在80℃以内。

（4）升温时的控温温度从0℃开始；降温时，根据实验数据中空冷时温差大小，降温到700℃后，再进行快速空冷。在900～700℃范围内缓冷（图7、8），以利于这个区间的降温速度，并尽可能减小温差应力、组织应力，以及消除残余应力。

若环境温度较高（如夏季），应采取相应措施快速降温，以保证其快速通过敏化区间，防止焊缝晶界贫铬现象的产生，提高其抗晶间腐蚀能力：采用仪表空气、压缩空气等风冷降温；采用液氮快速降温。

（5）热电偶用不锈钢丝捆扎在待测温处（捆扎牢固）。管道地面预制期间，管道内焊缝两侧应尽量靠近焊缝进行保温封堵；有条件时，每侧离焊缝中心距离应控制在300～500mm 之间。

TP347 材质管道焊缝热处理完成后，不需要检测其硬度值。依据热处理工艺及具体步骤完成后，在24h后进行PT 检测合格，则此焊口热处理为合格。

4 系统高压氢气气密

4.1 气密介质

图7 TP347 稳定化热处理工艺评定参数

图8 TP347 稳定化热处理工艺曲线

高压系统的气密介质采用氢气，因其具有易燃、易爆的特点，所以首先采用氮气为介质进行气密。新氢压缩机、循环氢压缩机和原料气压缩机气阀均更换为氮气气阀，氮气气密合格后，再以氢气为介质进行气密。此时新氢压缩机、循环氢压缩机和原料气压缩机气阀均更换为氢气气阀。

4.2 气密步骤

装置高压系统首先用0.8MPa 的氮气气密, 从原料气压缩机C1303A/ B 出入口给气, 系统充压至0.8MPa 对系统进行气密；气密合格后，启动原料气压缩机（一开一备）升压至3.5MPa，进行系统泄露检查；直至无漏点后，启动新氢压缩机开始系统升压，升压至4.0MPa 时加热炉点火升温，保证系统温度大于50℃，尤其保证悬浮床反应器系统温度；然后按照每升压2.0MPa 为停检点，合格后继续进行升压。但系统升压至19.0MPa 后，新氢压缩机氮气负荷达到最大，无法继续升压。现场经过生产部、技术部协商决定，在此压力下进行升温，要对其高压系统的设备、设备内构件、管道支架和弹簧支架的变形量进行热态考核（考核温度380℃）。在此升温过程中，每个阶段还需要进行螺栓的热态紧固工作。

高压系统热态考核合格，系统泄压、反应器装填催化剂完成后，为控制新漏点与反复漏点的泄露量，系统仍首先使用氮气为介质进行4.0MPa 以下进行气密测试；合格后引入氢气置换系统中的氮气，升压过程与氮气升压过程相同，达到20MPa 时新氢压缩机达到最大氢气负荷；开始升温至150℃时，压力达到设计压力值，经过检查及热态紧固，证明无漏点后，系统泄压至17MPa，系统引入原料油。逐步升温期间需时时进行热态紧固，直至升至操作温度380℃，无泄漏为合格。

4.3 注意事项

（1）高压气密（氢气）的最终目的是检测管道、设备、阀门的法兰密封性能，及管道焊缝的强度及严密性。而本项目高压系统多为法兰连接，密封面为RJ，垫片采用八角金属环垫，现场安装时的过程控制最为重要，控制不好就会给后期的高压气密工作带来困难，如漏点多、漏点无法消除、升压升温中不得不降压处理等。

（2）本高压系统管道气密以氢气为介质，其具有易燃、易爆性，所以需将铁制工具更换为铜制工具。但铜制敲击扳手仅用于普通紧固，无法用于需较大预紧力的螺栓紧固，所以必须使用液压扳手或液压拉伸器进行紧固。

4.4 气密中的检漏

氮气和氢气在气密温度100℃以下采用肥皂水检查泄漏，氢气气密温度100℃以上则采用复合气体检测仪检测漏点，用牛皮纸包住法兰口2h 内检测氢气浓度低于30ppm 为合格（建设单位给出合格标准为不超过60ppm）。

4.5 气密中泄漏后的处理

装置高压氢气气密时，泄漏点出现的原因有很多，部分可采用传统施工方法解决，但仍会有一些顽固性漏点，尤其是在密度最低的氢气条件下，紧固处理难度更大。对于此种情况，统计并记录所有顽固性或处理较困难漏点，然后果断采取降压换垫处理。在更换新垫片时，采用柔性石墨带将垫片密封面缠绕覆盖，然后安装、紧固。此种柔性石墨带具有很好的耐高温性（- 200～650℃）和弹性，且不易氧化，因此经该方法处理过的漏点，密封性有很大的提高。

5 技术创新点

（1）注氢管口法兰安装采用石墨盘根及隔热纤维毡进行隔热、密封的新型施工方法，解决了悬浮床核心设备冷壁反应器注氢点管口局部区域因温度差导致的晶间腐蚀现象，确保设备的正常运转及使用寿命。

（2）冷壁反应器内衬筒采用中空式安装方法，在每片筒片上下各开一个小孔加设顶丝，整圈组对完毕后焊接，然后拆除顶丝并将开孔补焊。该方法保证了内衬筒与衬里壁间的间隙不少于20～30mm，确保内衬筒在高温状态下的径向膨胀与收缩满足工艺要求。

（3）TP347 焊后稳定化热处理设置恒温900℃，降温到700℃以下后，再进行空冷，以避免贫铬现象的产生，从而最大限度地防止再热裂纹的产生，提高了施工质量。

（4）高压氢气气密时，采用复合气体检测仪检测漏点，解决了在100℃以上传统肥皂水无法检测的问题，以及在有多种危险气体条件下采用单一气体无法检测的问题，极大地保证了施工安全。

（5）高压氢气气密时，采用柔性石墨带将金属环垫片密封面缠绕覆盖的技术，在高温、高压条件下，能更好地起到密封作用，大大降低气密时的泄漏率，保证了氢气气密及后期投料的正常运行。

（6）高压氢气气密过程中，采用液压扳手和液压拉伸器进行螺栓的紧固，保证了施工安全，降低人工劳动强度，提高了施工效率。

6 工程应用

全国首套悬浮床加氢装置鹤壁华石15.8 万t/ a焦油综合利用示范项目（图9）的一次开车成功并平稳运行，是悬浮床加氢技术成功的标志，对保障我国能源安全和提升企业市场竞争力意义重大。中国化学工程第六建设有限公司在悬浮床安装的重点工序实现的技术突破，极大地缩短施工工期，降低施工成本，保证施工质量。为在建黑龙江大庆龙油百万吨级悬浮床渣油加氢项目的施工提供了技术支持和宝贵施工经验。该技术的研发获中国化学工程集团公司科技进步一等奖，获中国建筑业协会建设工程施工技术创新成果三等奖，TP347 材质管道焊后稳定化热处理方法获国家发明专利。

图9 鹤壁华石15.8 万t/ a 焦油综合利用示范项目主装置