高压加氢装置阀门的工况要求及技术分析.pdf

文章编号 100225855 2006 0620033205 作者简介吴伟阳1971 - ,男,哈尔滨人,工程师,长期从事炼化机械和阀门方面的技术工作。 高压加氢装置阀门的工况要求及技术分析 吴伟阳1,乐精华2,董 霞2,康世屏2 1. 中石油天然气股份有限公司大连石化分公司,辽宁 大连116032 ; 2.兰州高压阀门有限公司,甘肃 兰州730060 摘要 分析了高压加氢装置的工况对阀门材质的影响,介绍了高压加氢装置阀门的制造技术 要求、密封结构及试验与检验等。 关键词 高压加氢;阀门;填料 中图分类号 TH134 文献标识码 A The requirements of high pressure hydrogenationdevice to valves WU Wei2yang1, YUE Jing2hua2, DONG Xia2, KANG Shi2ping2 1. Petro China Company Limiet Dalian Petrochemical Company , Dalian 116032 , China ; 2. Lanzhou High Pressure Valve Co. Ltd , Lanzhou 730060 , China Abstract The text detailedly describe the effects to valve materialsof working conditionsof high pres2 sure hydrogenation device. And mainly describe the requires of manufacture technique , sealing strc2 ture , testing and inspection of high pressure hydrogenation valves , and so on. Key words high pressure hydrogennation ; valve ; packing 1 概述 目前炼油工业中越来越多地采用加氢脱硫、加 氢裂化和加氢精制等加氢工艺。重油直接加氢脱硫 装置的加氢反应器温度为280～450℃,工作压力 为9～16 MPa。加氢裂化反应器温度为350～450 ℃,工作压力为1610～2710 MPa。加氢精制反应 器温度为300～370℃,工作压力为310～810 MPa。国外95 以上的石油产品都是经过加氢精 制的。高压加氢工艺是石油炼制深加工包括正在 兴起的煤炼油的一个重要工艺措施,它既能提高 原油的轻油回收率,又能提高燃料油的质量,减轻 燃油对环境的污染,从而提高炼油厂的整体经济效 益和社会效益。我国20世纪90年代开始了高压加 氢装置的建设,以此来提高高硫油的炼制质量、能 力和效益。因此,高压加氢装置的建设将是我国石 油炼制行业的重点和热点。 2 工况特性 高压加氢装置的工况有3个突出的特点,即临 氢、高压并伴随硫化氢操作。 211 临氢 氢对金属的腐蚀 氢进入金属中能使金属产生脆性并丧失强度, 这种现象称为金属的氢损伤,亦称为氢脆。金属中 的氢有3种来源。一是金属在熔炼或热处理等加工 过程中,氢就进入了金属中,这种氢脆称为内部氢 脆。二是金属在酸洗、电镀和电化学腐蚀过程中, 氢以离子形式进入了金属中,即电化学氢脆。三是 金属直接在氢气或含氢气体中使用时,氢原子进入 了金属中,通常称为环境氢脆。 氢气处于分子状态时,由于分子状态H2体积 大,因此,氢通常不能进入金属的内部。气体氢只 有从分子状态离解成原子态后,才可能进入金属 中。 H2→2H - 435kJ 分子氢离解为原子氢的离解度受温度的影响很 大。在氢压力较低时,在200℃ 以下氢分子离解为 氢原子的量可以忽略不计。但当氢气压力很高时, 常温下氢的离解是不能忽视的,因为曾出现过 20010 MPa的常温氢气使钢产生了氢脆的事故。氢 在钢中的溶解度大小,对钢的氢脆会产生影响。例 如,氢在奥氏体钢中的溶解度要比在铁素体钢中大 332006年第6期 阀 门 得多,因此,奥氏体钢的抗氢性能要比铁素体钢 好。钢的这种氢脆仅在- 120～560℃ 的温度范围 内,进行慢速变形时才会产生,在- 30～40℃ 时 脆性最明显。 文献 〔1〕指出,氢能导致许多材料机械 性能的降低,包括抗拉强度和塑性。降低数值的范 围根据不同材料差别较大。如410型马氏体钢,在 氢中塑性的损失很大,其切口强度仅为原来的 80 ,但对于奥氏体材料如316型,在氢中进行试 验却没有发现其塑性或强度有明显的变化。强度降 低特别危险,因为在低应力操作下就可能导致意外 的破坏。马氏体和沉淀硬化不锈钢在氢中的性能较 差。表1中列举的几种钢的塑性有所降低,同时也 表现其切口强度同样有明显的下降。 表1 高压氢对马氏体和沉淀硬化不锈钢的影响 合金 屈服强度 MPa 抗拉强度 极限值的降低 无切口有切口 断面收缩率RA 的减少 无切口有切口 410型1 32521788073 440C型1 6256050～100～100 17 - 7PH1 0358779460 AFC77～1 400～75 注表中数据是根据公式1在压力为69 MPa时进行试验的。 奥氏体的稳定性和抗氢能力存在一定的关系 表2 ,受氢影响使性能降低的程度远比马氏体和 沉淀硬化钢为低,特别是强度的降低。另外,在高 压氢中不宜使用铁素体钢 〔1 ,2〕。 表2 高压氢对奥氏体钢的影响 合金 AISI 屈服强度 MPa 抗拉强度 极限值的降低 无切口有切口 断面收缩率RA 的减少 无切口有切口 304L20011135952 305350 ①② 311411 309S2200200 3162150000 3212200121064 347460 ①② 0909 注①321和347型系在气体压力为3415 MPa下试验获得的数 据,其余的压力为69 MPa。② 数据系指冷变形过的材料。 在温度较高时,氢在钢中的溶解度较大。如果 温度降低的速度较快如超过40℃/ h ,因溶解度 下降而从钢中析出来的氢来不及扩散逸出,以分子 状态存在于钢的缺陷中,形成高压气泡。高压氢气 泡使缺陷扩展,形成微裂纹,致使金属脆化。 氢进入钢中后,原子氢和分子氢能部分地与钢 中微裂纹或气泡壁上的碳或碳化物反应生成甲烷。 2H2 Fe3C→3Fe CH4 2H2 C→CH4 4H C→CH4 生成甲烷的反应过程是不可逆的。甲烷的分子 体积较大,不能溶入钢中或向钢中扩散,而是被封 闭在微隙中。微隙中的氢反应生成甲烷后,降低了 微隙中的氢分压,致使固溶在钢中氢原子不断地向 微隙中扩散,使生成甲烷的反应继续进行,直到钢 中可能参加反应的碳和碳化物消耗殆尽后才会中 止。聚集于微隙中的甲烷以及分子氢,会产生高达 数千MPa的局部高压,使微隙壁的金属承受巨大 的应力,这就形成了甲烷空穴 裂纹源。从而严 重地降低钢的力学性能,氢对钢的这种损伤,称为 氢腐蚀。氢腐蚀是一种不可逆的化学过程,其危害 性比钢的其他形式的氢脆严重得多。钢的抗氢性能 主要是其抗氢腐蚀性能,抗氢钢也主要是指抗氢腐 蚀钢。 212 硫化氢的腐蚀 炼油厂在加工高硫原油时,原油中的硫等对设 备会造成严重的腐蚀。在温度t≤120℃ 且有水存 在时,形成HCl - H2S - H2O型腐蚀性介质,易引 起钢产生应力腐蚀开裂。在无水时,在温度t≤ 240℃ 的情况下对设备无腐蚀。在温度t≥240℃ 时硫化物开始分解,生成H2S腐蚀加剧,能引起 钢的快速均匀腐蚀。高压加氢不仅其工作压力高, 而且其工作介质是易泄漏氢气分子体积小,质量 小、易燃、易爆的高压危险气体氢气或油气 氢气 , 并且对设备具有腐蚀性,极易引发系统事 故。 3 阀门设计 311 设计标准 闸阀、止回阀和截止阀及其各项参数在设计中 主要执行一系列现行标准。 API 6D 管道阀门 API 600 石油和天然气工业用螺栓连接阀盖 的钢制闸阀 BS 1873 石油、石化及相关工业用法兰端和 对焊端钢制截止阀和截止止回阀 ANSI B16134 法兰、螺纹和焊连接的阀门 ANSI B16110 阀门结构长度 ANSI B1615 管法兰及法兰管件 ANSI B16125 对接焊端 43 阀 门 2006年第6期 ANSI B16111 承插焊和螺纹连接的锻造管件 312 结构要求 高压加氢用阀门不宜采用ANSI B16134和 API 603标准及其他标准中的轻型阀门。除满足有 关标准的要求外,高压加氢装置用的阀门结构还应 满足一些特殊要求。 ①DN≤40 mm的闸阀采用刚性楔式单闸板。 DN≥50mm的闸阀采用弹性楔式闸板。 ②DN≤40 mm的阀门采用中法兰阀盖结构 BB。采用中法兰连接BB并用金属密封环密 封结构比内压自封式更安全可靠,因此,能采用中 法兰连接BB的,特别是高压力级的阀门,应 尽可能用BB结构。 ③对焊连接阀门的连接端部,采用ANSI B16125标准中的图5B或图6B结构。 ④ 阀门与介质相接触的部位,应考虑其腐蚀余 量。碳钢和Cr - Mo合金钢应不小于3 mm ,不锈 耐蚀钢应不小于115 mm。 ⑤ 对于PN15～25 MPa , DN≥80 mm的阀门 和PN42 MPa , DN≥50 mm的阀门,应在阀杆螺 母支架处设置推力轴承。 313 主体材料 用于加氢装置的高压阀门的主体材料,应具有 良好的抗氢腐蚀和抗硫腐蚀的性能表 3 。考虑 到装置上的温度有波动等因素,为了装置和阀门的 安全可靠,在设计选材时往往采用表4的规定。 表3 阀门主体材料 工作温度 ℃标准牌号材质 ≤240ASTM A105、A216WCB、WCC ASTM A217WC6、WC9 ASTM A182F11、F22 241～350ASTM A217C5 ASTM A182F5 ≥350ASTM A351CF8、CF8M、CF8C ASTM A182F304、F316、F321、F347 表4 特殊条件下阀门主体材料 工作温度 ℃标准牌号材质 ≤200ASTM A105、A216WCB、WCC 201～300ASTM A182F11、F12、F5 ASTM A217WC6、WC9、C5 300～500ASTM A182F321、F347 ASTM A351CF8C、ZG0Cr18Ni10Ti 提高钢的抗氢性能主要有2种途径。一是降低 钢中的含碳量。二是在钢中加入形成稳定的碳化物 的合金元素Cr、Mo、Ti和Nb等,将C固定于稳 定的碳化物如Cr23C6、CrMo23C6、TiC或NbC 等中。最常用的抗氢钢是Mo钢和Cr - Mo及奥氏 体不锈钢。18 - 8型奥氏体不锈钢本身含C量很 低,又因为钢中的Cr23C6对氢很稳定,因而18 - 8 型奥氏体不锈钢的抗氢腐蚀性能比低合金Mo钢和 Cr - Mo钢更优,使用温度可更高。 为了获得更加优异的抗氢腐蚀性能,高压临氢 阀门用的奥氏体不锈钢通常是采用加稳定化合金元 素Ti或Nb的 “稳定型不锈钢”CF8C、F321、 F347或ZG0Cr18Ni10Ti。因为加入稳定化合金元 素Ti或Nb后,稳定化合金元素会与C生成更加 稳定的碳化物 TiC 或NbC ,从而进一步地降低 了C对钢抗氢腐蚀的不利影响。因此它的抗氢腐 蚀性能比不含稳定化合金元素的奥氏体不锈钢更优 异,其使用温度更高。 4 材料质量控制 高压临氢阀门属A级管道阀门,其铸件和锻 件的质量是决定阀门质量的关键因素。因此,铸 件、锻件的质量必须按标准规定加以控制。 411 铸钢件 1铸造工艺设计 铸造工艺设计时,应保证 铸件实现顺序凝固,铸件内部得到充分的补缩,消 除铸件的缩孔和缩松。 2铸型 加氢装置用高压阀门铸件的铸造型 和砂芯用呋喃树脂砂,不允许用蜡模精密铸造。 3钢的冶炼和化学成分 铸造用钢必须采用 电弧炉冶炼,并应在出钢前对钢水采用精炼处理或 用AOD炉精炼,以尽量减少钢中的杂质。钢中的 S和P等有害元素应 ≤0102 。其主要合金元素的 含量应接近标准中的平均值,其下限值变化范围一 般不超过标准中规定范围的上限与平均值的50 。 对于对焊连接的BW阀门,还应控制碳含量及 碳当量,其中碳含量C≤0124 。碳当量 〔CE〕 C Mn/ 6 Cr Mo V / 5 Ni Cu / 15 ≤0140 。 4钢水化学成分分析 对钢水的残留元素作 出分析,并出具分析报告。 5铸件冷却 铸件浇注后应在砂型中自然冷 却到300℃ 以下方可开箱清砂,开箱后不允许对铸 件浇水或吹风强制冷却。 6热处理 铸钢件热处理炉应采用烧煤气、 532006年第6期 阀 门 天然气或液化石油气加热,炉温可灵活调控。热处 理时,使用自动记录炉温的热电偶检测温度。 7机械性能试验 每炉钢水浇注的铸件应作 机械性能试验。若试验不合格,则该炉钢水浇注的 铸件必须重新进行热处理,并加倍进行试验。铸件 机械性能试验结果应出具试验报告。 8晶间腐蚀试验 不锈钢铸件晶间腐蚀试验 按ASTM A262中的E法用于检测不锈钢晶间腐 蚀敏感性的硫酸-硫酸铜试验进行。 9射线探伤检验 承压铸钢件必须100 的 进行射线探伤 RT检验,检验部位按ANSI B16134标准中“8131111”条款的“示图6～示图 16”的规定或根据用户的要求或技术协议中的规定 执行。高压临氢阀门铸件壁很厚,一般的射线无法 穿透,必须用γ射线加速器才能进行射线探伤检 验。射线检验的程序和验收标准按ANSI B16134 中的“附录B”执行。 10金相检验 每批每种材质的铸件按 ASTM E381标准,至少抽检一次金相结构和浸蚀 试验。检验结果应符合 ① 无枝晶和柱状晶组织。② 对于碳钢晶粒度应不低于ASTM E112标准中的5 级要求。对于不锈钢晶粒度应不低于ASTM E112 标准中的7级要求。 ③非金属夹带物应不低于 ASTM E45标准。④ 不允许有尺寸大于ASTM E45 标准中的215级的偏析和带状不均匀组织。⑤ 不允 许有条状夹渣和裂纹。 11补焊 每个承压铸件的所有补焊面积应 不超过铸件的表面积的10 ;每个承压铸件的重 大补焊数量不应超过规定。如DN50～100 ,不超 过1个。DN150～250 ,不超过2个。DN300～ 350 ,不超过3个。补焊应在最终热处理之前进 行;当在射线探伤时发现有缺陷,且属于可补焊修 复的,允许进行1次补焊。补焊后应重新拍片检 验,检验合格后该铸件必须重新进行热处理。所有 受压元件的缺陷最终热处理之后,均不允许通过补 焊进行修理。 412 锻钢件 1材质 锻造用钢的化学成分和力学性能必 须符合ASTM A105或ASTM A182标准中的规定、 用户的要求或技术协议中的要求。投料前必须进行 化学成分复验,并出具复验的分析报告。 2热处理 碳钢终锻后应进行正火处理。对 Cr - Mo钢终锻后应进行正火回火或调质处理。 不锈钢锻件应进行固溶化处理,对稳定型奥氏体不 锈钢,除进行固溶化处理外还应进行稳定化处理。 3机械性能试验 每批锻件必须进行机械性 能试验,一次不合格再加倍检验,并出具试验报 告。 4晶间腐蚀试验 每批不锈钢锻件必须按 ASTM A262标准中的E法进行晶间腐蚀试验。 5金相检验 每批每种材质的锻件按 ASTM E381标准,至少抽检一次金相结构和浸蚀 试验。检验结果应符合 ① 无枝晶和柱状晶组织。② 对于碳钢晶粒度应不低于ASTM E112标准中的5 级要求。对于不锈钢晶粒度应不低于ASTM E112 标准中的7级要求。 ③非金属夹带物应不低于 ASTM E45标准。④ 不允许有尺寸大于ASTM E45 标准中的215级的偏析和带状不均匀组织。⑤ 不允 许有条状夹渣和裂纹。⑥ 所有锻件必须100 的进 行超声波探伤检验UT及着色探伤检验PT。 UT检验按ANSI B16134中“附录E”进行验收评 定, PT按ANSI B16134中“附录D”进行验收评 定。⑦ 所有锻钢承压元件的缺陷均不允许用补焊方 式进行修补。 413 密封要求 1填料 加氢装置用阀门的填料应采用密封 可靠和装拆方便的结构形式。在填料函的底部放置 不锈钢垫片,然后在填料函的上下处各交叉放两圈 不锈钢丝编织的柔性石墨复合填料,中间放成型柔 性石墨压环,并在阀门试压时填料受压预紧后,再 拧紧填料压盖。 2阀门中法兰密封 高压加氢装置用的小口 径 DN ≤40 mm阀门,阀体和阀盖采用法兰连 接,其密封为具有优异的抗氢腐蚀和抗硫化氢腐蚀 的锻造超低碳不锈耐蚀合金制作的金属密封环垫密 封。 高压加氢装置用内压自封式阀门的中口垫,有 的厂家将金属垫镀银,但镀银后表面光洁度不理 想,而且易磨损。可以采用具有优异的抗氢腐蚀和 抗硫化氢腐蚀的锻造超低碳不锈耐蚀合金。该法兰 垫与阀体中口紧密配合,且设计有特殊的结构,使 其承压后可胀开密封的金属弹性密封圈来实现可靠 的密封,并且这种金属密封圈可以实现互换。美国 某公司高压加氢装置用阀门,采用的是在金属密封 垫的内外侧放置柔性石墨环,再在上面设置 ASTM A331的4140材质相当我国的42CrMo 63 阀 门 2006年第6期 钢密封垫的复合型密封的形式进行密封的。对内 压自封式的碳素钢阀门,还应在中口放置金属密封 圈的内腔相应部位堆焊不锈钢,防止密封部位锈 蚀,以实现长期可靠的密封。 414 检验与试验 高压加氢阀门的检验与试验执行API 598标 准,并参照SH 3064标准的强度试验中A、B级管 道阀门应为标准规定时间的2倍及密封试验含上 密封试验中A、B级管道阀门,应为规定时间的 2倍执行。 对介质为氢气和氧气的阀门装配前应进行脱脂 处理。对介质为氢气、氧气、氯气、氯化氢、硫化 氢和钠蒸汽等危险气体的专用阀门,在出厂前应按 工厂标准的要求,进行高压气体的强度和密封检 验,以进一步检验阀门强度和密封的可靠性。 5 结语 用于高压加氢装置的临氢阀门,因为系统临 氢、高压和伴有硫化氢腐蚀,所以应根据其使用温 度,选用具有抗氢腐蚀和抗硫化氢腐蚀的锻钢或铸 钢制造。高压临氢阀门的设计和制造应严格遵循相 关标准及质量控制措施。高压≥300LB临氢阀 门中法兰连接的密封圈用具有优异的抗氢腐蚀和抗 硫化氢腐蚀的锻造超低碳不锈耐蚀合金制作的金属 密封环。DN≥50的高压≥600LB临氢阀门内 压自封结构的中口密封圈,用具有优异的抗氢腐蚀 和抗硫化氢腐蚀的锻造超低碳不锈耐蚀合金制作, 且设计有特殊结构具有良好的弹性密封功能的金属 密封圈。 参考文献 〔1〕 〔 美〕唐纳德皮克纳, I. M.伯恩斯坦.不锈钢手册 〔M〕. 北京机械工业出版社, 1987. 〔2〕 黄嘉琥,吴剑.耐腐蚀铸锻材料应用手册 〔M〕.北京机 械工业出版社, 1991. 〔3〕 岳进才.高压加氢装置阀门的使用及要求 〔J〕.阀门, 2001 3 . 收稿日期 20061071 19 诚 聘 上海双高阀门集团有限公司经过二十多年的拼搏和发展,已成为集设计、科研开发、试验测试相结合 的大型现代化阀门企业。产品覆盖电站、石化、冶金、天然气、水利、轻工、市政等行业,并以产品质量 好、品种齐全、设备成套性好和优质的服务赢得海内外客户的赞誉和信赖。我公司为了更好的为客户提供 优质的产品和优良的服务,现诚聘以下相关专业技术人才 岗位名额要求工作地点 阀门设计师3 中专以上学历, 45岁以下,具有5年以上的阀门设计和实践 经验,有一定的加工现场处理能力 上海 阀门设计员3 中专以上学历, 45岁以下,具有3年以上的阀门设计经验, 对通用阀门有一定的基础 上海 检验主管1 大专以上学历, 45岁以下,具有3年以上的工作经验,熟悉 阀门的生产流程和相关经验标准,懂管理体系者优先 上海 外贸员6 机械类专业, 45岁以下,懂阀门专业术语,口语流利,国际 贸易3年以上工作经验,与外商沟通熟练 上海 电动装置销售员10 机械类专业, 45岁以下,具有3年以上的销售经验,富有责 任心和创新精神,团队合作能力强 上海 电动装置销售主管1 45岁以下,具有多年的销售经验, 3年以上销售主管工作经 验,富有责任心和创新精神,有一定的管理水平 上海 上 海 双 高 阀 门 集 团 有 限 公 司 地 址上海市松江三叶榭工业区叶旺路双高工业园 邮编 201609 联系人李先生 电话 021 - 57619999 传真 021 - 67801259 732006年第6期 阀 门