加氫反應(yīng)器柔性熱電偶安裝方式優(yōu)缺點分析以及固定方式改進措施-反應(yīng)器是渣油加氫裝置的核心設(shè)備之一，反應(yīng)器處于高溫、高壓、高硫和臨氫的工藝環(huán)境，其催化劑床層溫度是整個裝置安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵參數(shù)。本文根據(jù)渣油加氫裝置卸催化劑時發(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)計柔性熱電偶固定方式易出問題的原因，并提出改進措施，經(jīng)過2年的時間驗證，效果良好。

隨著汽油國六標(biāo)準(zhǔn)的實施，原油輕質(zhì)化和低硫低氮化的要求被進一步提高，使得煉油廠中加氫裝置的地位越來越重要。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)險在于加氫反應(yīng)屬于強放熱反應(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)象只能通過調(diào)整床層溫度解決，這就對在高溫、高壓、臨氫條件下熱電偶的安全性和穩(wěn)定性提出較高的要求。

某煉油項目4.0Mt/a渣油加氫裝置有兩個系列，共10臺加氫反應(yīng)器。每臺反應(yīng)器有3個床層，每個床層有均勻分布的4處測溫點，全部溫度監(jiān)控共有120點。該項目加氫反應(yīng)器材質(zhì)使用2.25Cr1Mo鋼，管口為3級鍛件，不能在反應(yīng)器上開太多孔，否則會影響反應(yīng)器殼體強度。

因此，無法使用普通帶護管的溫度測量方案，只能采用高壓柔性多點熱電偶解決。渣油加氫按催化劑的使用壽命，一般15-18個月更換一次催化劑。本文針對換劑檢修時發(fā)現(xiàn)柔性熱電偶脫落及斷裂問題進行分析，并對柔性熱電偶安裝固定方式提出改進措施。

柔性熱電偶常用安裝方式及其優(yōu)缺點
柔性熱電偶的結(jié)構(gòu)分為單支單點、單支多點以及多支多點。無論采用哪種結(jié)構(gòu)，其主要特點都是所有熱電偶共用一個法蘭，但又相互獨立。同時，較好地解決了偶芯耐受高溫高壓的難題，在不需要保護套管的情況下，其柔性的保護鎧管為測量到同一床層不同方向的溫度點提供了可能。由于沒有保護管，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。

1、A是在反應(yīng)器測溫層安裝一個梁，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)驗設(shè)計。該方案結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，但在測溫點分布上較為受限，僅能在一個剖面布局，不能敷設(shè)到其他位置。同時，支撐梁是整體制造，無法應(yīng)用在直徑較大的反應(yīng)器。


圖1 柔性熱電偶安裝形式

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)計好的路徑進行安裝。該方案根據(jù)不同的工藝要求需要二次設(shè)計安裝支架，可以在反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件上焊接支架，對于測溫點沒有內(nèi)構(gòu)件的可以在反應(yīng)器器壁上焊接支架，或獨立設(shè)計支架，如圖2所示。其優(yōu)點是可應(yīng)用于測溫點多且非直線分布的場合；缺點是設(shè)計量大，安裝復(fù)雜，支架全部使用螺栓聯(lián)接，對支架長周期使用的穩(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)模不斷擴大，反應(yīng)器內(nèi)徑也在不斷增大，無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)交流時發(fā)現(xiàn)，該方案能夠較好地滿足了工藝對催化劑床層溫度的監(jiān)控，但隨著生產(chǎn)周期的延長，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，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，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
1、柔性熱電偶安裝方案
渣油加氫反應(yīng)器有上、中、下3個床層溫度，安裝有3套柔性熱電偶。熱電偶鎧管規(guī)格為Φ8 mm×1.6mm，材質(zhì)A182F347，4點式單支雙芯結(jié)構(gòu)，可滿足溫度異常時更換至備用線芯測量。反應(yīng)器內(nèi)徑約5500mm，直徑較大，除頂部分配器和底部收集器外，其他部位無任何鋼結(jié)構(gòu)。
根據(jù)工藝包專利商要求，催化劑床層溫度點分布距離反應(yīng)器器壁1m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)計在測溫層同一平面的反應(yīng)器器壁上焊接多個不同結(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。


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


②支架II：每床層6個，支架I間均勻分布，用于熱電偶固定。


③支架III：每床層8個，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，可有效減小焊接對反應(yīng)器器壁堆焊層的影響。

2、柔性熱電偶安裝方案的不足
通過渣油加氫換劑檢修時發(fā)現(xiàn)，延長支架嚴(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：

①柔性熱電偶在3種支架及延長板上的固定均使用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)氫腐蝕機理可知，當(dāng)溫度高于200℃，氫分壓大于8.0MPa時，將加速氫原子向鋼材內(nèi)部擴散，隨著生產(chǎn)時間的延長形成“氫脆”，導(dǎo)致金屬扎帶強度和韌性下降或發(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。


圖4 脫落的熱電偶

②延長支架采用“一”字347鋼板，僅用兩顆螺栓聯(lián)接。筆者在第2個換劑周期發(fā)現(xiàn)大量螺栓松動或斷裂，延長支架嚴(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
渣油加氫反應(yīng)器柔性熱電偶各種問題的整改不僅延長了換劑檢修周期，而且檢修人員站在催化劑上作業(yè)也對催化劑密相裝填帶來一定的影響，更加大了設(shè)備的采購成本。因此，需要對熱電偶固定方式進行改進。改進措施如圖5所示。


圖5 改進措施

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)計中間鏤空，兩端或一端用螺栓固定的夾板來替代金屬扎帶。夾板中間鏤空的空間要大于熱電偶鎧管外徑，且安裝時螺栓為非完全緊固，保證熱電偶在夾板內(nèi)可以活動，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，加大延長支架的抗壓力，同時將螺栓升級為321材質(zhì)。需要注意的是，使用在“L”形延長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)重點鎧管會被壓斷。由于有效固定空間只有3mm，因此該處設(shè)計使用彈簧固定，能有效限制熱電偶的下沉，同時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
1、中間鏤空的夾板不局限于使用在支架II和延長板上，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5mm。在安裝時，固定螺栓為非完全緊固，進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其影響。

2、金屬扎帶斷裂勢必使得熱電偶隨催化劑一起下沉。因此，彈簧的設(shè)計是一大亮點。Incoloy825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Incoloy825的鎳鉻基體通過加入鉬和鈮來加強，使得其在1093℃的高溫環(huán)境下仍具有高強度的韌性和拉伸性。同時，彈簧2.5mm線徑遠大于0.5mm的金屬扎帶，基本解決的材料腐蝕斷裂的可能。
 
渣油加氫反應(yīng)器自上而下的介質(zhì)流速為0.06m/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。目前，國內(nèi)大型加氫反應(yīng)器普遍使用柔性熱電偶測量床層溫度，特別是重油加氫更使用單價昂貴的進口品牌，但依然無法有效解決柔性熱電偶長周期穩(wěn)定使用的問題。

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

作者：魏磊 林東

相關(guān)閱讀
◆國內(nèi)外尋熱式熱電偶生產(chǎn)和使用情況
◆檢定合格的熱電偶在使用中不合格的原因