黃繼強(qiáng)，劉瀚孺，李馨

(1. 中國(guó)石化長(zhǎng)城能源化工(寧夏)有限公司，寧夏 銀川 750411；2. 天津市中環(huán)溫度儀表有限公司，天津 300300)

1，4-丁二醇(BDO)加氫反應(yīng)器和甲醇合成反應(yīng)器分別是BDO項(xiàng)目和甲醇裝置中的核心設(shè)備，長(zhǎng)期以來(lái)多點(diǎn)熱電偶產(chǎn)品一直為進(jìn)口品牌，存在進(jìn)口產(chǎn)品技術(shù)受制于人、采購(gòu)周期長(zhǎng)、采購(gòu)成本和現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)費(fèi)用居高不下等問(wèn)題，是企業(yè)所面臨的實(shí)際困難。在當(dāng)今的國(guó)際經(jīng)濟(jì)形式下，大力推進(jìn)國(guó)產(chǎn)化，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，才是尋求技術(shù)獨(dú)立，經(jīng)濟(jì)求強(qiáng)的最強(qiáng)有力手段。

1 BDO加氫反應(yīng)器多點(diǎn)熱電偶的國(guó)產(chǎn)化

1.1 概 述

寧夏某公司BDO項(xiàng)目中，BDO反應(yīng)器采用美國(guó)INVISTA工藝，1，4-丁炔二醇(BYD)加氫是在2臺(tái)串聯(lián)的固定床反應(yīng)器中進(jìn)行，99%的加氫反應(yīng)在第1臺(tái)反應(yīng)器中完成。INVISTA工藝的特點(diǎn)是系統(tǒng)需定期停車，進(jìn)行全部催化劑的更換和活化。因此，該公司在2018年1月對(duì)加氫反應(yīng)器進(jìn)行了自2015年開車后的第一次催化劑更換，其中涉及對(duì)所用的多點(diǎn)熱電偶進(jìn)行重新采購(gòu)和更換。通過(guò)技術(shù)合作，成功地將該熱電偶進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化，不僅大幅降低了企業(yè)的采購(gòu)成本，縮短了檢修周期，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了該產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化，具有劃時(shí)代的意義。

1.2 國(guó)產(chǎn)化的原因

BDO高壓加氫反應(yīng)器處于高溫、高壓、臨氫及易燃易爆介質(zhì)的運(yùn)行環(huán)境中，為確保高壓加氫反應(yīng)器的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)期運(yùn)行，各物理和化學(xué)指標(biāo)的檢驗(yàn)工作顯得尤為緊迫和重要。同時(shí)，該運(yùn)行環(huán)境對(duì)用于測(cè)量催化劑床層溫度的多點(diǎn)熱電偶提出了苛刻的要求，技術(shù)指標(biāo)需滿足耐高壓、耐高溫、長(zhǎng)周期運(yùn)行的目標(biāo)。由于該產(chǎn)品一直使用的是進(jìn)口產(chǎn)品，檢修拆下后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)5 a的連續(xù)運(yùn)行，原熱電偶已發(fā)生了不同程度的損壞，如毫伏值不準(zhǔn)、絕緣值下降、元件保護(hù)管外皮破裂、引線脫落等，因此需要重新采購(gòu)多點(diǎn)熱電偶。由于檢修工作時(shí)間緊、任務(wù)重，而進(jìn)口產(chǎn)品的采購(gòu)周期較長(zhǎng)，無(wú)法滿足時(shí)間上的要求，因此筆者大膽提出BDO加氫反應(yīng)器多點(diǎn)熱電偶國(guó)產(chǎn)化的觀點(diǎn)。

1.3 國(guó)產(chǎn)化的推進(jìn)

1.3.1 工況介紹

BDO是重要的有機(jī)化工原料，是炔醇法中BYD的加氫產(chǎn)物。在BDO的生產(chǎn)工藝中，氫氣經(jīng)氫氣壓縮機(jī)升壓至29.4～30.8 MPa后，進(jìn)入加氫反應(yīng)器，在反應(yīng)器中氫氣與BYD在鎳催化劑的作用下，通過(guò)加氫反應(yīng)生成BDO。因此，高壓加氫反應(yīng)器是BDO項(xiàng)目中的核心設(shè)備，目前的BDO高壓加氫反應(yīng)器多為固定床反應(yīng)器，其中測(cè)量催化劑溫度的多點(diǎn)熱電偶，要求耐壓等級(jí)高，運(yùn)行周期長(zhǎng)。

1.3.2 技術(shù)方案的確定

根據(jù)反應(yīng)器的操作壓力、操作溫度、介質(zhì)特性、接口方式和測(cè)點(diǎn)布局，通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，最終確定了多點(diǎn)熱電偶的技術(shù)方案：

1)可靠性的保證。BDO加氫反應(yīng)器屬于典型的高壓反應(yīng)器，操作壓力為30.5 MPa，因此承壓能力和密封可靠性是技術(shù)方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

a)確定固定方式。根據(jù)反應(yīng)器原設(shè)計(jì)工藝接口形式，要求多點(diǎn)熱電偶側(cè)同為GRAYLOC高壓卡蘭，即采用高溫、高壓自緊零泄漏的全金屬密封方式，承壓能力達(dá)到45 MPa以上。

b)制訂多點(diǎn)熱電偶內(nèi)部承壓密封結(jié)構(gòu)。GRAYLOC高壓卡蘭至接線箱之間，設(shè)置二級(jí)密封腔結(jié)構(gòu)，腔內(nèi)配有多級(jí)密封阻漏裝置，由金屬卡套、石墨填料、雙腔室構(gòu)成，并在腔體外設(shè)置檢漏電接點(diǎn)壓力表，隨時(shí)觀測(cè)泄漏狀態(tài)，并可遠(yuǎn)傳DCS報(bào)警。

c)設(shè)置自動(dòng)泄壓安全閥。當(dāng)泄漏量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，泄壓閥自動(dòng)開始工作，避免操作人員前往現(xiàn)場(chǎng)手工泄壓，保證了人身安全。

2)材料的選擇。反應(yīng)器正常運(yùn)行時(shí)的操作溫度為135 ℃，氫氣與BYD在鎳催化劑的作用下進(jìn)行加氫反應(yīng)，因此溫度計(jì)是在臨氫及易燃易爆介質(zhì)的運(yùn)行環(huán)境中使用。根據(jù)該化學(xué)屬性，選用抗氫腐蝕性能優(yōu)異的高鎳INCONEL600合金作為測(cè)量元件保護(hù)管材質(zhì)，設(shè)計(jì)使用壽命確保在10 a以上。

3)多點(diǎn)元件形式的選擇。由于INVISTA工藝系統(tǒng)需定期停車，進(jìn)行全部催化劑的更換和活化，因此多點(diǎn)熱電偶的定期檢修和更換要充分考慮。多點(diǎn)熱電偶有多支單點(diǎn)式、單支多點(diǎn)式、多支多點(diǎn)式3類，該公司反應(yīng)器工藝要求為每套12個(gè)測(cè)點(diǎn)，從測(cè)點(diǎn)數(shù)量、檢維修的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性考慮，最終確定選用多支單點(diǎn)式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是元件可單獨(dú)更換，檢測(cè)、維修、更換可有針對(duì)性地獨(dú)立進(jìn)行，節(jié)省了后續(xù)的維護(hù)成本。

4)測(cè)溫效果的保證。在元件的延伸過(guò)程中，設(shè)置N個(gè)支撐環(huán)，該支撐環(huán)上設(shè)置了與元件數(shù)相同數(shù)量的圓孔，以便測(cè)量元件能相應(yīng)穿過(guò)，實(shí)現(xiàn)元件互不纏繞，為元件的單獨(dú)更換奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，該支撐環(huán)的外圓直徑尺寸接近多點(diǎn)熱電偶外套管的內(nèi)徑，測(cè)量元件在插入套管前，將其前端進(jìn)行彈性處理，該尺寸的選擇和彈性工藝的結(jié)合，可以巧妙地促使元件進(jìn)入套管后緊貼套管內(nèi)壁，從而實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的測(cè)溫效果，保證了工藝參數(shù)的良好采集。

1.3.3 檢 測(cè)

綜上所述，多點(diǎn)熱電偶的技術(shù)方案確定后，壓力測(cè)試、密封性測(cè)試、焊接測(cè)試、材質(zhì)測(cè)試、精度測(cè)試等，是驗(yàn)證熱電偶各項(xiàng)性能指標(biāo)的關(guān)鍵，生產(chǎn)廠商運(yùn)用先進(jìn)的檢測(cè)手段，確保了檢測(cè)的完整性和科學(xué)性。

1)運(yùn)用超聲波探傷、渦流探傷和PT著色檢測(cè)，檢測(cè)GRAYLOC法蘭的焊接質(zhì)量，該法蘭焊接后，必須運(yùn)用焊道清洗將應(yīng)力消除，然后檢測(cè)焊接質(zhì)量，確保焊接工序萬(wàn)無(wú)一失。

2)運(yùn)用滲透力最強(qiáng)的氦氣檢測(cè)方式，對(duì)所有鎧裝元件進(jìn)行氣密性檢測(cè)。

3)運(yùn)用全成分光譜分析儀，對(duì)所有金屬部件進(jìn)行材質(zhì)檢測(cè)，即使微量元素，也可做到與材料標(biāo)準(zhǔn)高度一致。

4)運(yùn)用特制的壓力測(cè)試設(shè)備進(jìn)行承壓測(cè)試，根據(jù)1.5倍的測(cè)試要求，測(cè)試等級(jí)高達(dá)45 MPa。

1.3.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、檢測(cè)過(guò)程，國(guó)產(chǎn)化的BDO加氫反應(yīng)器多點(diǎn)熱電偶順利交工，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)安裝到現(xiàn)場(chǎng)。經(jīng)過(guò)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的復(fù)檢、安裝、調(diào)試等環(huán)節(jié)，自2018年5月開車運(yùn)行后，截至目前DCS反饋數(shù)據(jù)一直準(zhǔn)確、完整，產(chǎn)品穩(wěn)定運(yùn)行，BDO加氫反應(yīng)器多點(diǎn)熱電偶國(guó)產(chǎn)化圓滿成功。

2 甲醇合成反應(yīng)器多點(diǎn)熱電偶的國(guó)產(chǎn)化

2.1 工況介紹

內(nèi)蒙某公司的甲醇合成反應(yīng)器是典型的Davy工藝反應(yīng)器，該反應(yīng)器是英國(guó) Davy Mekee 公司在對(duì)傳統(tǒng) ICI 多段冷激塔及 Lurgi 管殼塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，成功開發(fā)的 Casale 軸、徑向混合流多段絕熱合成塔。該塔各段催化劑床層支撐設(shè)置在塔體內(nèi)，并與塔壁保持一定距離的環(huán)形空隙，形成進(jìn)氣通道，床層中心為頂端封閉的集氣管。經(jīng)塔外換熱的原料氣入塔后，通過(guò)催化劑筐頂部及側(cè)壁開孔，按照軸向和徑向兩種流動(dòng)方式通過(guò)床層，生成氣經(jīng)集氣管匯合后，從催化劑筐底部導(dǎo)出塔外。多段催化劑床層可串聯(lián)使用，也可并聯(lián)使用。Casale合成塔的優(yōu)點(diǎn)： 床層阻力較小、大型化潛力大，高度16 m的塔，生產(chǎn)能力可達(dá)到5 kt/d；缺點(diǎn)： 催化劑裝卸困難。因此，保持穩(wěn)定良好的運(yùn)行條件，減少催化劑非正常損耗，延長(zhǎng)催化劑更換周期，是節(jié)能降耗的有效措施。

2.2 國(guó)產(chǎn)化的原因

甲醇合成塔是甲醇裝置的核心設(shè)備之一，也是合成工段中最關(guān)鍵的設(shè)備，合成塔為立式絕熱管殼型反應(yīng)器，管內(nèi)裝有C306型低壓合成甲醇催化劑，反應(yīng)器中重要的參數(shù)涉及壓力、溫度、介質(zhì)成分、流量等，確定合成塔設(shè)備排熱量及結(jié)構(gòu)形式，為工藝設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

其中測(cè)量催化劑溫度的多點(diǎn)熱電偶一直使用的是進(jìn)口品牌產(chǎn)品，雖然產(chǎn)品一直處于穩(wěn)定運(yùn)行，但在2016年3月，熱電偶因故造成部分導(dǎo)線被燒毀，由于該產(chǎn)品采用共用負(fù)極的結(jié)構(gòu)，因此無(wú)法修復(fù)，只能重新采購(gòu)。該次檢修屬于非計(jì)劃停車檢修，而進(jìn)口產(chǎn)品采購(gòu)周期長(zhǎng)，無(wú)法滿足檢修工作時(shí)間的進(jìn)度。同時(shí)，該公司一直在找尋各類進(jìn)口產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化的機(jī)會(huì)，于是甲醇合成反應(yīng)器多點(diǎn)熱電偶的國(guó)產(chǎn)化被正式提至日程。

2.3 國(guó)產(chǎn)化的推進(jìn)

2.3.1 技術(shù)方案的確定

根據(jù)反應(yīng)器的操作壓力、操作溫度、介質(zhì)特性、接口方式和測(cè)點(diǎn)布局，最終確定了多點(diǎn)熱電偶的技術(shù)方案：

1)可靠性的保證。甲醇合成反應(yīng)器屬于中壓反應(yīng)器，操作壓力為6 MPa，按照工藝要求，安裝法蘭為高壓法蘭，因此承壓能力和密封可靠性是技術(shù)方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

a)法蘭與套管噴嘴部件運(yùn)用自動(dòng)填料氬弧焊接，在電腦程序控制下合理掌握焊接進(jìn)程，焊后進(jìn)行應(yīng)力消除和超聲波探傷等檢測(cè)，確保焊接質(zhì)量完美可靠。根據(jù)承壓能力設(shè)計(jì)規(guī)范，達(dá)到10 MPa以上。

b)制訂多點(diǎn)熱電偶內(nèi)部承壓密封結(jié)構(gòu)。

c)該產(chǎn)品由2支保護(hù)管組成，每支保護(hù)管內(nèi)置10個(gè)熱電偶元件，因此產(chǎn)品內(nèi)部采取組合式多級(jí)阻漏密封方式，即保護(hù)管經(jīng)316SS材質(zhì)的過(guò)渡管后，由軟線引出，在過(guò)渡管內(nèi)部，多芯元件與引線連接高溫注膠密封，確保無(wú)泄漏；產(chǎn)品內(nèi)部的所有螺紋連接，均采用SWAGELOK連接件。

2)材料的選擇。甲醇反應(yīng)器內(nèi)氣體組分中富含氬、氮、甲烷和氫，因此甲醇合成反應(yīng)器中經(jīng)濟(jì)有效的溫度是保持等溫或準(zhǔn)等溫工況，即過(guò)程溫度為250～260 ℃。根據(jù)介質(zhì)的化學(xué)屬性和溫度范圍，選用抗腐蝕性能優(yōu)異的316L合金作為測(cè)量元件保護(hù)管材質(zhì)，設(shè)計(jì)使用壽命確保在10 a以上。

3)多點(diǎn)元件形式的選擇。該公司甲醇合成反應(yīng)按照Davy工藝要求，每套多點(diǎn)熱電偶需要有20個(gè)測(cè)點(diǎn)，而熱電偶套管內(nèi)徑僅22 mm，且測(cè)點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)之間的間距僅為1 m多，且總長(zhǎng)度達(dá)13 m。從測(cè)點(diǎn)數(shù)量、空間條件和測(cè)點(diǎn)間距考慮，最終確定選用多支多點(diǎn)式的結(jié)構(gòu)，即單支多點(diǎn)的組合式。產(chǎn)品由2支Φ6 mm保護(hù)管組成，每個(gè)保護(hù)管內(nèi)設(shè)有10個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)20個(gè)測(cè)點(diǎn)；每個(gè)測(cè)點(diǎn)的熱電偶都有獨(dú)立的正極和負(fù)極，這是與進(jìn)口產(chǎn)品最大的區(qū)別，該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)熱電偶的單獨(dú)檢、維修，可大幅節(jié)省后續(xù)的維護(hù)成本。

4)測(cè)溫效果的保證。因熱電偶測(cè)點(diǎn)多，間距小，為防止氣流傳遞導(dǎo)致的熱輻射，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)120 mm范圍的兩側(cè)各100 mm寬區(qū)域內(nèi)，緊密包覆高強(qiáng)度陶瓷纖維毯，并用強(qiáng)有力的細(xì)棉線固定，以保證熱電偶之間的氣密密封，測(cè)量點(diǎn)只接受氣流的熱量，避免了沿芯體傳遞來(lái)的熱量，同時(shí)提高了測(cè)量的精準(zhǔn)度，確保了測(cè)量值的真實(shí)性。

在熱電偶最前端設(shè)置1個(gè)304L材質(zhì)的子彈頭狀導(dǎo)向端頭，其連接支撐桿和2支多點(diǎn)熱電偶保護(hù)管，在導(dǎo)向端頭的支撐和導(dǎo)向作用下，可以將熱電偶緩慢插入合成塔內(nèi)熱電偶套管噴嘴及熱電偶集中錐中。

在保護(hù)管的延伸過(guò)程中，設(shè)置N個(gè)支撐板，該支撐板上設(shè)置3個(gè)圓孔，分別供2支保護(hù)管和支撐管穿過(guò)，該支撐環(huán)的外圓直徑尺寸接近多點(diǎn)熱電偶外套管的內(nèi)徑，在支撐板的作用下，可以確保長(zhǎng)達(dá)13 m的超細(xì)保護(hù)管在插入套管的過(guò)程中，不發(fā)生扭曲和變形。

2.3.2 檢 測(cè)

該多點(diǎn)熱電偶的技術(shù)方案設(shè)計(jì)中，測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)和密封性測(cè)試是驗(yàn)證工作的重點(diǎn)。根據(jù)工藝包嚴(yán)苛的檢驗(yàn)要求，天津某儀表廠商運(yùn)用先進(jìn)的檢測(cè)手段，確保了檢測(cè)的完整性和科學(xué)性。所有檢測(cè)均在生產(chǎn)地完成，并在到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，與該公司技術(shù)人員共同進(jìn)行了復(fù)檢。

1)尺寸檢測(cè)。法蘭頂面做箭頭標(biāo)記，以便在安裝熱電偶時(shí)正確定向。

2)材質(zhì)檢測(cè)。運(yùn)用全成分光譜分析儀，對(duì)所有金屬部件進(jìn)行材質(zhì)檢測(cè)，即使微量元素，也做到與材料標(biāo)準(zhǔn)高度一致。

3)檢查所有安裝用螺栓、墊圈、RJ環(huán)和陶瓷纖維的供貨完整性。

4)熱電偶功能測(cè)試。用熱風(fēng)槍對(duì)熱電偶每個(gè)測(cè)點(diǎn)吹風(fēng)，觀察其響應(yīng)性，記錄響應(yīng)時(shí)間，每點(diǎn)取3次測(cè)量值，比較測(cè)溫速度與溫度變化值。

5)檢查保護(hù)管和延長(zhǎng)導(dǎo)線保護(hù)盒，檢查外部標(biāo)識(shí)，由于熱電偶測(cè)點(diǎn)多，因此標(biāo)識(shí)的清晰、準(zhǔn)確尤為重要。

6)對(duì)每個(gè)熱電偶進(jìn)行重復(fù)的連續(xù)性檢查，以確定所有線路處于良好狀態(tài)。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

從2016年12月正式定貨到2017年3月貨到現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)過(guò)3個(gè)月的設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、檢測(cè)過(guò)程，國(guó)產(chǎn)化的甲醇合成反應(yīng)器多點(diǎn)熱電偶順利交工，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)安裝到現(xiàn)場(chǎng)。經(jīng)過(guò)各項(xiàng)指標(biāo)復(fù)檢、安裝、調(diào)試等環(huán)節(jié)，從2017年4月開車運(yùn)行至今，DCS反饋數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、完整，產(chǎn)品穩(wěn)定運(yùn)行，甲醇合成反應(yīng)器多點(diǎn)熱電偶國(guó)產(chǎn)化圓滿成功。2017年，該產(chǎn)品順利通過(guò)專利審查，獲取了專利知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

3 結(jié)束語(yǔ)

BDO加氫反應(yīng)器多點(diǎn)熱電偶和甲醇合成反應(yīng)器多點(diǎn)熱電偶國(guó)產(chǎn)化的成功，直接節(jié)省了40%～60%的企業(yè)采購(gòu)成本，時(shí)間僅用了原進(jìn)口產(chǎn)品采購(gòu)周期的50%，便完成了檢修任務(wù)，且各項(xiàng)指標(biāo)精準(zhǔn)達(dá)標(biāo)，充分體現(xiàn)了國(guó)有專業(yè)制造廠商的生產(chǎn)實(shí)力。