脫硫吸收塔的設計

劉文廣

(中國石油工程設計有限公司西南分公司,四川成都 610017)

脫硫吸收塔的設計

劉文廣

(中國石油工程設計有限公司西南分公司,四川成都 610017)

介紹了目前國內(nèi)天然氣凈化廠脫硫裝置中單臺處理量最大的脫硫吸收塔的選材、設計、材料驗證評定、制造檢驗和驗收等情況。實現(xiàn)了材料國產(chǎn)化,設備運行安全化,為下游供氣提供了可靠保證。為今后開發(fā)含硫天然氣,特別是高含硫天然氣凈化廠設備大型化提供了依據(jù)。

脫硫吸收塔;選材設計;材料驗證評定;制造檢驗和驗收

0 前言

中國石油西南油氣田分公司在四川開發(fā)的含H2S天然氣氣田擬建一個試采規(guī)模為1 200×104m3/d的天然氣集輸、凈化和外輸?shù)孛娼ㄔO工程,其中天然氣凈化廠包括天然氣脫硫、脫水、酸氣的克勞斯硫磺回收和尾氣處理的 SCOT裝置以及配套的系統(tǒng)工程和公用工程。天然氣凈化廠總規(guī)模為1 200 ×104m3/d,而單套處理能力如何確定,在設計過程作了多項比較,下面介紹設計基本情況和單套處理能力確定后脫硫吸收塔從選材、材料驗證評定、結(jié)構(gòu)設計、設計計算、制造檢驗和驗收技術要求以及制造中所遇到的問題如何解決等基本作法,為今后設計在保證安全和工藝功能前提下提供可靠可行的方法。

1 方案比選

在方案比較中對處理量1 200×104m3/d是 4× 300×104m3/d,3×400×104m3/d還是 2×600× 104m3/d,在設計過程中從占地、投資、設計、施工周期和管理等多項內(nèi)容進行比較,從比選的結(jié)果來看, 4×300×104m3/d方案占地和投資最大,比選中予以否定。2×600×104m3/d工藝裝置占地比 3× 400×104m3/d節(jié)約近 1/3,總投資節(jié)約近 1/6,設計和施工周期也有所縮短,管理也更為方便,因此 2× 600×104m3/d為最佳方案。在比選方案中,之所以提出 4×300×104m3/d和 3×400×104m3/d方案,是因為目前在國內(nèi)天然氣處理廠中單套 400×104m3/d已建成多套,技術成熟可靠,如果采用這兩種方案中單套 400×104m3/d可以參考借鑒。而單套600×104m3/d國內(nèi)尚屬首次,在國外也不多見,而且工作壓力和天然氣中 H2S含量 (此項涉及吸收H2S的溶液循環(huán)量)也有差異,缺乏對比性,難有借鑒之處[1]。

單套 600×104m3/d天然氣處理廠各套裝置中難點之處在脫硫裝置,而脫硫裝置的難點又在脫硫吸收塔,因為塔壓力高,直徑大,以工作壓力P=7.8 MPa,安全閥定壓P=8.58 MPa,塔體直徑Φ3 200計,按常規(guī)含 H2S天然氣選材用 20R,腐蝕裕量以 4 mm計,壁厚已大于 100mm,在 GB 713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》標準沒有頒布之前,已超過標準的使用范圍,何況該氣田天然氣 H2S含量高達 68 g/m3,在 SY/T 0612-2008[2]標準未發(fā)布之前,按照《中國石油天然氣股份有限公司天然氣開發(fā)管理綱要》(以下簡稱綱要)[3]規(guī)定,H2S>30 g/m3為高含硫氣藏。綜上所述,天然氣處理廠中各類設備集中在脫硫裝置中脫硫吸收塔,其它類型的設備無論選材、設計、設備的直徑、壁厚、工作工況都能解決。脫硫吸收塔的難點是:工作工況為高壓、高含硫,厚壁,大直徑,由于國內(nèi)鋼廠生產(chǎn)能力的限制,選材受到較大制約。按照特殊含硫天然氣壓力容器作法,在確保安全前提下,認真分析,可以得到解決。

2 脫硫吸收塔的設計

脫硫吸收塔設計數(shù)據(jù)表見表1、設備簡圖見圖1。

表1 脫硫吸收塔數(shù)據(jù)表

圖1 脫硫吸收塔簡圖

2.1 選材

2.1.1 選材前期工作

針對上述問題,在設計前我們作了大量調(diào)研,查閱了國內(nèi)外有關資料,對已實踐的成功經(jīng)驗進行總結(jié),分析對比,其主要工作包括:

a.查閱國內(nèi)外有關資料,其中包括四川臥龍河脫硫裝置引進工程[4],JACOBS公司關于羅家寨高含硫 (H2S>8%)天然氣處理廠基礎設計[5],哈薩克扎依爾含 H2S原料氣分離器用 16MnR(H IC)鋼設計和工程總結(jié)[6]。

b.調(diào)研四川含硫氣田使用 16MnR壓力容器設計和使用現(xiàn)狀。

c.于 16MnR、16Mn鍛件材料和焊縫在標準狀況和模擬實際工況的 H I C和 SSC評定報告[7]。

d.對AS ME II SA516 GR65(H IC)和舞陽鋼廠16MnR(H IC)進行國內(nèi)外詢價,并咨詢兩種鋼板的供貨周期和價格狀況。

e.查閱 ISO 15156-1～3《石油天然氣工業(yè)——在含有 H2S的環(huán)境下油氣生產(chǎn)使用的材料》[8]。

f.分析含 H2S天然氣中,由 H2S存在引起的H IC、SSC和化學失重腐蝕及其防腐對策。

2.1.2 選材要求

鑒于目前國內(nèi)外對高含硫沒有確切界定,又沒有相應的設計技術規(guī)定和制造檢驗等技術標準支撐,為規(guī)避風險,確保氣田安全開發(fā),此塔的設計按《綱要》[3]規(guī)定,劃歸為高含硫介質(zhì),經(jīng)技術經(jīng)濟比較,綜合考慮,材料供貨周期和價格等多項因素,同SA516 GR65(H I C)比較,吸收塔的主體材料、接管、法蘭等管配件立足于國內(nèi),選用 16MnR(H IC)鋼、16Mn鍛件,材料除滿足標準規(guī)定外,對材料提出如下特殊要求,其要點:

a.塔體材料為 16MnR(H IC)鋼板,但應控制Mn、S、P的含量。Mn=1.20%～1.35%,熔煉分析S≤0.003%,成品分析 S≤0.004%,P≤0.015%,為改善鋼板性能,可添加微量合金元素。鍛件參照JB 4726-2000標準,但應控制 S,P含量。S≤0.020%,P≤0.025%。上述兩種材料應保證 C≤0.20%,CE(注)≤0.43%。

注:碳當量計算公式:

b.材料力學性能應是模擬實際制造工況,焊后熱處理后達到材料標準規(guī)定的最低值。

c.鋼板應進行超聲波檢測,鍛件不低于鍛件標準規(guī)定的Ⅲ級。

d.鋼板和鍛件應進行非金屬夾雜物、偏析、晶粒度等檢測和相應要求,加上 S,P控制,材料應是純凈度高的細晶粒結(jié)構(gòu)全鎮(zhèn)靜鋼。

e.材料抗硫化物應力開裂 (SSC)和抗氫致開裂(H IC)的驗證評定:

抗硫化物應力開裂 (SSC)試驗評定按 GB/T 4157-2006(NACE T M 0177)規(guī)定,溶液為 A溶液中A法,加載應力為材料 80%S MYS,試驗時間為720 h,其結(jié)果試件不斷裂為合格。

抗氫致開裂 (H I C)試驗評定按 GB/T 8650-2006(NACE T M 0284-2003)規(guī)定,溶液為 A溶液,試驗時間為 72 h,每個試件三個斷面的平均值應滿足:裂紋長度率(CLR)≤15%,裂紋厚度率(CTR)≤5%,裂紋敏感率(CSR)≤2%。

2.2 設計、設計計算和結(jié)構(gòu)設計

2.2.1 設計和設計計算

2.2.2 結(jié)構(gòu)設計

殼體封頭采用標準的橢圓形封頭,接管采用加厚接管插入式全焊透結(jié)構(gòu)。塔內(nèi)塔板為雙溢流標準浮閥塔板。與殼體相焊的固定件為殼體同材質(zhì)16MnR,可拆件為不銹鋼。

2.2.3 制造檢驗和驗收的技術要求

遵循《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》和 GB 150 -1998《鋼制壓力容器》及 GB 150-1998的 1、2號修改單和 JB/T 4710-2005《鋼制塔式容器》等相關法規(guī)、規(guī)范和標準規(guī)定。但由于含硫介質(zhì)的設備存在硫化物應力腐蝕開裂 (SSC)和硫化物氫致開裂(H I C),且壁厚,因此設備還應符合以下特殊技術規(guī)定:

2.2.3.1 對接焊縫和角焊縫的評定

設備和接管的對接焊縫以及角焊縫應模擬實際制造工況作抗硫化物應力腐蝕開裂 (SSC)和抗氫致開裂(H IC)驗證評定,其作法和驗收評定按本文中2.1.2(e)要求。其中角焊縫在焊接工藝、焊材、焊劑等相同情況用等厚的對接替代角接。

2.2.3.2 無損檢測

a.所有對接焊縫進行 100%射線檢測,且進行100%超聲波復驗,分別符合 JB/T 4730-2005中的Ⅱ級和Ⅰ級規(guī)定。厚壁容器,由于焊接過程中溫差可能出現(xiàn)裂紋,其中超聲檢測對裂紋,特別是微裂紋和發(fā)紋特別敏感。

b.接管和殼體角焊縫應保證全焊透,焊縫圓滑過渡。此類焊縫和角焊縫應進行磁粉或著色滲透檢測,符合 JB/T 4730-2005的 I級規(guī)定。其中接管dn≥200還應進行超聲檢測,符合 JB/T 4730-2005的 I級規(guī)定。

c.超聲波和磁粉或著色滲透檢測應在設備熱處理前和水壓試驗后各進行一次。

2.2.3.3 設備熱處理

設備應整體熱處理,熱處理后應對焊縫及熱影響區(qū)進行硬度檢測,滿足 HB≤200。這是防止硫化物應力腐蝕開裂的有效措施。

3 設備制造情況

為了保證設備質(zhì)量,確保安全,設計跟蹤了整個制造全過程,包括材料進廠、材料復驗,查閱了相關質(zhì)量文件,材料理化數(shù)據(jù),詳見表2。吸收塔筒體封頭厚δ均為 104 mm,其中筒體鋼板用料為 112 mm,最終封頭成型厚δ均在 105～105.5 mm。筒體冷卷,鋼板用料為 105 mm,最終成型厚度均保證≥104 mm。

表2 材料化學成分和力學性能數(shù)據(jù)

從表2和材料質(zhì)證書[11]看出,材料實際性能達到,甚至超過了設計要求,材料和焊縫抗硫驗證評定(SSC和 H IC)[12],得到了滿意結(jié)果,其中 SSC加載應力 230MPa,在 720 h未出現(xiàn)斷裂。H I C中 CLR= 0,CTR=0,CSR=0,遠高于設計和標準規(guī)定。

無損檢測、熱處理、材料和焊縫硬度檢測等都符合法規(guī)、規(guī)范、標準和設計規(guī)定,焊縫未出現(xiàn)返工,符合設計文件要求,出廠驗收合格。

4 結(jié)語

a.脫硫吸收塔投產(chǎn)前用原料氣 (含硫天然氣)帶壓(設計壓力)敏感試驗檢測試驗合格,一次投產(chǎn)成功,該設備從未出現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象,設備使用是安全可靠的,保證天然氣凈化廠和氣田開發(fā)正常運行。從脫硫吸收塔設計到天然氣凈化廠正常運行,說明脫硫吸收塔設計是成功的,能保證在設計工況下,設備使用是安全可靠的。隨著石油天然氣行業(yè)不斷發(fā)展,設備日趨大型化,高壓、高含 H2S天然氣介質(zhì)、厚壁、大直徑設備不斷出現(xiàn),這就對鋼鐵行業(yè)、制造業(yè)提出了更高要求和考驗,設備所需材料和制造完全能國產(chǎn)化。脫硫吸收塔的設計成功和安全運行,為今后類似設備設計和制造提供了可行經(jīng)驗。

b.含硫天然氣的壓力容器選材應符合 SY/T 0599-2006、ISO 15156-1～3的規(guī)定。本文中提出SSC和 H IC評定屬材料驗證評定,不屬選材評定,驗證評定的目的是對制造工藝的評定,對使用者提供標準依據(jù),確保本質(zhì)安全。

[1] 劉家洪.高含硫天然氣凈化廠設計特點[J].天然氣與石油,2006,24(3):52-55.

[2] SY/T 0612-2008,高含硫化氫氣田地面集輸系統(tǒng)設計規(guī)范[S].

[3] 中國石油天然氣股份有限公司.中國石油天然氣股份有限公司天然氣開發(fā)管理綱要[Z].北京:中國石油天然氣股份有限公司,2006.

[4] 日本千代田株式會社.臥龍河脫硫裝置引進工程設計[Z].東京:日本千代田株式會社,1979.

[5] JACOBS公司.羅家寨天然氣處理廠基礎設計[Z].田納西州:JACOBS公司,2004.

[6] 中國石油工程設計有限公司西南分公司.哈薩克扎依爾含 H2S原料氣分離的設計和工程總結(jié)[Z].成都:中國石油工程設計有限公司西南分公司,2006.

[7] 四川石油管理局酸性油氣田材料腐蝕檢測中心. 16MnR、16Mn鍛件和焊縫的 H I C、SSC評定報告[Z].成都:四川石油管理局酸性油氣田材料腐蝕檢測中心,2005.

[8] ISO 15156-1～3,石油和天然氣工業(yè) -在含有 H2S的環(huán)境下油氣生產(chǎn)使用材料[S].

[9] 劉來福.如何防止天然氣凈化裝置中設備的應力腐蝕裂紋[J].煉油設備設計 1981,2:19-24.

[10] WYJ 221-2007,抗硫化氫腐蝕用 16MnR(H IC)/ 16MnR(R-H I C)鋼板供貨技術條件[S].

[11] 舞陽鋼鐵有限責任公司.16MnR(H IC)鋼板和 16Mn鍛件材料質(zhì)量證明文件[Z].漯河:舞陽鋼鐵有限責任公司/二重集團重型裝備股份有限公司,2008.

[12] 西北工業(yè)大學.16MnR(H I C)鋼板、16Mn鍛件和焊縫抗 SSC和 H I C評定報告[Z].西安:西北工業(yè)大學/二重集團重型裝備股份有限公司,2008.

1006-5539(2010)03-0045-04

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2009-12-01

劉文廣 (1980-),男,貴州貴陽人,工程師,學士,主要從事石油化工機械設計工作。電話:(028)86014550。