煤化工裝置關(guān)鍵壓力容器的選材方法

譚立平 尹 甜

(中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司)

煤化工裝置關(guān)鍵壓力容器的選材方法

譚立平 尹 甜

(中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司)

根據(jù)多年從事煤制油、煤化工項目設(shè)備設(shè)計及管理的經(jīng)驗，分析了壓力容器的選材原則：在遵循設(shè)計標準、實現(xiàn)設(shè)計目標的基礎(chǔ)上，選擇最為理想的方案，能滿足穩(wěn)定性與安全性功能要求的同時減少費用。

壓力容器 反應(yīng)器 煤化工 煤制油 選材

隨著近年來煤化工項目規(guī)模的擴大化，對相關(guān)工藝裝置的關(guān)鍵壓力容器也提出了更高的要求。在裝置運行過程中關(guān)鍵設(shè)備出現(xiàn)故障，就可能中斷生產(chǎn)，甚至危害人身安全，因此合理選材是保證壓力容器長周期運行的重要因素。在煤化工裝置中，每個單元都有關(guān)鍵壓力容器，選材是保證壓力容器長周期運行的重要因素。壓力容器選材隨著工藝包的工藝參數(shù)、制造能力、新材料研發(fā)等因素而定，同時必須滿足強度、剛度、穩(wěn)定性、耐腐蝕性、使用壽命、費用及進度等要求。為此，需要不斷地學(xué)習(xí)、總結(jié)和分析，并加強行業(yè)間的技術(shù)和經(jīng)驗交流。這樣不僅可以極大地減少錯誤的設(shè)備選材，也能持續(xù)地提高自身的業(yè)務(wù)技能。

1 煤化工關(guān)健壓力容器所用材料概述

在煤化工裝置中，涉及到各種關(guān)鍵壓力容器，可根據(jù)溫度或壓力進行分類。其中，根據(jù)設(shè)計溫度可劃分為高溫和低溫容器。高溫容器主要使用的材料有：耐熱鉻鉬鋼(如2.25Cr-1.0Mo-0.25V、2.25Cr-1.0Mo、1.25Cr-0.5Mo、1.0Cr-0.5Mo)，奧氏體不銹鋼以及鎳基合金等。低溫容器主要材料有：3.5Ni、9Ni、09MnNiDR、16MnDR(SA516Gr70)、07MnNiMoDR、SA662、奧氏體不銹鋼及鋁合金等[1]。

根據(jù)設(shè)備的設(shè)計壓力可劃分為超高壓、高壓、中低壓及真空壓力容器等。超高壓壓力容器可考慮30CrNiMo8、K12X、SA723Gr3Cl3及34CrNi3Mo等材料，高壓容器可考慮SA516Gr70、SA336F22、 SA336F22V、18MnMoNbR及13MnNiMoR等材料。

根據(jù)腐蝕情況(酸堿腐蝕、氫腐蝕、硫化氫腐蝕等)，主要考慮雙相鋼SA2205(S31803)、321、347、316L及超級奧氏體不銹鋼等材料。

2 壓力容器選材的主要考慮因素

根據(jù)多年從事工程項目設(shè)計及管理的經(jīng)驗，工藝設(shè)備應(yīng)在對工藝條件和材料制造、供貨等情況有充分了解的前提下合理選材。在設(shè)計階段，由工藝專業(yè)根據(jù)專利商工藝包向設(shè)備專業(yè)提供工藝設(shè)備條件表、工藝參數(shù)及設(shè)備簡圖等，設(shè)備專業(yè)根據(jù)工藝參數(shù)(如壓力、溫度)和腐蝕情況選擇適用設(shè)計標準進行設(shè)計及選材。

設(shè)備選材時應(yīng)考慮材料標準的最大厚度(如球罐標準最大限制鋼板厚度50mm，低溫材料保證最低使用溫度下沖擊功的最大厚度等)，GB150和JB4732標準對每個材料的牌號都有最大厚度限制，這和鋼廠及容器制造廠的制造能力有關(guān)。

了解國內(nèi)鋼板廠或鍛件廠的材料供貨情況，對所要選擇的材料，有目的組織有關(guān)鋼廠開展技術(shù)交流和調(diào)研，對國內(nèi)能生產(chǎn)的所需材料進行選擇。如果國內(nèi)沒有滿足設(shè)計工況的材料，應(yīng)考慮技術(shù)性、經(jīng)濟性和進度，選擇合適的設(shè)計標準和國外材料，同時需滿足國內(nèi)相對應(yīng)材料的硫磷含量、化學(xué)成分及機械性能等要求。

3 煤化工關(guān)鍵壓力容器的選材

3.1 中壓高溫壓力容器的選材

中壓高溫的壓力容器有很多，如煤制氫裝置的氣化爐、凈化裝置的變換爐、間接液化裝置中的費托反應(yīng)器、合成甲醇中的甲醇反應(yīng)器等關(guān)鍵反應(yīng)器，下面以氣化爐為例介紹選材。

氣化爐根據(jù)工藝包的不同，分為殼牌氣化爐、德士古氣化爐和魯奇氣化爐。煤的氣化是煤在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹獾倪^程，反應(yīng)時設(shè)備內(nèi)溫度高達1 000℃左右，在襯里或水冷壁的傳熱后，設(shè)備殼體金屬壁溫還有300℃左右，工作介質(zhì)主要有氫氣、氮氣、一氧化碳和二氧化碳等，壓力隨工藝包有所不同。

殼牌氣化爐是氣化單元的關(guān)鍵設(shè)備，其成本較高，沒有備用爐。殼牌氣化爐整體為h形狀，分為反應(yīng)段、氣體冷卻段和連接段，設(shè)備結(jié)構(gòu)為冷壁爐，即爐壁的溫度靠內(nèi)部盤管里溫度較低的水進行冷卻。設(shè)計壓力為5.2MPa，設(shè)計溫度為350℃(金屬壁溫)，工作介質(zhì)為氫氣、氮氣、一氧化碳和二氧化碳等，其中氫氣的含量為23%，氫分壓為1.2MPa，屬氫腐蝕環(huán)境，根據(jù)耐爾遜曲線，殼體基層材料采用SA387Gr11Cl2，復(fù)層為鎳基合金08825?？紤]殼牌氣化爐各種類型接管有300多個，故采用應(yīng)力分析設(shè)計，此設(shè)備因由國外公司進行設(shè)計及制造，設(shè)計標準為ASME VIII DIV.2。如國內(nèi)公司進行設(shè)計或制造，可采用設(shè)計標準JB4732-2005。

德士古氣化爐分為氣化室和急冷室，氣化室設(shè)計壓力7.15MPa，設(shè)計溫度425℃，設(shè)備結(jié)構(gòu)為熱壁爐，工作介質(zhì)為氫氣、氮氣、一氧化碳和二氧化碳等，其中氫氣的含量為23%，氫分壓為2.5MPa，屬氫腐蝕環(huán)境，根據(jù)耐爾遜曲線，殼體基層材料采用SA387Gr11Cl2。

魯奇氣化爐分為煤鎖、激冷室和渣鎖。渣鎖和煤鎖因壓力頻繁變化，工作壓力在0～4.6MPa之間變化，工作介質(zhì)為氫氣、氮氣、一氧化碳和二氧化碳等，設(shè)計壓力為4.6MPa，設(shè)計溫度為260℃，溫度較低不考慮氫滲透。根據(jù)JB4732-2005，這兩臺設(shè)備為疲勞容器，用強度太高的鋼對疲勞壽命不利，參考Q345R的使用業(yè)績，渣鎖和煤鎖可選用材料為Q345R。激冷室設(shè)計壓力為4.0MPa，設(shè)計溫度為55～260℃，內(nèi)有耐火磚和水夾套，壁溫小于300℃，不考慮氫腐蝕，可選用13MnNiMoR或Q345R。考慮到前者拉伸極限和屈服極限較高，可減少殼體厚度，便于制造，且使用業(yè)績較多，故激冷室殼體材料選用13MnNiMoR。

3.2 超高壓壓力容器的選材

在煤化工壓力容器中，超高壓容器主要是低密度聚乙烯管式反應(yīng)器。低密度聚乙烯生產(chǎn)工藝流程是：工藝氣體(主要為乙烯)經(jīng)二次壓縮機壓縮達到300MPa后，經(jīng)過換熱器預(yù)熱并加入過氧化物溶液達到聚合反應(yīng)條件，在反應(yīng)器內(nèi)形成聚乙烯混合物，從反應(yīng)器排出的聚乙烯混合物冷卻后進入高壓產(chǎn)品分離器分離出聚乙烯產(chǎn)品。

根據(jù)《超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，此設(shè)備壓力超過GB150(最大壓力35MPa)以及JB4732(最大壓力100MPa)的范圍，國內(nèi)沒有相應(yīng)的設(shè)計標準、制造標準和鋼材冶煉標準，即國內(nèi)不能生產(chǎn)承受這么高壓力的材料，必須選擇歐洲BASF和ASME標準中的材料。為了減輕殼體的厚度，必須減小殼體的直徑，反應(yīng)器型式為帶夾套管式反應(yīng)器(Ⅲ類壓力容器)，工藝參數(shù)見表1。

表1 低密度聚乙烯管式反應(yīng)器工藝參數(shù)

根據(jù)以上分析，在超高壓力工況下，應(yīng)采用爆破理論進行設(shè)計及選材，設(shè)計時應(yīng)進行應(yīng)力分析、疲勞分析和斷裂分析，選擇含碳量較高材料(接近中碳鋼)，材料應(yīng)經(jīng)過整體調(diào)質(zhì)處理，工作狀態(tài)下強度極限達到1GPa以上。管式反應(yīng)器制造完成后還應(yīng)進行自增強處理，反應(yīng)器的所有接口需采用螺紋法蘭連接，不能采用焊接。

目前，根據(jù)標準可選擇的有制造超高壓管式反應(yīng)器業(yè)績的材料有：K10X(30CrNiMo8)、K12X(SA723Gr3Cl3)及34CrNi3Mo等，考慮到K12X含碳量比K10X低、拉伸強度(1100～1260MPa)和屈服強度(1000MPa)比K10X高，硫磷含量比K10X低，沖擊功高和疲勞強度高，采用K12X可減輕殼體厚度，故反應(yīng)器選材為K12X。

3.3 低溫壓力容器的選材

在煤化工裝置中，為了凈化氣體，會利用甲醇低溫狀況下吸收能力強的特性，吸收合成氣中的硫化氫或者二氧化碳，甲醇洗滌塔就是重要低溫設(shè)備之一。其工作壓力由氣化工藝所需壓力決定，溫度由甲醇吸收溶解的溫度決定，設(shè)備的選材不僅要考慮強度，還應(yīng)考慮材料在低溫狀態(tài)的韌性。表2分別是采用德士古和殼牌工藝的兩套裝置的甲醇洗滌塔工藝參數(shù)。

表2 甲醇洗滌塔工藝參數(shù)

3.3.1 德士古工藝

根據(jù)德士古工藝的參數(shù)，可考慮選擇的材料是09MnNiDR、SA203Gr.D和SA203Gr.E，但是考慮到09MnNiDR的使用溫度為-70℃，溫度沒有富裕，只有從SA203Gr.D和SA203Gr.E中進行分析選擇。

如選用SA203Gr.D，采用ASME2010版設(shè)計，如采用規(guī)則設(shè)計，其許用應(yīng)力為128MPa，計算厚度為112.8mm；采用應(yīng)力分析設(shè)計，其應(yīng)力強度為170MPa，計算厚度為84.4mm[2]。

如選用SA203Gr.E，采用ASME2010版設(shè)計，如采用規(guī)則設(shè)計，其許用應(yīng)力為138MPa，計算厚度為104.5mm；采用應(yīng)力分析設(shè)計，其應(yīng)力強度為184MPa，計算厚度為77.9mm。

根據(jù)以上計算分析，如果選用SA203Gr.D，根據(jù)規(guī)則設(shè)計，計算厚度需112.8mm；根據(jù)應(yīng)力分析設(shè)計，計算厚度需84.4mm，考慮腐蝕裕度和開孔補強等因素，名義厚度可能超過ASME第II卷C篇此材料的最大厚度87mm，不滿足要求。故只能選材料SA203Gr.E，按應(yīng)力分析設(shè)計，可以滿足鋼板厚度要求，既便于制造，也節(jié)省了費用。

3.3.2 殼牌工藝

根據(jù)殼牌工藝的參數(shù)，設(shè)備處于-70℃低溫工況下，材料必須含Ni元素，壓力容器材料可選09MnNiDR，此材料的最低使用溫度為-70℃，但考慮開停車因素及設(shè)備重要性，設(shè)備壁溫有可能低于-70℃。另外，設(shè)備的操作壓力較低，上下段設(shè)計壓力都為3.8MPa，直徑為3 800mm，采用材料SA203Gr.D，通過計算設(shè)備名義厚度為62mm，滿足沖擊功27J下的最大厚度要求。

從以上低溫工況下的選材可知，由于國內(nèi)-70℃以下中厚板材料較少，只能選擇國外低溫碳鋼材料。如采用國內(nèi)奧氏體不銹鋼材料，在較高壓力下材料較厚，費用昂貴；但是如果設(shè)計壓力不高，如設(shè)計壓力小于1.0MPa，設(shè)備壁厚不大于20mm，可考慮選擇奧氏體不銹鋼材料。

3.4 疲勞壓力容器的選材

疲勞設(shè)備是指工作時壓力或溫度處于交替變化的設(shè)備，煤制氫置中的吸附塔就是一臺交變應(yīng)力循環(huán)的設(shè)備。其原理是利用工藝介質(zhì)的壓力變化，在容器內(nèi)的吸附劑作用下來吸收和解吸雜質(zhì)，提高產(chǎn)品氫氣的純度。設(shè)計壓力為3.5MPa，設(shè)計溫度為50℃，使用壽命為20年，壓力波動范圍為0.02 ～3.20MPa，壓力波動循環(huán)次數(shù)70萬次，工作介質(zhì)為氫氣、硫化氫和二氧化碳。

根據(jù)JB4732，此臺設(shè)備不滿足3.10.2.1和3.10.3.1的免除疲勞分析條款，設(shè)備除了按JB4732-2005進行應(yīng)力分析外，還需作疲勞分析，按JB4732-2005附錄C進行[3]。根據(jù)工作工況，此材料應(yīng)是壓力容器用鋼，需滿足《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中對硫磷含量的要求，有一定的強度，有較高韌性，在壓力交變狀況下不發(fā)生破壞，不能選擇含碳量高和強度特高材料，根據(jù)設(shè)計標準JB4732表6-2選材規(guī)定及吸附塔以往的使用業(yè)績，此設(shè)備材料選用Q345R(正火板)。根據(jù)壓力波動范圍，設(shè)備在工作時是低循環(huán)高應(yīng)力全脈動循環(huán)，在容器結(jié)構(gòu)變化處，存在較大的局部應(yīng)力，疲勞循環(huán)應(yīng)力強度為最大應(yīng)力的一半，所選擇的材料滿足應(yīng)力循環(huán)曲線的循環(huán)次數(shù)[3]。

3.5 高壓反應(yīng)器的選材

煤液化反應(yīng)器是煤加氫液化裝置最重要設(shè)備之一，反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)為煤、溶劑油、催化劑、氫氣和硫化氫。設(shè)備的設(shè)計壓力21.0MPa，設(shè)計溫度為480℃，設(shè)備直徑為4.8m。根據(jù)耐爾遜曲線，設(shè)備處于氫氣和硫化氫腐蝕工況，氫分壓高，1.25Cr-0.5Mo及1.0Cr-0.5Mo因內(nèi)部脫碳不能滿足要求[4]，故設(shè)備基層殼體材料考慮選用SA336F22V(2.25Cr-1Mo-1/4V)[5]，設(shè)備內(nèi)壁堆焊E309+E347復(fù)合層。初步選材后，還需選擇合適的設(shè)計理論、設(shè)備供貨渠道、配套法蘭并結(jié)合專利商的制造、現(xiàn)場組對和熱處理要求，進行材料的最終選擇。

此臺設(shè)備如果由國內(nèi)設(shè)計單位進行設(shè)計，設(shè)計標準可選用GB150(設(shè)計壓力小于35MPa)。但是上封頭和殼體的連接處、下封頭和殼體的裙座處、接管與筒體連接處，由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)，在較高壓力作用下會產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，為了分析所有設(shè)備截面(殼體和接管)的應(yīng)力，應(yīng)進行強度判定合理選擇厚度。另外，設(shè)備為含V的Cr-Mo鋼，從設(shè)備重要性角度(高溫、高壓及厚壁)考慮，為主流程上關(guān)鍵設(shè)備，故可考慮設(shè)計標準JB4732，進行應(yīng)力分析設(shè)計。

此臺設(shè)備如果由國外公司設(shè)計，設(shè)備的設(shè)計壓力大于20.0MPa，必須按ASME VIII DIV. 2(分析設(shè)計)進行設(shè)計和計算。根據(jù)相關(guān)公式計算，設(shè)備殼體厚度為334mm，因卷板機能力有限且板材較厚，質(zhì)量不能保證，故筒體應(yīng)為鍛件，整個筒體由數(shù)段鍛制筒節(jié)組焊而成。考慮當時國產(chǎn)2.25Cr-1Mo-1/4V處于研制階段，設(shè)備鍛件材料只能進口。設(shè)備由于壓力大、溫度高，考慮高溫下法蘭允許工作壓力，如采用HG20615標準法蘭，有可能泄漏，經(jīng)過深入分析設(shè)備上接管法蘭宜采用GRAYLOC法蘭。

3.6 低溫球罐的選材

乙烯是現(xiàn)代煤化工項目主要中間產(chǎn)品之一，某煤化工項目乙烯球罐的工藝參數(shù)為：

設(shè)計溫度 -45/50℃

工作溫度 -35℃

設(shè)計壓力 2.16MPa

計算壓力(最大) 2.22MPa

工作壓力 1.65MPa

腐蝕裕量 1.5mm

物料密度 447.3kg/m3

設(shè)備容積 2 000m3

設(shè)備內(nèi)徑 15 700mm

可以看出，乙烯球罐處于低溫工況，國外生產(chǎn)乙烯球罐用鋼主要為：SA537Cl1、SA662GrA/B、SA203GrA/B/C/D/E、JFE-HITEN610U2L等[5]，但由于使用國外鋼板材料費用較高，考慮近些年采用國產(chǎn)板材制造乙烯球罐業(yè)績較多，為節(jié)約投資乙烯球罐擬采用國產(chǎn)板材。國內(nèi)制作球罐的板材主要有Q245R、Q345R、16MnDR、Q370R、09MnNiDR、07MnNiMoDR等[6]，查GB150-2011表4，只有09MnNiDR和07MnNiMoDR滿足-45℃以下使用溫度要求，可作為乙烯球罐的初選材料，下面計算在設(shè)計工況下這兩種材料的計算厚度。

由于09MnNiDR材料的名義厚度(58mm)超過GB12337規(guī)定的球殼鋼板的厚度上限(50mm)，考慮球罐板為雙向曲面，鋼板厚度超過50mm成形較難、現(xiàn)場施焊量大，故選擇07MnNiMoDR作為乙烯球罐用鋼，其鋼板厚度只需42mm。

4 結(jié)束語

通過煤化工裝置關(guān)鍵設(shè)備的選材案例，結(jié)合從事煤化工裝置設(shè)計及設(shè)備管理經(jīng)驗，設(shè)備選材和工藝參數(shù)、國內(nèi)外鋼材冶煉水平、經(jīng)濟性、運輸、制造及檢驗等密切相關(guān)。目前這些關(guān)鍵壓力設(shè)備都已運行3年以上，沒有發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，確保了裝置的長周期穩(wěn)定運行。

[1] GB150-2011, 壓力容器[S]. 北京:中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,2011.

[2] JB4710-2005,鋼制塔式容器[S]. 北京:國家發(fā)展和改革委員會,2005.

[3] JB4732-2005, 鋼制壓力容器分析設(shè)計標準[S]. 北京:全國壓力容器標準化技術(shù)委員會, 2005.

[4] 譚立平. 合成氣變換爐的選材和應(yīng)用[J]. 化工機械, 2013, 40(6)：825～828.

[5] ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范II. 材料. A篇: 鐵基材料(中文版)[S].北京：中國《ASME規(guī)范產(chǎn)品》協(xié)作網(wǎng)，2010.

[6] GB12337-1998,鋼制球形儲罐[S]. 北京:中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 1998.

MaterialSelectionMethodforkeyPressureVesselsinCoalChemicalPlant

TAN Li-ping, YIN Tian
(BeijingEngineeringCompany,ChinaShenhuaCoaltoLiquidandChemicalCo.,Ltd.)

Basing on the experiences in designing and managing the equipment in coal-to-oil and coal chemical projects, the principles of selecting the materials for key pressure vessels were analyzed; and through complying with the design codes and realizing the design targets, the ideal design scheme was determined which can meet the requirements of both stability and safety and can reduce the cost.

pressure vessel, reactor, coal chemical, coal-to-oil, material selection

譚立平(1962-)，高級工程師，從事煤化工裝置設(shè)計及設(shè)備管理工作，tanliping1@126.com。

TQ053.2

A

0254-6094(2017)02-0121-05

2016-05-18，

2016-06-03)