海外非標(biāo)設(shè)備催化再生器內(nèi)燃法整體熱處理技術(shù)

張 東，王 吉，吳 俊，王 超

中國(guó)石油天然氣第七建設(shè)有限公司，山東青島 266061

哈薩克斯坦PKOP奇姆肯特?zé)捰蛷S，是哈國(guó)三大煉油企業(yè)之一，該廠為上世紀(jì)80年代所建，由于工藝落后決定對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造，并以恢復(fù)產(chǎn)能（600萬(wàn)t/a）、提高加工深度、改善環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)。該改造項(xiàng)目共涉及13套裝置，由中國(guó)石油工程建設(shè)公司進(jìn)行EPCC總承包。其中，新建的200萬(wàn)t/a重油催化裝置為最大的核心裝置，該裝置中大型非標(biāo)設(shè)備再生器的施工最為關(guān)鍵，由于再生器質(zhì)量和形體大，采用分片運(yùn)輸，組焊完成后需對(duì)其錐段進(jìn)行整體熱處理[1-7]。

1 再生器參數(shù)和熱處理部位確定

再生器材質(zhì)為Q345R，總長(zhǎng)40.35 m，形態(tài)為上大下小，上部筒體直徑為10.7 m，壁厚28 mm，下部筒體直徑為7.3 m，壁厚為56/60/30 mm，中間錐段長(zhǎng)2.62 m，壁厚56 mm，設(shè)備分片運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)組焊為四段后逐段吊裝就位，如圖1所示。

圖1 再生器分段示意

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)吊裝能力等情況，確定對(duì)再生器錐段（第Ⅱ段）進(jìn)行整體熱處理，該部位總長(zhǎng)14.445 m、質(zhì)量152 t。第Ⅰ段和第Ⅳ段（上封頭）作為密封構(gòu)件參與熱處理。待熱處理完畢后摘下上封頭，安裝第Ⅲ段和內(nèi)件等，最后再重新安裝上封頭。

2 熱處理目的

消除再生器熱處理段在組裝和焊接中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定幾何尺寸；進(jìn)一步釋放焊縫中的有害氣體，預(yù)防焊縫氫脆和裂紋的發(fā)生；改善焊接接頭和熱影響區(qū)的組織性能，降低硬度，提高塑、韌性，達(dá)到延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的目的。

3 熱處理工藝

（1）再生器熱處理系統(tǒng)組成。根據(jù)方案，采用內(nèi)部燃油法對(duì)再生器錐段整體實(shí)施熱處理。熱處理系統(tǒng)由測(cè)溫系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)和熱處理控制中心組成，如圖2所示。

圖2 熱處理組成系統(tǒng)

（2）熱處理施工流程。設(shè)備在正式基礎(chǔ)上進(jìn)行熱處理，熱處理施工流程如圖3所示。

（3）熱處理工藝參數(shù)。再生器（第Ⅱ段）熱處理工藝參數(shù)見(jiàn)表1，熱處理工藝曲線見(jiàn)圖4。

4 熱處理具體執(zhí)行措施

4.1 熱處理設(shè)備主體安裝

圖3 熱處理施工流程示意

表1 再生器（第Ⅱ段）熱處理工藝參數(shù)

圖4 熱處理工藝曲線

（1）首先，把再生器筒體（第Ⅰ段）吊于正式基礎(chǔ)上，并進(jìn)行找正，地腳螺栓初緊即可。其次，把底部密封蓋吊于筒體內(nèi)，并固定在熱處理段下部焊縫位置向下300 mm處。再次，吊裝錐段及附帶的筒節(jié)（第Ⅱ段）并進(jìn)行組焊，無(wú)損檢測(cè)合格后再吊裝封頭（第Ⅳ段）進(jìn)行斷續(xù)焊（隔500mm焊100mm）固定，用保溫棉填充縫隙。最后，焊接8塊限位板，防止封頭產(chǎn)生較大滑動(dòng)。

（2）上封頭與再生器筒體定位后，可根據(jù)情況加保溫棉進(jìn)行密封，并利用上封頭頂部出口B02加蓋過(guò)渡盲板，并在過(guò)渡盲板中央開(kāi)一個(gè)直徑500 mm的圓孔，加設(shè)煙囪，煙囪高度為1.5 m；然后用硅酸鋁針刺毯對(duì)整個(gè)熱處理部位進(jìn)行外部絕熱，下部絕熱至熱處理部位向下0.5 m處，上封頭、殼體及下部密封蓋組成爐膛。

（3）在爐子下部配備一臺(tái)全自動(dòng)燃燒器，燃燒器通過(guò)噴嘴將輕柴油噴出并霧化點(diǎn)燃，通過(guò)風(fēng)機(jī)送風(fēng)助燃。風(fēng)管、油管通過(guò)最底部再生器主風(fēng)進(jìn)口B30設(shè)置臨時(shí)過(guò)渡法蘭送入。風(fēng)管伸入塔體內(nèi)11.5 m左右，在風(fēng)管外部制作一個(gè)直徑為1 m的圓環(huán)，與風(fēng)管連接。利用內(nèi)部米字支撐加設(shè)扁鋼設(shè)置成錐形過(guò)渡段，在上鋪設(shè)一層鐵絲網(wǎng)，在鐵絲網(wǎng)上鋪設(shè)保溫棉，最終制成一個(gè)臨時(shí)錐形封頭。

（4）由于熱處理段與裙座相隔較遠(yuǎn)，因此對(duì)裙座的熱影響很小，裙座處不采取防膨脹措施，地腳螺栓用手?jǐn)Q緊即可。

4.2 熱處理保溫施工

再生器熱處理保溫施工應(yīng)在熱處理段的下口再向下500 mm處開(kāi)始，自下而上進(jìn)行，并將外露的接管及法蘭等用盲板封閉后包裹在內(nèi)。

4.2.1 保溫鋼帶制作和安裝

熱處理保溫施工前，提前預(yù)制保溫鋼帶，由厚4 mm、寬30 mm的扁鋼制成，然后將保溫鋼帶點(diǎn)焊在設(shè)備外壁上。保溫鋼帶每隔300～400 mm均勻焊接φ6 mm×120 mm的保溫釘，保溫釘可用圓鋼切割而成。

鋼帶沿筒體軸向均布，鋼帶與殼體緊貼，相鄰兩圈間的最大間距為500 mm。同時(shí)，沿徑向每隔3 000 mm布置一圈鋼帶，且點(diǎn)焊在軸向分布的鋼帶上。保溫鋼帶布置見(jiàn)圖5。

圖5 保溫鋼帶布置

4.2.2 保溫棉施工

保溫層厚度100 mm，選用50 mm厚的硅酸鋁刺毯分兩層敷設(shè)，相鄰保溫毯間至少搭接150 mm，自下而上逐層進(jìn)行，兩層保溫毯搭接縫錯(cuò)開(kāi)100 mm以上，用18#鐵絲固定牢靠，外層用0.7 mm×19 mm的打包鋼帶進(jìn)行固定，保溫棉與壁板貼緊，熱處理過(guò)程中，絕熱層不能松動(dòng)或脫落。封頭保溫如圖6所示。

圖6 封頭保溫示意

4.3 爐膛底部倒錐蓋頭制作

爐膛底部需制作倒錐蓋頭進(jìn)行密封，采用φ12 mm的鋼筋進(jìn)行制作，在其上鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)及100 mm厚的保溫棉，在上封頭吊裝前送入爐膛規(guī)定部位進(jìn)行固定。

4.4 燃燒器及監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)熱工計(jì)算選用YQ-1600型燃燒器，及其配套的供油系統(tǒng)。

4.5 測(cè)溫系統(tǒng)施工

熱處理過(guò)程的溫度測(cè)量和控制由熱電偶（K型鎳鉻-鎳硅）、補(bǔ)償導(dǎo)線（K型雙芯線） 和一套DCS型集散控制系統(tǒng)完成。

熱處理溫度監(jiān)測(cè)配置兩套系統(tǒng)，一套是每臺(tái)可記錄24個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的EH100-24型長(zhǎng)圖自動(dòng)平衡記錄儀1臺(tái)；一套是計(jì)算機(jī)集散型溫度監(jiān)控系統(tǒng)，以每3 s一點(diǎn)的掃描速度循環(huán)監(jiān)測(cè)各點(diǎn)溫度，通過(guò)與熱處理工藝曲線的比對(duì)為控制燃燒器的供油量及風(fēng)油比提供參考。另外系統(tǒng)還可每30 min輸出一份溫度巡檢記錄，恒溫時(shí)每間隔15 min輸出一份溫度巡檢記錄。

采用儲(chǔ)能式熱電偶點(diǎn)焊機(jī)將熱電偶焊固在兩器外壁焊縫附近。在熱處理過(guò)程中往往因外力或操作不慎造成熱電偶折斷，又因高溫期間無(wú)法補(bǔ)焊和修復(fù)，故對(duì)產(chǎn)品試板、人孔等關(guān)鍵部位采用雙熱電偶以備發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)更換，設(shè)備筒體上每節(jié)多布置1～2點(diǎn)作為備用。補(bǔ)償導(dǎo)線應(yīng)妥善固定，以防燒毀。

再生器熱電偶布置如圖7所示。上封頭布置7個(gè)點(diǎn)；錐段布置一圈，共14個(gè)點(diǎn)；10.7 m筒體均勻布置一圈，共8個(gè)點(diǎn)；7.3 m筒體布置兩圈，共12個(gè)點(diǎn)；產(chǎn)品焊接試板布置2個(gè)點(diǎn)，共43個(gè)點(diǎn)。

圖7 再生器熱電偶布置示意

4.6 熱處理能耗

根據(jù)熱工計(jì)算，本次總耗能量為4 357 626×107J/h，選用YQ-1600型燃燒器，其最大燃燒能力產(chǎn)生的熱量為66 976×109J，大于4 357 626×107J，因此滿足供熱需求。本次再生器熱處理最大耗油量為918 L/h，熱處理耗油量約為7.5 t，故采用容量為10 t的儲(chǔ)油罐。

4.7 排煙及管口保護(hù)系統(tǒng)

采用單孔排煙，排煙口煙囪高1.5 m。煙囪由φ500 mm鋼管制作或用厚度為3 mm的鋼板卷制。

熱處理時(shí)除煙囪外，為減少法蘭密封面的氧化和變形，所有法蘭口和接管皆用盲板與保溫棉進(jìn)行密封，將保溫棉墊于法蘭面與盲板之間，大于DN200的大管口設(shè)置盲板，并用螺栓固定，其他管口可用臨時(shí)盲板進(jìn)行密封，用鐵絲固定即可。為保證大接管加厚部位的溫度能達(dá)到熱處理溫度，應(yīng)在盲板中央通孔。

4.8 焊接試板

產(chǎn)品試板與其設(shè)備熱處理同時(shí)進(jìn)行。熱處理前產(chǎn)品試板點(diǎn)焊固定在即將熱處理的設(shè)備外壁并與之緊密接觸，同時(shí)用電加熱片進(jìn)行補(bǔ)償加熱。嚴(yán)格控制熱處理過(guò)程，以保證與設(shè)備本體熱處理工藝參數(shù)相同。產(chǎn)品試板的測(cè)溫點(diǎn)設(shè)置在試板的外側(cè)，而不得設(shè)置在試板與設(shè)備外壁之間。

4.9 再生器熱處理過(guò)程中的型態(tài)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

再生器熱處理過(guò)程中，隨著塔體溫度的升高塔體會(huì)出現(xiàn)膨脹，塔體徑向和軸向的膨脹量根據(jù)以下公式算出：

式中：α為材料的線膨脹系數(shù)，取0.000 014 6℃；D為筒體直徑，mm；t為加熱溫度，℃。

式中：α為材料的線膨脹系數(shù)，取0.000 012 8℃；H為筒體標(biāo)高，mm；t為加熱溫度，℃。

經(jīng)計(jì)算，軸向位移L軸向?yàn)?2 mm，徑向位移L徑向?yàn)?10 mm。監(jiān)測(cè)熱處理過(guò)程中徑向和軸向的膨脹，并做好記錄。

4.10 預(yù)留間距

再生器軸向膨脹時(shí)上部能夠自由位移，禁止設(shè)備上的物件與地面或外部固定的物體剛性連接。徑向最大膨脹量為110 mm，要求其內(nèi)外部件與設(shè)備內(nèi)外壁相距至少200 mm。外部腳手架桿的搭設(shè)應(yīng)加上保溫層厚度100 mm，與設(shè)備外壁相距至少300 mm。

4.11 熱處理操作注意事項(xiàng)

（1）恒溫時(shí)將風(fēng)油比適當(dāng)調(diào)整，以控制恒溫溫度區(qū)間在要求范圍內(nèi)，恒溫過(guò)程結(jié)束后，可重新調(diào)整風(fēng)油比或根據(jù)實(shí)際情況關(guān)閉油泵，停止輸送燃料油，采用自然降溫，或只保留風(fēng)機(jī)運(yùn)行，使其溫度降低。

（2）操作過(guò)程中，如果霧化器點(diǎn)燃后出現(xiàn)爆燃聲音或熄火，則說(shuō)明燃料油或壓縮空氣中含水量過(guò)大，應(yīng)排除燃料油和壓縮空氣中的水分，或者將燃料油加熱后再使用。

（3）熄火后，再次點(diǎn)火升溫時(shí)，操作步驟與初次點(diǎn)火相同。

（4）當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)大雨等惡劣天氣原因致使熱處理不能按工藝要求正常進(jìn)行時(shí)，中止熱處理工作，待天氣好轉(zhuǎn)后再進(jìn)行。

5 熱處理后的質(zhì)量檢查和評(píng)定

5.1 熱處理后的質(zhì)量檢查

現(xiàn)場(chǎng)組焊設(shè)備熱處理后，按要求對(duì)A、B、D焊縫進(jìn)行硬度檢測(cè)，每條焊縫檢測(cè)一處，每處取5點(diǎn)進(jìn)行（如圖9所示），即焊縫區(qū)、兩側(cè)熱影響區(qū)、兩側(cè)母材區(qū)各測(cè)一點(diǎn)，硬度值應(yīng)≤200 HBW，如有不合格，允許重新打磨后再檢測(cè)。

圖9 熱處理后硬度檢測(cè)示意

5.2 熱處理后的質(zhì)量評(píng)定

熱處理后必須滿足下列要求才能判定為合格，否則應(yīng)重做：

（1）熱處理過(guò)程無(wú)異常，設(shè)備沒(méi)有明顯變形。

（2）熱處理曲線符合工藝要求，升、降、恒溫沒(méi)有異常。

（3）熱處理后每條焊接接頭硬度檢測(cè)符合要求，如出現(xiàn)超值時(shí)允許再次選擇點(diǎn)進(jìn)行，如還不合格，則判定為不合格。

6 質(zhì)量重點(diǎn)控制點(diǎn)

（1）熱處理保溫層開(kāi)始敷設(shè)前至熱處理結(jié)束的整個(gè)過(guò)程中應(yīng)做好防風(fēng)、防雨及防雷措施，并確保使用的保溫層干燥、完整和連續(xù)。

（2）設(shè)備接管法蘭面用保溫材料進(jìn)行覆蓋，防止產(chǎn)生氧化層，影響密封面質(zhì)量。

（3）產(chǎn)品焊接試板安放在兩器外壁，并盡量保證與設(shè)備外壁緊貼。熱處理過(guò)程中須采用熱補(bǔ)償方式使產(chǎn)品試板與設(shè)備同步進(jìn)行。

（4）熱處理過(guò)程中，如發(fā)生上、下溫差較大時(shí)，可調(diào)整火焰狀態(tài)；徑向產(chǎn)生溫差，可調(diào)整燃燒器噴嘴的傾斜角度，以進(jìn)行校正。

（5）熱處理過(guò)程中，與兩器有連接的金屬構(gòu)件及半徑20 m范圍內(nèi)應(yīng)禁止產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)的作業(yè)（如焊接作業(yè)）進(jìn)行。

（6）熱處理操作人員應(yīng)充分利用熱處理控溫設(shè)備的軟件監(jiān)視功能，嚴(yán)密監(jiān)視熱處理設(shè)備的溫差告警，因設(shè)備受熱變形而導(dǎo)致的保溫結(jié)構(gòu)失效要及時(shí)修補(bǔ)。

（7）嚴(yán)禁在已熱處理完的兩器壁上再進(jìn)行焊接作業(yè)。

7 施工應(yīng)急措施

（1）熱處理施工過(guò)程中如果突然出現(xiàn)5級(jí)及以上大風(fēng)時(shí)，應(yīng)立即搭設(shè)防風(fēng)措施，否則應(yīng)停止高空作業(yè)。如大風(fēng)影響熱處理溫度變化超過(guò)工藝要求時(shí)，應(yīng)立即停止熱處理作業(yè)，待大風(fēng)停止后重新再進(jìn)行熱處理。

（2）如遇大雨等惡劣天氣致使熱處理工作不能正常進(jìn)行時(shí)，應(yīng)中止熱處理工作，待天氣轉(zhuǎn)好后重新進(jìn)行。

（3）熱處理過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)熱處理部件變形可能影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)，發(fā)現(xiàn)人員應(yīng)立即向指揮小組報(bào)告，指揮小組根據(jù)情況采取減少變形措施，如情況嚴(yán)重時(shí)立即停止熱處理作業(yè)，待問(wèn)題得到解決后再進(jìn)行熱處理。

（4）熱處理過(guò)程中需有備用電源，以保證在停電條件下不影響熱處理作業(yè)。

8 結(jié)束語(yǔ)

再生器為重油催化裂化裝置核心設(shè)備，由于在國(guó)外進(jìn)行施工，運(yùn)輸條件受限、可依托資源差等原因，只能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分片組焊，并由于外形尺寸大、質(zhì)量要求高及處理費(fèi)用等原因不能采用傳統(tǒng)的電加熱和爐內(nèi)熱處理等方法，只能采用內(nèi)部燃油法進(jìn)行整體熱處理。再生器設(shè)備熱處理的成功實(shí)施為裝置的順利完成提供了必要保障，并為今后同類設(shè)備的熱處理施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1]壓力設(shè)備工業(yè)安全運(yùn)行保障規(guī)程[S].

[2]TSG R0004-2009，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[3]GB150.1-4-2011，壓力容器[S].

[4]NB/T47015-2011，壓力容器焊接規(guī)程[S].

[5]NB/T47041-2014，塔式容器[S].

[6]GB/T30583-2014，承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程[S].

[7]SH/T3601-2009，催化裂化裝置反應(yīng)再生系統(tǒng)設(shè)備施工技術(shù)規(guī)程[S].