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石化设备大型化―压力容器行业的机遇和挑战

文章出处:未知 人气:发表时间:2020-06-09 19:38
为满足石化装置规模效益的需要,石化设备日益向大型化发展,相应地对压力容器的用材、设计、制造、检验、运输和安装都提出了新的要求,也可以说是对压力容器行业提出了新的挑战和机遇。由于本人多年从事炼油设备开发设计工作,故仅以炼油设备为代表阐述石化设备大型化的意义、现状及发展前景。
 
一 炼厂规模和炼油装置大型化是世界性的趋势
 
        炼厂规模大型化实际上是炼油厂发展的一个重要趋势。早在60年代初期,世界上炼油业发达的国家就已开始逐渐进行炼厂大型化。出现了以美国埃克森公司的贝汤炼厂和维尔京群岛的圣克罗依炼厂为代表的大型化炼油厂。到了80年代后期,因炼厂利润降低以及激烈的市场竞争,使炼厂大型化更为人们所关注。
 
        炼厂大型化之所以成为一种世界性的趋势,其原因是大型化具有明显的优越性。根据美国能源部的资料报导,建设1座1000万吨/年炼厂和2座500万吨/年炼厂相比,其投资可节约20%左右,生产人员可减少16人/100万吨/年,提高劳动生产率21%。1座1000万吨/年炼厂和4座250万吨/年炼厂相比较,加工费用可减少US$0.15/m3。另据前苏联研究报告,1座1200万吨/年炼厂与2座600万吨/年炼厂相比,其生产成本可降低12%-15%。
 
        据美国“OGJ”杂志2001年1月1日统计,世界上现共有742座炼厂,原油蒸馏总能力达40.62亿吨/年,规模最大的炼厂是委内瑞拉帕拉瓜纳炼制中心的炼厂,其原油加工总能力为4700万吨/年。在这742座炼厂中,加工总能力超过2000万吨/年的有15座
 
        在我国目前127座炼厂中,加工能力在100万吨/年以上的有50座,加工能力在500万吨/年以上的只有27座。据1999年底统计,中国石化集团公司拥有的35座炼厂中,1000吨级的炼厂有4座,500吨级的炼厂有14座。
 
        随着炼厂规模大型化,炼厂内各单元装置也超于大型化。表2汇总了世界最大的典型炼油装置的能力。
 
        我国最大的原油蒸馏装置加工能力为800万吨/年,最大的催化裂化装置加工能力为350万吨/年,最大延迟焦化装置加工能力为100万吨/年,最大加氢裂化装置加工能力为150万吨/年,最大的渣油加氢脱硫装置(RDS)加工能力为200万吨/年。有一些加工能力更大的炼油装置正在设计中或规划中。
 
二 炼油设备大型化势在必行
 
        1、 设备大型化的必要性。要充分体现炼厂规模和炼油装置大型化的优势,首先要实现炼油设备的大型化,否则将是“无米之炊”。使用大型化的单元设备与较小的单元设备相比由于制造成本、占地面积、管线阀门等诸多因素的影响具有明显的综合经济效益。例如,某一个储量为60万米3的油库,采用4个15万米3的贮油罐方案可比采用6个10万米3贮油罐方案节省投资1475万元;某一套100万吨/年延迟焦化装置,选用2台直径为8400mm的焦炭塔比采用4台直径为6000mm焦炭塔可节省投资880万元。
 
        石化设备大型化,也有利于制造单位提高年产值,降低成本,增加经济效益。例如,某制造厂承接1台单重1000吨的石化设备与同时承接2台单重500吨的石化设备相比,总订购价大体相当。但是制造1台大设备所用的材料和加工费用要比生产2台较小设备少得多,估计仅为60-70%。这就意味着利润要提高30-40%。换个角度来看,同类设备无论规格大小,其制造工序、制造周期基本相同,真所谓“麻雀虽小,五脏俱全“。这样,一个制造厂在用户通常要求的交货期内,能制造完1台大型设备,就可能制造不完总重相当的2台较小的同类设备。也就是在同样时间段内创造不了同等的产值和效益。从这两方面不难看出,努力掌握生产大型石化设备的技术,具备与此相配套的生产能力是制造厂一个新的显著的经济效益增长点。因此,必须牢牢抓住这一机遇。
 
        2、大型化炼油设备现状。当今国内外在炼油设备大型化方面已有了很大发展,下面举出几个典型的炼油设备情况来说明,见表3。
 
        3、对特大型炼油设备的需求 目前我国正在进行工程设计或处于审批阶段的大型炼油和煤液化项目中,将需要一批特大型石化设备,举例如下:
 
        • 15万米3~20万米3原油贮罐
 
        • 直径9.4米~10.6米的焦炭塔
 
        • 直径14米~15米的催化再生器
 
        • 直径12~16米的减压分馏塔
 
        • 直径4.8米,重量约1900吨的煤液化加氢反应器(已开始制造)
 
        这些超大型设备无论在用材方面,还是在设计和制造方面都有很大难度,需要多方配合才能得以实现。
 
三、炼油设备大型化给压力容器行业提出的新要求
 
        1、对材料的要求。设备大型化首先要求强度高的材料,这样才能使容器壁厚不致太厚,尽可能不超过当前制造条件允许的厚度;重量尽量减轻以便于运输和安装。为了满足油罐和大型压力容器的要求,日本的一些钢铁公司早就成功地开发了调质高强钢板SPV490Q。新日铁公司的WELTEN610和NKK公司的NK-HITEN610等钢号都属于这一类型,这些高强钢在世界范围内得到了广泛应用。近年来,我国武汉钢铁公司也开发了WH610D2调质高强钢板,其主要性能指标已达到了国外同类钢板的水平,并在4台10万米3的油罐上得以使用(见图片3)。舞阳钢铁公司也开发了WY610D调质高强钢,但尚无使用业绩。国产高强钢由于开发时间较晚,尚需在推广使用过程中不断总结经验,不断改进提高,并应着手开发强度级别更高的钢材。
 
        对于 加氢反应器用材,直到90年代,国内外普遍采用普通的2.25Cr-1Mo钢,但由于反应器直径逐渐增大,其壁厚有的已达300mm以上,急切要求强度更高一些的材料。因此,作为原因之一,从80年代开始,国际上就着手研制用钒改进的Cr-Mo钢来代替普通的2.25Cr-1Mo钢来制造大型加氢设备。现已开发成功的3Cr-1Mo-0.25V和2.25Cr-1Mo-0.25V钢已制造了几十台加氢设备,并且大部分已投入使用。由于改进型Cr-Mo钢设计应力强度比普通的2.25Cr-1Mo钢高8-10%,因此其设备重量也可近似降低8-10%。这对小型设备来说似乎是无足轻重的,但对大型反应器来说情况就不同了。例如,一台1500吨的反应器,减轻重量8%就是120吨,按一般销售价每吨6万元计算,就可节省720万元。再考虑运输和吊装方面的好处,其意义就十分可观了。
 
        国内,以中国第一重型机械集团公司为首的课题组,也在消化吸收国外先进技术的基础上开发出了国产3Cr-1Mo-0.25 V和2.25Cr-1Mo-0.25V二个钢号,用这些钢材制造的加氢反应器都陆续地投入了使用。满足了工艺要求,顶替了进口。在主要性能指标上都已达到了国外相关钢材标准要求和同类产品的实际水平。但在钢材的纯净度和性能均匀性方面还有一定的差距。特别是近年来美国石油学会(API)出版了API934标准,对Cr-Mo钢的纯净度,冲击韧性,焊接性能等方面提出了许多更高的附加要求。因此,我们尚需进一步开展必要的研究工作,以便能跟上世界在该领域的前进步伐。只有这样,我们才敢与国外同行论仲伯比高低。
 
        2、对设计技术的要求。为了尽量减轻设备的重量和确保使用安全性,对大型承压设备往往需要采用以应力分析为基础的设计方法。有的整体设备需要按分析设计规范进行设计,如加氢反应器等;有的设备就其总体而言可按常规设计规范进行设计,但其局部需进行详细的应力分析,如某些大型立式容器的支座与筒体连接处,大开孔补强等等。
 
        大型压力容器采用分析设计方法具有明显的经济效益。例如,一个单重1000吨的加氢反应器按分析方法设计比常规方法设计可减轻设备重量约20%,节省投资1000-1200万元。显而易见,对于这样的设备,没有一个用户会允许设计单位按常规的方法进行设计。当然,要进行这样的设计,设计单位就需要具有较高技术水平的人员和先进的技术装备。我国已有很多单位取得了压力容器分析设计的资格,但开展分析设计项目并不普遍,有待进一步推广,以使我国压力容器的设计水平前进一步。
 
        3、对制造技术的要求。大型设备就意味着规格大、器壁厚、重量大以及制造难度大和工作量大,因此迫切要求先进的、高效的制造技术。
 
        1)先进、高效的焊接技术 例如一台大型贮罐,焊缝总长度几千米,提高焊接速度是保证按期完工的关键因素。因此,罐体圈板的纵焊缝广泛采用一次成形的气电立焊(EGW)技术,环焊缝采用埋弧自动焊横焊技术。再比如大型加氢反应器,其壁厚可达300mm以上,一条焊缝要焊几十道,甚至上百道,其焊接工作量之大是可想而知的。为减少焊接工作量,提高焊接速度广泛采用窄间隙单丝或双丝埋弧自动焊方法。目前我国很多承担大型油罐建造的施工单位掌握了一次成形的气电立焊技术,并购置了相应焊接设备。而承接大型石化设备的制造厂基本上都能熟悉地使用窄间隙单丝埋弧焊技术,但对窄间隙双丝埋弧焊技术使用得还较少。据报导[1],安庆石化机械厂已在多台厚壁容器的制造中采用了窄间隙双丝埋弧焊技术。中国第一重型机械集团公司为制造我国神华集团煤液化项目中2台单重1900吨的加氢反应器,也正在积极试验窄间隙双丝埋弧焊方法,并已取得了很大进展。
 
        2)锻件空心浇注技术 大型加氢反应器绝大多数采用锻焊结构,其筒形锻件坯料的生产,国外一些公司采用空心浇注技术,而国内只能采用整体浇注技术。前者具有成材率高,加工量小,成本低的优点,表现出强大的市场竞争力。据说国内也已着手这一技术的开发,为了增加国内制造厂的经济效益和企业后劲,应加大开发力度,尽快攻下这一技术难关。争取占有更多的大型筒形锻件市场份额。
 
        3)现场组装技术 对于某些大型加氢反应器由于运输条件的限制,已不能完全在制造厂内制造,只能在制造厂先制成几部分,然后再在使用现场进行组焊。这样, 由于生产条件发生了很大变化,给制造带来了很多困难。要完成现场组焊,需要解决现场起吊、装配、热处理和检测等一系列问题,既有提高技术水平的问题,也有增加装备的问题。国外某些制造厂,如日本制钢所(JSW),早已开发了大型加氢反应器现场组焊技术,并且在加拿大等地创造了不少业绩。我国第一重型机械集团公司,虽然也为燕山石化公司在现场组焊过2台加氢反应器,但尺寸、重量都较小,装备也不很配套。现该公司正加紧准备,计划2003年上半年,要在大庆石化公司现场再组焊2台500吨级的加氢反应器。这样,便可使现场组焊技术更加成熟和完善。
 
        现场组焊技术中很重要的一项是热处理,过去很多设备不敢大型化主要是害怕热处理。如焦炭塔采用碳素钢,且限制塔径,其主要目的是控制壁厚不超过规范允许的不进行热处理最大厚度,38 mm。进年来国内作了不少有意的尝试,如,江苏吴县热处理公司采用电热带式热处理装置对金山石化公司Ф8400mm和高桥石化公司Ф8800 mm各2台15CrMoR材质的焦炭塔进行了现场焊后热处理。这些设备都已先后投入了使用。也有人打算采用体内直接燃烧的加热方式对焦炭塔进行现场热处理,现尚未付诸实践。这二种方式在加热均匀性和效果方面都还有待改进和提高。
 
        4)无损检测技术 设备规格越大,器壁越厚,检测方法的可行性、可靠性和效率就显得格外重要。如我国正在设计中的煤液化加氢反应器,内径4800mm,切线间长度34500mm,壁厚344mm。通常,这类设备的焊接接头是要求100%射线检测的。这样大的设备超过了整体运输的界限,肯定要在现场组焊。其焊接接头的射线检测是难以实现的,由于防护条件的限制,可能会给环境和工作人员的身体健康造成很大的危害。另外,从检验结果的可靠性来看,很多专家都认为,对于厚壁容器,采用超声检测比射线检测更安全。因为射线检测最容易发现的是对设备安全操作危害不太大的体形缺陷。而超声检测则对危险性大的线性缺陷具有较高的灵敏度。
 
        现在,国际上,随着自动化超探技术的快速发展,很多压力容器建造规范已逐渐允许在压力容器制造中使用超声检测代替射线检测。如美国ASME Code Case 2235,英国BS7706和欧洲PrEN583-6。根据这些标准,美国、日本和欧洲的一些压力容器制造厂无论是在厂内,还是在现场组焊的大型、厚壁压力容器上都经常使用自动化超探方法代替射线方法对焊接接头进行无损检测。
 
        我国第一重型机械集团公司正在与国家质量技术监督局锅炉压力容器检测中心和加拿大RD/TECH公司合作开展《自动化超声波检验技术在三类压力容器厚壁环焊缝无损检验中的应用》的研究。该课题拟使用RD/TECH公司生产的四通道探伤设备u TOMO SCAN,以及超声扫描成像技术(TOFD)。《全国压力容器标准化技术委员会》非常关心和支持这一课题。按计划,该技术将首次用在大庆石化公司2台现场组焊的加氢反应器上。
 
四 结语
 
        1、石化设备大型化无论对石化企业,还是对设备制造企业都具有明显的经济效益。但要实现石化设备大型化会对压力容器行业提出许多新课题。也可以说提供了一个新挑战和机遇。因此,要求全行业相互配合,协调动作,迎接这一挑战,以此为动力提升全行业的整体技术水平。
 
        2、由于大型石化设备的特点,有时需要采用一些新型材料,特殊结构以及特殊的制造和检验方法,可能超过现有规范的范围。如前面提到的近年来国内开发的高强钢、抗氢钢等在大型设备上的应用以及厚壁压力容器现场组焊中用TOFD超声检测代替射线检测等都属于这一范畴。在这些方面;“容标委“都已给予和正在给予大力支持,解决了很多实际问题。希望今后一如既往,继续提供必要的支持和帮助。
 
        3、近年来,压力容器材料生产厂、开发出了一批适用于大型石化设备的高强钢和抗氢钢,主要技术指标接近或达到了国外同类产品的实际水平,填补了国内空白,今后尚应不断进行改进和提高现有钢材产品质量,并着手开发强度级别更高的钢材以满足更大型的石化设备的需要。
 
        4、压力容器设计单位采用先进的设计手段,如分析设计方法,完成了一些大型石化设备的设计,取得了较好的效果。今后,对于某些特殊的设备或特殊结构还应借助一些更新的设计思想,如风险工程设计准则等等,以使我们的石化设备设计踏上一个新台阶。
 
        5、制造安装单位已成功地制造安装了多台以千吨级加氢反应器为代表的大型石化设备,在制造过程中采用了很多先进的设备和先进的制造技术,取得了很好的效果,满足了用户要求。今后若条件许可尚应增加一些大型加工和运输吊装用装备,同时应进一步强化质保体系,严肃工艺纪律以保证产品质量不断提高。
 
        6、最后一点,也是最重要的一点,在压力容器行业里应加强技术交流,加强技术培训,造就一批既具有较高技术水平和丰富工程经验,又愿意对压力容器事业作出奉献的科技人员,归根结蒂奇迹是由人来创造的。
 
        总之,石化设备大型化,不是单靠那一个工厂,那一个部门就可以实现的,而是关系到我们整个压力容器行业的一件大事,必许通过全行业的共同努力,才能使我国大型石化设备的技术和生产能力尽快赶上或超过世界先进水平,除能满足国内日益发展的石化工业的需要外,还能冲出国门,闯进国际市场,创造更大的经济效益,让我们为在世界各地的大型石化设备的铭牌上都能看到“Made in China”而自豪吧!

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