高压加氢装置阀门的工况要求及技术分析
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③对 焊 连 接 阀 门 的 连 接 端 部 , 采 用 ANSI B16125 标准中的图 5B 或图 6B 结构 。
④阀门与介质相接触的部位 , 应考虑其腐蚀余 量 。碳钢和 Cr - Mo 合金钢应不小于 3 mm , 不锈 耐蚀钢应不小于 115 mm 。
⑤对于 PN15～25 MPa , DN ≥80 mm 的阀门 和 PN42 MPa , DN ≥50 mm 的阀门 , 应在阀杆螺 母支架处设置推力轴承 。 313 主体材料
2006 年第 6 期 阀 门 — 3 5 —
ANSI B16111 承插焊和螺纹连接的锻造管件 312 结构要求
高压 加 氢 用 阀 门 不 宜 采 用 ANSI B16134 和 API 603 标准及其他标准中的轻型阀门 。除满足有 关标准的要求外 , 高压加氢装置用的阀门结构还应 满足一些特殊要求 。
中微裂纹或气泡壁上的碳或碳化物反应生成甲烷 。 2 H2 + Fe3C →3 Fe + CH4 2 H2 + C →CH4 4 H + C →CH4 生成甲烷的反应过程是不可逆的 。甲烷的分子
体积较大 , 不能溶入钢中或向钢中扩散 , 而是被封 闭在微隙中 。微隙中的氢反应生成甲烷后 , 降低了 微隙中的氢分压 , 致使固溶在钢中氢原子不断地向 微隙中扩散 , 使生成甲烷的反应继续进行 , 直到钢 中可能参加反应的碳和碳化物消耗殆尽后才会中 止 。聚集于微隙中的甲烷以及分子氢 , 会产生高达 数千 MPa 的局部高压 , 使微隙壁的金属承受巨大 的应力 , 这就形成了甲烷空穴 ———裂纹源 。从而严 重地降低钢的力学性能 , 氢对钢的这种损伤 , 称为 氢腐蚀 。氢腐蚀是一种不可逆的化学过程 , 其危害 性比钢的其他形式的氢脆严重得多 。钢的抗氢性能 主要是其抗氢腐蚀性能 , 抗氢钢也主要是指抗氢腐 蚀钢 。 212 硫化氢的腐蚀
9射线探伤检验承压铸钢件必须100的进?射线探伤rt检验检验部位按ansib16134标准中8131111条款的示图6示图16的规定或根据用户的要求或技术协议中的规定?锈钢锻件应进?固溶化处?对稳定型奥氏体?锈钢除进?固溶化处?外还应进?稳定化处?
2006 年第 6 期 阀 门 — 3 3 —
在温度较高时 , 氢在钢中的溶解度较大 。如果 温度降低的速度较快 (如超过 40 ℃/ h) , 因溶解度 下降而从钢中析出来的氢来不及扩散逸出 , 以分子 状态存在于钢的缺陷中 , 形成高压气泡 。高压氢气 泡使缺陷扩展 , 形成微裂纹 , 致使金属脆化 。
氢进入钢中后 , 原子氢和分子氢能部分地与钢
高压加氢装置的工况有 3 个突出的特点 , 即临 氢 、高压并伴随硫化氢操作 。 211 临氢 ———氢对金属的腐蚀
氢进入金属中能使金属产生脆性并丧失强度 , 这种现象称为金属的氢损伤 , 亦称为氢脆 。金属中 的氢有 3 种来源 。一是金属在熔炼或热处理等加工 过程中 , 氢就进入了金属中 , 这种氢脆称为内部氢 脆 。二是金属在酸洗 、电镀和电化学腐蚀过程中 , 氢以离子形式进入了金属中 , 即电化学氢脆 。三是 金属直接在氢气或含氢气体中使用时 , 氢原子进入 了金属中 , 通常称为环境氢脆 。
ASTM A105 、A216
WCB 、WCC
201～300 300～500
ASTM A182 ASTM A217
ASTM A182 ASTM A351
F11 、F12 、F5 WC6 、WC9 、C5
F321 、F347 CF8C、ZG0Cr18Ni10 Ti
合金 ( A IS I)
屈服强度 M Pa
抗拉强度 极限值的降低 % 无切口 有切口
断面收缩率 ( RA) 的减少 %
无切口 有切口
304L
200
11
13
305
350 ①②
3
11
309S
220
0
2
316
215
0
0
321
220
0
12
347
460 ①②
0
9
59
52
4
11
00ຫໍສະໝຸດ 001064
0
9
注 : ①321 和 347 型系在气体压力为 3415 MPa 下试验获得的数 据 ,其余的压力为 69 MPa 。 ②数据系指冷变形过的材料 。
Abstract : The text detailedly describe t he effect s to valve materials of working conditions of high pres2 sure hydrogenation device. And mainly describe t he requires of manufact ure technique , sealing st rc2 t ure , testing and inspection of high pressure hydrogenation valves , and so on. Key words : high pressure hydrogennation ; valve ; packing
1 概述 目前炼油工业中越来越多地采用加氢脱硫 、加
氢裂化和加氢精制等加氢工艺 。重油直接加氢脱硫 装置的加氢反应器温度为 280～450 ℃, 工作压力 为 9～16 MPa 。加氢裂化反应器温度为 350～450 ℃, 工作压力为 1610～2710 MPa 。加氢精制反应 器温 度 为 300 ～ 370 ℃, 工 作 压 力 为 310 ～ 810 MPa 。国外 95 %以上的石油产品都是经过加氢精 制的 。高压加氢工艺是石油炼制深加工 (包括正在 兴起的煤炼油) 的一个重要工艺措施 , 它既能提高 原油的轻油回收率 , 又能提高燃料油的质量 , 减轻 燃油对环境的污染 , 从而提高炼油厂的整体经济效 益和社会效益 。我国 20 世纪 90 年代开始了高压加 氢装置的建设 , 以此来提高高硫油的炼制质量 、能 力和效益 。因此 , 高压加氢装置的建设将是我国石 油炼制行业的重点和热点 。 2 工况特性
①DN ≤40 mm 的闸阀采用刚性楔式单闸板 。 DN ≥50mm 的闸阀采用弹性楔式闸板 。
②DN ≤40 mm 的阀门采用中法兰阀盖结构 (BB) 。采用中法兰连接 (BB) 并用金属密封环密 封结构比内压自封式更安全可靠 , 因此 , 能采用中 法兰连接 (BB) 的 , 特别是高压力级的阀门 , 应 尽可能用 BB 结构 。
氢气处于分子状态时 , 由于分子状态 H2 体积 大 , 因此 , 氢通常不能进入金属的内部 。气体氢只 有从分子状态离解成原子态后 , 才可能进入金属 中。
H2 →2 H - 435kJ 分子氢离解为原子氢的离解度受温度的影响很 大 。在氢压力较低时 , 在 200 ℃以下氢分子离解为 氢原子的量可以忽略不计 。但当氢气压力很高时 , 常温 下 氢 的 离 解 是 不 能 忽 视 的 , 因 为 曾 出 现 过 20010 MPa 的常温氢气使钢产生了氢脆的事故 。氢 在钢中的溶解度大小 , 对钢的氢脆会产生影响 。例 如 , 氢在奥氏体钢中的溶解度要比在铁素体钢中大
用于加氢装置的高压阀门的主体材料 , 应具有 良好的抗氢腐蚀和抗硫腐蚀的性能 (表 3) 。考虑 到装置上的温度有波动等因素 , 为了装置和阀门的 安全可靠 , 在设计选材时往往采用表 4 的规定 。
表 3 阀门主体材料
工作温度 ℃ ≤240
标准 ASTM A105 、A216
ASTM A217 ASTM A182
表 1 高压氢对马氏体和沉淀硬化不锈钢的影响
合金
屈服强度 M Pa
抗拉强度 极限值的降低 % 无切口 有切口
断面收缩率 ( RA) 的减少 %
无切口 有切口
410 型 440C 型
1 325 1 625
17 - 7PH 1 035 AFC77 ～1 400
21 60
8 ～75
78
80
73
50
～100 ～100
炼油厂在加工高硫原油时 , 原油中的硫等对设 备会造成严重的腐蚀 。在温度 t ≤120 ℃且有水存 在时 , 形成 HCl - H2 S - H2O 型腐蚀性介质 , 易引 起钢产生应力腐蚀开裂 。在无水时 , 在温度 t ≤ 240 ℃的情况下对设备无腐蚀 。在温度 t ≥240 ℃ 时硫化物开始分解 , 生成 H2 S 腐蚀加剧 , 能引起 钢的快速均匀腐蚀 。高压加氢不仅其工作压力高 , 而且其工作介质是易泄漏 (氢气分子体积小 , 质量 小) 、易燃 、易爆的高压危险气体 (氢气或油气 + 氢气) , 并且对设备具有腐蚀性 , 极易引发系统事 故。 3 阀门设计 311 设计标准
The requirements of high pressure hydrogenationdevice to valves
WU Wei2yang1 , YU E Jing2hua2 , DON G Xia2 , KAN G Shi2ping2
(1. Petro China Company Limiet Dalian Petrochemical Company , Dalian 116032 , China ; 2. Lanzhou High Pressure Valve Co. Ltd , Lanzhou 730060 , China)
作者简介 : 吴伟阳 (1971 - ) , 男 , 哈尔滨人 , 工程师 , 长期从事炼化机械和阀门方面的技术工作 。
— 3 4 — 阀 门 2006 年第 6 期
得多 , 因此 , 奥氏体钢的抗氢性能要比铁素体钢 好 。钢的这种氢脆仅在 - 120～560 ℃的温度范围 内 , 进行慢速变形时才会产生 , 在 - 30～40 ℃时 脆性最明显 。
文章编号 : 100225855 (2006) 0620033205
高压加氢装置阀门的工况要求及技术分析
吴伟阳1 , 乐精华2 , 董 霞2 , 康世屏2 (1. 中石油天然气股份有限公司大连石化分公司 , 辽宁 大连 116032 ; 2. 兰州高压阀门有限公司 , 甘肃 兰州 730060)
摘要 分析了高压加氢装置的工况对阀门材质的影响 , 介绍了高压加氢装置阀门的制造技术 要求 、密封结构及试验与检验等 。 关键词 高压加氢 ; 阀门 ; 填料 中图分类号 : TH134 文献标识码 : A
牌号材质
WCB 、WCC WC6 、WC9 F11 、F22
241～350
ASTM A217
C5
ASTM A182
F5
≥350
ASTM A351 ASTM A182
CF8 、CF8M 、CF8C F304 、F316 、F321 、F347
表 4 特殊条件下阀门主体材料
工作温度 ℃
标准
牌号材质
≤200
闸阀 、止回阀和截止阀及其各项参数在设计中 主要执行一系列现行标准 。
API 6D 管道阀门 API 600 石油和天然气工业用螺栓连接阀盖 的钢制闸阀 BS 1873 石油 、石化及相关工业用法兰端和 对焊端钢制截止阀和截止止回阀 ANSI B16134 法兰 、螺纹和焊连接的阀门 ANSI B16110 阀门结构长度 ANSI B1615 管法兰及法兰管件 ANSI B16125 对接焊端
77
94
60
注 :表中数据是根据公式 (1) 在压力为 69 MPa 时进行试验的 。
奥氏体的稳定性和抗氢能力存在一定的关系
(表 2) , 受氢影响使性能降低的程度远比马氏体和
沉淀硬化钢为低 , 特别是强度的降低 。另外 , 在高 压氢中不宜使用铁素体钢〔1 ,2〕。
表 2 高压氢对奥氏体钢的影响
文献 〔1〕指出 , 氢能导致许多 (材料) 机械 性能的降低 , 包括抗拉强度和塑性 。降低数值的范 围根据不同材料差别较大 。如 410 型马氏体钢 , 在 氢中 塑 性 的 损 失 很 大 , 其 切 口 强 度 仅 为 原 来 的 80 % , 但对于奥氏体材料如 316 型 , 在氢中进行试 验却没有发现其塑性或强度有明显的变化 。强度降 低特别危险 , 因为在低应力操作下就可能导致意外 的破坏 。马氏体和沉淀硬化不锈钢在氢中的性能较 差 。表 1 中列举的几种钢的塑性有所降低 , 同时也 表现其切口强度同样有明显的下降 。
④阀门与介质相接触的部位 , 应考虑其腐蚀余 量 。碳钢和 Cr - Mo 合金钢应不小于 3 mm , 不锈 耐蚀钢应不小于 115 mm 。
⑤对于 PN15～25 MPa , DN ≥80 mm 的阀门 和 PN42 MPa , DN ≥50 mm 的阀门 , 应在阀杆螺 母支架处设置推力轴承 。 313 主体材料
2006 年第 6 期 阀 门 — 3 5 —
ANSI B16111 承插焊和螺纹连接的锻造管件 312 结构要求
高压 加 氢 用 阀 门 不 宜 采 用 ANSI B16134 和 API 603 标准及其他标准中的轻型阀门 。除满足有 关标准的要求外 , 高压加氢装置用的阀门结构还应 满足一些特殊要求 。
中微裂纹或气泡壁上的碳或碳化物反应生成甲烷 。 2 H2 + Fe3C →3 Fe + CH4 2 H2 + C →CH4 4 H + C →CH4 生成甲烷的反应过程是不可逆的 。甲烷的分子
体积较大 , 不能溶入钢中或向钢中扩散 , 而是被封 闭在微隙中 。微隙中的氢反应生成甲烷后 , 降低了 微隙中的氢分压 , 致使固溶在钢中氢原子不断地向 微隙中扩散 , 使生成甲烷的反应继续进行 , 直到钢 中可能参加反应的碳和碳化物消耗殆尽后才会中 止 。聚集于微隙中的甲烷以及分子氢 , 会产生高达 数千 MPa 的局部高压 , 使微隙壁的金属承受巨大 的应力 , 这就形成了甲烷空穴 ———裂纹源 。从而严 重地降低钢的力学性能 , 氢对钢的这种损伤 , 称为 氢腐蚀 。氢腐蚀是一种不可逆的化学过程 , 其危害 性比钢的其他形式的氢脆严重得多 。钢的抗氢性能 主要是其抗氢腐蚀性能 , 抗氢钢也主要是指抗氢腐 蚀钢 。 212 硫化氢的腐蚀
9射线探伤检验承压铸钢件必须100的进?射线探伤rt检验检验部位按ansib16134标准中8131111条款的示图6示图16的规定或根据用户的要求或技术协议中的规定?锈钢锻件应进?固溶化处?对稳定型奥氏体?锈钢除进?固溶化处?外还应进?稳定化处?
2006 年第 6 期 阀 门 — 3 3 —
在温度较高时 , 氢在钢中的溶解度较大 。如果 温度降低的速度较快 (如超过 40 ℃/ h) , 因溶解度 下降而从钢中析出来的氢来不及扩散逸出 , 以分子 状态存在于钢的缺陷中 , 形成高压气泡 。高压氢气 泡使缺陷扩展 , 形成微裂纹 , 致使金属脆化 。
氢进入钢中后 , 原子氢和分子氢能部分地与钢
高压加氢装置的工况有 3 个突出的特点 , 即临 氢 、高压并伴随硫化氢操作 。 211 临氢 ———氢对金属的腐蚀
氢进入金属中能使金属产生脆性并丧失强度 , 这种现象称为金属的氢损伤 , 亦称为氢脆 。金属中 的氢有 3 种来源 。一是金属在熔炼或热处理等加工 过程中 , 氢就进入了金属中 , 这种氢脆称为内部氢 脆 。二是金属在酸洗 、电镀和电化学腐蚀过程中 , 氢以离子形式进入了金属中 , 即电化学氢脆 。三是 金属直接在氢气或含氢气体中使用时 , 氢原子进入 了金属中 , 通常称为环境氢脆 。
ASTM A105 、A216
WCB 、WCC
201～300 300～500
ASTM A182 ASTM A217
ASTM A182 ASTM A351
F11 、F12 、F5 WC6 、WC9 、C5
F321 、F347 CF8C、ZG0Cr18Ni10 Ti
合金 ( A IS I)
屈服强度 M Pa
抗拉强度 极限值的降低 % 无切口 有切口
断面收缩率 ( RA) 的减少 %
无切口 有切口
304L
200
11
13
305
350 ①②
3
11
309S
220
0
2
316
215
0
0
321
220
0
12
347
460 ①②
0
9
59
52
4
11
00ຫໍສະໝຸດ 001064
0
9
注 : ①321 和 347 型系在气体压力为 3415 MPa 下试验获得的数 据 ,其余的压力为 69 MPa 。 ②数据系指冷变形过的材料 。
Abstract : The text detailedly describe t he effect s to valve materials of working conditions of high pres2 sure hydrogenation device. And mainly describe t he requires of manufact ure technique , sealing st rc2 t ure , testing and inspection of high pressure hydrogenation valves , and so on. Key words : high pressure hydrogennation ; valve ; packing
1 概述 目前炼油工业中越来越多地采用加氢脱硫 、加
氢裂化和加氢精制等加氢工艺 。重油直接加氢脱硫 装置的加氢反应器温度为 280～450 ℃, 工作压力 为 9～16 MPa 。加氢裂化反应器温度为 350～450 ℃, 工作压力为 1610～2710 MPa 。加氢精制反应 器温 度 为 300 ～ 370 ℃, 工 作 压 力 为 310 ～ 810 MPa 。国外 95 %以上的石油产品都是经过加氢精 制的 。高压加氢工艺是石油炼制深加工 (包括正在 兴起的煤炼油) 的一个重要工艺措施 , 它既能提高 原油的轻油回收率 , 又能提高燃料油的质量 , 减轻 燃油对环境的污染 , 从而提高炼油厂的整体经济效 益和社会效益 。我国 20 世纪 90 年代开始了高压加 氢装置的建设 , 以此来提高高硫油的炼制质量 、能 力和效益 。因此 , 高压加氢装置的建设将是我国石 油炼制行业的重点和热点 。 2 工况特性
①DN ≤40 mm 的闸阀采用刚性楔式单闸板 。 DN ≥50mm 的闸阀采用弹性楔式闸板 。
②DN ≤40 mm 的阀门采用中法兰阀盖结构 (BB) 。采用中法兰连接 (BB) 并用金属密封环密 封结构比内压自封式更安全可靠 , 因此 , 能采用中 法兰连接 (BB) 的 , 特别是高压力级的阀门 , 应 尽可能用 BB 结构 。
氢气处于分子状态时 , 由于分子状态 H2 体积 大 , 因此 , 氢通常不能进入金属的内部 。气体氢只 有从分子状态离解成原子态后 , 才可能进入金属 中。
H2 →2 H - 435kJ 分子氢离解为原子氢的离解度受温度的影响很 大 。在氢压力较低时 , 在 200 ℃以下氢分子离解为 氢原子的量可以忽略不计 。但当氢气压力很高时 , 常温 下 氢 的 离 解 是 不 能 忽 视 的 , 因 为 曾 出 现 过 20010 MPa 的常温氢气使钢产生了氢脆的事故 。氢 在钢中的溶解度大小 , 对钢的氢脆会产生影响 。例 如 , 氢在奥氏体钢中的溶解度要比在铁素体钢中大
用于加氢装置的高压阀门的主体材料 , 应具有 良好的抗氢腐蚀和抗硫腐蚀的性能 (表 3) 。考虑 到装置上的温度有波动等因素 , 为了装置和阀门的 安全可靠 , 在设计选材时往往采用表 4 的规定 。
表 3 阀门主体材料
工作温度 ℃ ≤240
标准 ASTM A105 、A216
ASTM A217 ASTM A182
表 1 高压氢对马氏体和沉淀硬化不锈钢的影响
合金
屈服强度 M Pa
抗拉强度 极限值的降低 % 无切口 有切口
断面收缩率 ( RA) 的减少 %
无切口 有切口
410 型 440C 型
1 325 1 625
17 - 7PH 1 035 AFC77 ～1 400
21 60
8 ～75
78
80
73
50
～100 ～100
炼油厂在加工高硫原油时 , 原油中的硫等对设 备会造成严重的腐蚀 。在温度 t ≤120 ℃且有水存 在时 , 形成 HCl - H2 S - H2O 型腐蚀性介质 , 易引 起钢产生应力腐蚀开裂 。在无水时 , 在温度 t ≤ 240 ℃的情况下对设备无腐蚀 。在温度 t ≥240 ℃ 时硫化物开始分解 , 生成 H2 S 腐蚀加剧 , 能引起 钢的快速均匀腐蚀 。高压加氢不仅其工作压力高 , 而且其工作介质是易泄漏 (氢气分子体积小 , 质量 小) 、易燃 、易爆的高压危险气体 (氢气或油气 + 氢气) , 并且对设备具有腐蚀性 , 极易引发系统事 故。 3 阀门设计 311 设计标准
The requirements of high pressure hydrogenationdevice to valves
WU Wei2yang1 , YU E Jing2hua2 , DON G Xia2 , KAN G Shi2ping2
(1. Petro China Company Limiet Dalian Petrochemical Company , Dalian 116032 , China ; 2. Lanzhou High Pressure Valve Co. Ltd , Lanzhou 730060 , China)
作者简介 : 吴伟阳 (1971 - ) , 男 , 哈尔滨人 , 工程师 , 长期从事炼化机械和阀门方面的技术工作 。
— 3 4 — 阀 门 2006 年第 6 期
得多 , 因此 , 奥氏体钢的抗氢性能要比铁素体钢 好 。钢的这种氢脆仅在 - 120～560 ℃的温度范围 内 , 进行慢速变形时才会产生 , 在 - 30～40 ℃时 脆性最明显 。
文章编号 : 100225855 (2006) 0620033205
高压加氢装置阀门的工况要求及技术分析
吴伟阳1 , 乐精华2 , 董 霞2 , 康世屏2 (1. 中石油天然气股份有限公司大连石化分公司 , 辽宁 大连 116032 ; 2. 兰州高压阀门有限公司 , 甘肃 兰州 730060)
摘要 分析了高压加氢装置的工况对阀门材质的影响 , 介绍了高压加氢装置阀门的制造技术 要求 、密封结构及试验与检验等 。 关键词 高压加氢 ; 阀门 ; 填料 中图分类号 : TH134 文献标识码 : A
牌号材质
WCB 、WCC WC6 、WC9 F11 、F22
241～350
ASTM A217
C5
ASTM A182
F5
≥350
ASTM A351 ASTM A182
CF8 、CF8M 、CF8C F304 、F316 、F321 、F347
表 4 特殊条件下阀门主体材料
工作温度 ℃
标准
牌号材质
≤200
闸阀 、止回阀和截止阀及其各项参数在设计中 主要执行一系列现行标准 。
API 6D 管道阀门 API 600 石油和天然气工业用螺栓连接阀盖 的钢制闸阀 BS 1873 石油 、石化及相关工业用法兰端和 对焊端钢制截止阀和截止止回阀 ANSI B16134 法兰 、螺纹和焊连接的阀门 ANSI B16110 阀门结构长度 ANSI B1615 管法兰及法兰管件 ANSI B16125 对接焊端
77
94
60
注 :表中数据是根据公式 (1) 在压力为 69 MPa 时进行试验的 。
奥氏体的稳定性和抗氢能力存在一定的关系
(表 2) , 受氢影响使性能降低的程度远比马氏体和
沉淀硬化钢为低 , 特别是强度的降低 。另外 , 在高 压氢中不宜使用铁素体钢〔1 ,2〕。
表 2 高压氢对奥氏体钢的影响
文献 〔1〕指出 , 氢能导致许多 (材料) 机械 性能的降低 , 包括抗拉强度和塑性 。降低数值的范 围根据不同材料差别较大 。如 410 型马氏体钢 , 在 氢中 塑 性 的 损 失 很 大 , 其 切 口 强 度 仅 为 原 来 的 80 % , 但对于奥氏体材料如 316 型 , 在氢中进行试 验却没有发现其塑性或强度有明显的变化 。强度降 低特别危险 , 因为在低应力操作下就可能导致意外 的破坏 。马氏体和沉淀硬化不锈钢在氢中的性能较 差 。表 1 中列举的几种钢的塑性有所降低 , 同时也 表现其切口强度同样有明显的下降 。