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石化設備大型化―壓力容器行業的機遇和挑戰

文章出處:未知 人氣:發表時間:2020-06-09 19:38
為滿足石化裝置規模效益的需要,石化設備日益向大型化發展,相應地對壓力容器的用材、設計、制造、檢驗、運輸和安裝都提出了新的要求,也可以說是對壓力容器行業提出了新的挑戰和機遇。由于本人多年從事煉油設備開發設計工作,故僅以煉油設備為代表闡述石化設備大型化的意義、現狀及發展前景。
 
一 煉廠規模和煉油裝置大型化是世界性的趨勢
 
        煉廠規模大型化實際上是煉油廠發展的一個重要趨勢。早在60年代初期,世界上煉油業發達的國家就已開始逐漸進行煉廠大型化。出現了以美國埃克森公司的貝湯煉廠和維爾京群島的圣克羅依煉廠為代表的大型化煉油廠。到了80年代后期,因煉廠利潤降低以及激烈的市場競爭,使煉廠大型化更為人們所關注。
 
        煉廠大型化之所以成為一種世界性的趨勢,其原因是大型化具有明顯的優越性。根據美國能源部的資料報導,建設1座1000萬噸/年煉廠和2座500萬噸/年煉廠相比,其投資可節約20%左右,生產人員可減少16人/100萬噸/年,提高勞動生產率21%。1座1000萬噸/年煉廠和4座250萬噸/年煉廠相比較,加工費用可減少US$0.15/m3。另據前蘇聯研究報告,1座1200萬噸/年煉廠與2座600萬噸/年煉廠相比,其生產成本可降低12%-15%。
 
        據美國“OGJ”雜志2001年1月1日統計,世界上現共有742座煉廠,原油蒸餾總能力達40.62億噸/年,規模最大的煉廠是委內瑞拉帕拉瓜納煉制中心的煉廠,其原油加工總能力為4700萬噸/年。在這742座煉廠中,加工總能力超過2000萬噸/年的有15座
 
        在我國目前127座煉廠中,加工能力在100萬噸/年以上的有50座,加工能力在500萬噸/年以上的只有27座。據1999年底統計,中國石化集團公司擁有的35座煉廠中,1000噸級的煉廠有4座,500噸級的煉廠有14座。
 
        隨著煉廠規模大型化,煉廠內各單元裝置也超于大型化。表2匯總了世界最大的典型煉油裝置的能力。
 
        我國最大的原油蒸餾裝置加工能力為800萬噸/年,最大的催化裂化裝置加工能力為350萬噸/年,最大延遲焦化裝置加工能力為100萬噸/年,最大加氫裂化裝置加工能力為150萬噸/年,最大的渣油加氫脫硫裝置(RDS)加工能力為200萬噸/年。有一些加工能力更大的煉油裝置正在設計中或規劃中。
 
二 煉油設備大型化勢在必行
 
        1、 設備大型化的必要性。要充分體現煉廠規模和煉油裝置大型化的優勢,首先要實現煉油設備的大型化,否則將是“無米之炊”。使用大型化的單元設備與較小的單元設備相比由于制造成本、占地面積、管線閥門等諸多因素的影響具有明顯的綜合經濟效益。例如,某一個儲量為60萬米3的油庫,采用4個15萬米3的貯油罐方案可比采用6個10萬米3貯油罐方案節省投資1475萬元;某一套100萬噸/年延遲焦化裝置,選用2臺直徑為8400mm的焦炭塔比采用4臺直徑為6000mm焦炭塔可節省投資880萬元。
 
        石化設備大型化,也有利于制造單位提高年產值,降低成本,增加經濟效益。例如,某制造廠承接1臺單重1000噸的石化設備與同時承接2臺單重500噸的石化設備相比,總訂購價大體相當。但是制造1臺大設備所用的材料和加工費用要比生產2臺較小設備少得多,估計僅為60-70%。這就意味著利潤要提高30-40%。換個角度來看,同類設備無論規格大小,其制造工序、制造周期基本相同,真所謂“麻雀雖小,五臟俱全“。這樣,一個制造廠在用戶通常要求的交貨期內,能制造完1臺大型設備,就可能制造不完總重相當的2臺較小的同類設備。也就是在同樣時間段內創造不了同等的產值和效益。從這兩方面不難看出,努力掌握生產大型石化設備的技術,具備與此相配套的生產能力是制造廠一個新的顯著的經濟效益增長點。因此,必須牢牢抓住這一機遇。
 
        2、大型化煉油設備現狀。當今國內外在煉油設備大型化方面已有了很大發展,下面舉出幾個典型的煉油設備情況來說明,見表3。
 
        3、對特大型煉油設備的需求 目前我國正在進行工程設計或處于審批階段的大型煉油和煤液化項目中,將需要一批特大型石化設備,舉例如下:
 
        • 15萬米3~20萬米3原油貯罐
 
        • 直徑9.4米~10.6米的焦炭塔
 
        • 直徑14米~15米的催化再生器
 
        • 直徑12~16米的減壓分餾塔
 
        • 直徑4.8米,重量約1900噸的煤液化加氫反應器(已開始制造)
 
        這些超大型設備無論在用材方面,還是在設計和制造方面都有很大難度,需要多方配合才能得以實現。
 
三、煉油設備大型化給壓力容器行業提出的新要求
 
        1、對材料的要求。設備大型化首先要求強度高的材料,這樣才能使容器壁厚不致太厚,盡可能不超過當前制造條件允許的厚度;重量盡量減輕以便于運輸和安裝。為了滿足油罐和大型壓力容器的要求,日本的一些鋼鐵公司早就成功地開發了調質高強鋼板SPV490Q。新日鐵公司的WELTEN610和NKK公司的NK-HITEN610等鋼號都屬于這一類型,這些高強鋼在世界范圍內得到了廣泛應用。近年來,我國武漢鋼鐵公司也開發了WH610D2調質高強鋼板,其主要性能指標已達到了國外同類鋼板的水平,并在4臺10萬米3的油罐上得以使用(見圖片3)。舞陽鋼鐵公司也開發了WY610D調質高強鋼,但尚無使用業績。國產高強鋼由于開發時間較晚,尚需在推廣使用過程中不斷總結經驗,不斷改進提高,并應著手開發強度級別更高的鋼材。
 
        對于 加氫反應器用材,直到90年代,國內外普遍采用普通的2.25Cr-1Mo鋼,但由于反應器直徑逐漸增大,其壁厚有的已達300mm以上,急切要求強度更高一些的材料。因此,作為原因之一,從80年代開始,國際上就著手研制用釩改進的Cr-Mo鋼來代替普通的2.25Cr-1Mo鋼來制造大型加氫設備。現已開發成功的3Cr-1Mo-0.25V和2.25Cr-1Mo-0.25V鋼已制造了幾十臺加氫設備,并且大部分已投入使用。由于改進型Cr-Mo鋼設計應力強度比普通的2.25Cr-1Mo鋼高8-10%,因此其設備重量也可近似降低8-10%。這對小型設備來說似乎是無足輕重的,但對大型反應器來說情況就不同了。例如,一臺1500噸的反應器,減輕重量8%就是120噸,按一般銷售價每噸6萬元計算,就可節省720萬元。再考慮運輸和吊裝方面的好處,其意義就十分可觀了。
 
        國內,以中國第一重型機械集團公司為首的課題組,也在消化吸收國外先進技術的基礎上開發出了國產3Cr-1Mo-0.25 V和2.25Cr-1Mo-0.25V二個鋼號,用這些鋼材制造的加氫反應器都陸續地投入了使用。滿足了工藝要求,頂替了進口。在主要性能指標上都已達到了國外相關鋼材標準要求和同類產品的實際水平。但在鋼材的純凈度和性能均勻性方面還有一定的差距。特別是近年來美國石油學會(API)出版了API934標準,對Cr-Mo鋼的純凈度,沖擊韌性,焊接性能等方面提出了許多更高的附加要求。因此,我們尚需進一步開展必要的研究工作,以便能跟上世界在該領域的前進步伐。只有這樣,我們才敢與國外同行論仲伯比高低。
 
        2、對設計技術的要求。為了盡量減輕設備的重量和確保使用安全性,對大型承壓設備往往需要采用以應力分析為基礎的設計方法。有的整體設備需要按分析設計規范進行設計,如加氫反應器等;有的設備就其總體而言可按常規設計規范進行設計,但其局部需進行詳細的應力分析,如某些大型立式容器的支座與筒體連接處,大開孔補強等等。
 
        大型壓力容器采用分析設計方法具有明顯的經濟效益。例如,一個單重1000噸的加氫反應器按分析方法設計比常規方法設計可減輕設備重量約20%,節省投資1000-1200萬元。顯而易見,對于這樣的設備,沒有一個用戶會允許設計單位按常規的方法進行設計。當然,要進行這樣的設計,設計單位就需要具有較高技術水平的人員和先進的技術裝備。我國已有很多單位取得了壓力容器分析設計的資格,但開展分析設計項目并不普遍,有待進一步推廣,以使我國壓力容器的設計水平前進一步。
 
        3、對制造技術的要求。大型設備就意味著規格大、器壁厚、重量大以及制造難度大和工作量大,因此迫切要求先進的、高效的制造技術。
 
        1)先進、高效的焊接技術 例如一臺大型貯罐,焊縫總長度幾千米,提高焊接速度是保證按期完工的關鍵因素。因此,罐體圈板的縱焊縫廣泛采用一次成形的氣電立焊(EGW)技術,環焊縫采用埋弧自動焊橫焊技術。再比如大型加氫反應器,其壁厚可達300mm以上,一條焊縫要焊幾十道,甚至上百道,其焊接工作量之大是可想而知的。為減少焊接工作量,提高焊接速度廣泛采用窄間隙單絲或雙絲埋弧自動焊方法。目前我國很多承擔大型油罐建造的施工單位掌握了一次成形的氣電立焊技術,并購置了相應焊接設備。而承接大型石化設備的制造廠基本上都能熟悉地使用窄間隙單絲埋弧焊技術,但對窄間隙雙絲埋弧焊技術使用得還較少。據報導[1],安慶石化機械廠已在多臺厚壁容器的制造中采用了窄間隙雙絲埋弧焊技術。中國第一重型機械集團公司為制造我國神華集團煤液化項目中2臺單重1900噸的加氫反應器,也正在積極試驗窄間隙雙絲埋弧焊方法,并已取得了很大進展。
 
        2)鍛件空心澆注技術 大型加氫反應器絕大多數采用鍛焊結構,其筒形鍛件坯料的生產,國外一些公司采用空心澆注技術,而國內只能采用整體澆注技術。前者具有成材率高,加工量小,成本低的優點,表現出強大的市場競爭力。據說國內也已著手這一技術的開發,為了增加國內制造廠的經濟效益和企業后勁,應加大開發力度,盡快攻下這一技術難關。爭取占有更多的大型筒形鍛件市場份額。
 
        3)現場組裝技術 對于某些大型加氫反應器由于運輸條件的限制,已不能完全在制造廠內制造,只能在制造廠先制成幾部分,然后再在使用現場進行組焊。這樣, 由于生產條件發生了很大變化,給制造帶來了很多困難。要完成現場組焊,需要解決現場起吊、裝配、熱處理和檢測等一系列問題,既有提高技術水平的問題,也有增加裝備的問題。國外某些制造廠,如日本制鋼所(JSW),早已開發了大型加氫反應器現場組焊技術,并且在加拿大等地創造了不少業績。我國第一重型機械集團公司,雖然也為燕山石化公司在現場組焊過2臺加氫反應器,但尺寸、重量都較小,裝備也不很配套。現該公司正加緊準備,計劃2003年上半年,要在大慶石化公司現場再組焊2臺500噸級的加氫反應器。這樣,便可使現場組焊技術更加成熟和完善。
 
        現場組焊技術中很重要的一項是熱處理,過去很多設備不敢大型化主要是害怕熱處理。如焦炭塔采用碳素鋼,且限制塔徑,其主要目的是控制壁厚不超過規范允許的不進行熱處理最大厚度,38 mm。進年來國內作了不少有意的嘗試,如,江蘇吳縣熱處理公司采用電熱帶式熱處理裝置對金山石化公司Ф8400mm和高橋石化公司Ф8800 mm各2臺15CrMoR材質的焦炭塔進行了現場焊后熱處理。這些設備都已先后投入了使用。也有人打算采用體內直接燃燒的加熱方式對焦炭塔進行現場熱處理,現尚未付諸實踐。這二種方式在加熱均勻性和效果方面都還有待改進和提高。
 
        4)無損檢測技術 設備規格越大,器壁越厚,檢測方法的可行性、可靠性和效率就顯得格外重要。如我國正在設計中的煤液化加氫反應器,內徑4800mm,切線間長度34500mm,壁厚344mm。通常,這類設備的焊接接頭是要求100%射線檢測的。這樣大的設備超過了整體運輸的界限,肯定要在現場組焊。其焊接接頭的射線檢測是難以實現的,由于防護條件的限制,可能會給環境和工作人員的身體健康造成很大的危害。另外,從檢驗結果的可靠性來看,很多專家都認為,對于厚壁容器,采用超聲檢測比射線檢測更安全。因為射線檢測最容易發現的是對設備安全操作危害不太大的體形缺陷。而超聲檢測則對危險性大的線性缺陷具有較高的靈敏度。
 
        現在,國際上,隨著自動化超探技術的快速發展,很多壓力容器建造規范已逐漸允許在壓力容器制造中使用超聲檢測代替射線檢測。如美國ASME Code Case 2235,英國BS7706和歐洲PrEN583-6。根據這些標準,美國、日本和歐洲的一些壓力容器制造廠無論是在廠內,還是在現場組焊的大型、厚壁壓力容器上都經常使用自動化超探方法代替射線方法對焊接接頭進行無損檢測。
 
        我國第一重型機械集團公司正在與國家質量技術監督局鍋爐壓力容器檢測中心和加拿大RD/TECH公司合作開展《自動化超聲波檢驗技術在三類壓力容器厚壁環焊縫無損檢驗中的應用》的研究。該課題擬使用RD/TECH公司生產的四通道探傷設備u TOMO SCAN,以及超聲掃描成像技術(TOFD)。《全國壓力容器標準化技術委員會》非常關心和支持這一課題。按計劃,該技術將首次用在大慶石化公司2臺現場組焊的加氫反應器上。
 
四 結語
 
        1、石化設備大型化無論對石化企業,還是對設備制造企業都具有明顯的經濟效益。但要實現石化設備大型化會對壓力容器行業提出許多新課題。也可以說提供了一個新挑戰和機遇。因此,要求全行業相互配合,協調動作,迎接這一挑戰,以此為動力提升全行業的整體技術水平。
 
        2、由于大型石化設備的特點,有時需要采用一些新型材料,特殊結構以及特殊的制造和檢驗方法,可能超過現有規范的范圍。如前面提到的近年來國內開發的高強鋼、抗氫鋼等在大型設備上的應用以及厚壁壓力容器現場組焊中用TOFD超聲檢測代替射線檢測等都屬于這一范疇。在這些方面;“容標委“都已給予和正在給予大力支持,解決了很多實際問題。希望今后一如既往,繼續提供必要的支持和幫助。
 
        3、近年來,壓力容器材料生產廠、開發出了一批適用于大型石化設備的高強鋼和抗氫鋼,主要技術指標接近或達到了國外同類產品的實際水平,填補了國內空白,今后尚應不斷進行改進和提高現有鋼材產品質量,并著手開發強度級別更高的鋼材以滿足更大型的石化設備的需要。
 
        4、壓力容器設計單位采用先進的設計手段,如分析設計方法,完成了一些大型石化設備的設計,取得了較好的效果。今后,對于某些特殊的設備或特殊結構還應借助一些更新的設計思想,如風險工程設計準則等等,以使我們的石化設備設計踏上一個新臺階。
 
        5、制造安裝單位已成功地制造安裝了多臺以千噸級加氫反應器為代表的大型石化設備,在制造過程中采用了很多先進的設備和先進的制造技術,取得了很好的效果,滿足了用戶要求。今后若條件許可尚應增加一些大型加工和運輸吊裝用裝備,同時應進一步強化質保體系,嚴肅工藝紀律以保證產品質量不斷提高。
 
        6、最后一點,也是最重要的一點,在壓力容器行業里應加強技術交流,加強技術培訓,造就一批既具有較高技術水平和豐富工程經驗,又愿意對壓力容器事業作出奉獻的科技人員,歸根結蒂奇跡是由人來創造的。
 
        總之,石化設備大型化,不是單靠那一個工廠,那一個部門就可以實現的,而是關系到我們整個壓力容器行業的一件大事,必許通過全行業的共同努力,才能使我國大型石化設備的技術和生產能力盡快趕上或超過世界先進水平,除能滿足國內日益發展的石化工業的需要外,還能沖出國門,闖進國際市場,創造更大的經濟效益,讓我們為在世界各地的大型石化設備的銘牌上都能看到“Made in China”而自豪吧!

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