脱硫吸收塔的设计

第 28卷第 3期 2010年 6月 天 　然 　气 　与 　石 　油 Na tura l Ga s And O il Vol. 28, No. 3 Jun. 2010 　 　　收稿日期 : 2009212201 　　作者简介 :刘文广 (19802) ,男 ,贵州贵阳人 ,工程师 ,学士 ,主要从事石油化工机械 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 工作。电话 : (028) 86014550。 脱硫吸收塔的设计 刘文广 (中国石油工程设计有限公司西南分公司 ,四川 成都 610017) 摘 　要 :介绍了目前国内天然气净化厂脱硫装置中单台处理量最大的脱硫吸收塔的选材、 设计、材料验证评定、制造检验和验收等情况。实现了材料国产化 ,设备运行安全化 ,为下游供 气提供了可靠保证。为今后开发含硫天然气 ,特别是高含硫天然气净化厂设备大型化提供了 依据。 关键词 :脱硫吸收塔 ;选材设计 ;材料验证评定 ;制造检验和验收 文章编号 : 100625539 (2010) 0320045204　　　文献标识码 : B 0　前言 中国石油西南油气田分公司在四川开发的含 H2 S天然气气田拟建一个试采规模为 1 200 ×104 m 3 / d的天然气集输、净化和外输地面建设工程 ,其 中天然气净化厂包括天然气脱硫、脱水、酸气的克劳 斯硫磺回收和尾气处理的 SCOT装置以及配套的系 统工程和公用工程。天然气净化厂总规模为 1 200 ×104 m3 /d,而单套处理能力如何确定 ,在设计过程 作了多项比较 ,下面介绍设计基本情况和单套处理 能力确定后脱硫吸收塔从选材、材料验证评定、结构 设计、设计计算、制造检验和验收技术要求以及制造 中所遇到的问题如何解决等基本作法 ,为今后设计 在保证安全和工艺功能前提下提供可靠可行的方 法。 1　 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 比选 在方案比较中对处理量 1 200 ×104 m3 / d是 4 × 300 ×104 m3 /d, 3 ×400 ×104 m3 /d还是 2 ×600 × 104 m3 / d,在设计过程中从占地、投资、设计、施工周 期和管理等多项内容进行比较 ,从比选的结果来看 , 4 ×300 ×104 m3 / d方案占地和投资最大 ,比选中予 以否定。2 ×600 ×104 m3 /d工艺装置占地比 3 × 400 ×104 m3 / d节约近 1 /3,总投资节约近 1 /6,设计 和施工周期也有所缩短 ,管理也更为方便 ,因此 2 × 600 ×104 m3 / d为最佳方案。在比选方案中 ,之所以 提出 4 ×300 ×104 m3 / d和 3 ×400 ×104 m3 / d方案 , 是因为目前在国内天然气处理厂中单套 400 ×104 m 3 / d已建成多套 ,技术成熟可靠 ,如果采用这两种 方案中单套 400 ×104 m3 / d可以参考借鉴。而单套 600 ×104 m3 / d国内尚属首次 ,在国外也不多见 ,而 且工作压力和天然气中 H2 S含量 (此项涉及吸收 H2 S的溶液循环量 )也有差异 ,缺乏对比性 ,难有借 鉴之处 [ 1 ]。 单套 600 ×104 m3 / d天然气处理厂各套装置中 难点之处在脱硫装置 ,而脱硫装置的难点又在脱硫 吸收塔 ,因为塔压力高 ,直径大 ,以工作压力 P = 718 MPa,安全阀定压 P = 8158 MPa,塔体直径Φ 3 200 计 ,按常规含 H2 S天然气选材用 20R,腐蚀裕量以 4 mm计 ,壁厚已大于 100mm,在 GB 713 - 2008《锅炉 和压力容器用钢板 》 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 没有颁布之前 ,已超过标 准的使用范围 ,何况该气田天然气 H2 S含量高达 68 g/m3 ,在 SY/T 0612 - 2008[ 2 ]标准未发布之前 ,按照 《中国石油天然气股份有限公司天然气开发管理纲 要 》(以下简称纲要 ) [ 3 ]规定 , H2 S > 30 g/m3 为高含 硫气藏。综上所述 ,天然气处理厂中各类设备集中 在脱硫装置中脱硫吸收塔 ,其它类型的设备无论选 材、设计、设备的直径、壁厚、工作工况都能解决。脱 硫吸收塔的难点是 :工作工况为高压、高含硫 ,厚壁 , 大直径 ,由于国内钢厂生产能力的限制 ,选材受到较 大制约。按照特殊含硫天然气压力容器作法 ,在确 保安全前提下 ,认真 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,可以得到解决。 2　脱硫吸收塔的设计 脱硫吸收塔设计数据表见表 1、设备简图见图 1。 表 1　脱硫吸收塔数据表 项 　目 数据 项 　目 数据 设计压力 / MPa 8. 58 工作压力 / MPa 7. 8 设计温度 / ℃ 80 工作温度 / ℃ 60 容积 / m3 189. 5 腐蚀裕度 / mm 4 工作介质 含硫天然气 H2 S: 68 g/m 3 (4176% ) CO2 : 7912 g/m3 (4103% )、MDEA 图 1　脱硫吸收塔简图 2. 1　选材 2. 1. 1　选材前期工作 针对上述问题 ,在设计前我们作了大量调研 ,查 阅了国内外有关资料 ,对已实践的成功经验进行总 结 ,分析对比 ,其主要工作包括 : a.查阅国内外有关资料 ,其中包括四川卧龙河 脱硫装置引进工程 [ 4 ] , JACOBS公司关于罗家寨高 含硫 (H2 S > 8% )天然气处理厂基础设计 [ 5 ] ,哈萨克 扎依尔含 H2 S原料气分离器用 16MnR ( H IC)钢设 计和工程总结 [ 6 ]。 b. 调研四川含硫气田使用 16MnR压力容器设 计和使用现状。 c. 于 16MnR、16Mn锻件材料和焊缝在标准状 况和模拟实际工况的 H IC和 SSC评定 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 [ 7 ]。 d. 对 ASME II SA516 GR65 ( H IC)和舞阳钢厂 16MnR (H IC)进行国内外询价 ,并咨询两种钢板的 供货周期和价格状况。 e. 查阅 ISO 15156 - 1～3《石油天然气工业 ——— 在含有 H2 S的环境下油气生产使用的材料 》[ 8 ]。 f. 分析含 H2 S天然气中 ,由 H2 S存在引起的 H IC、SSC和化学失重腐蚀及其防腐对策。 2. 1. 2　选材要求 鉴于目前国内外对高含硫没有确切界定 ,又没 有相应的设计技术规定和制造检验等技术标准支 64 　　　天 　然 　气 　与 　石 　油 2010年 　 撑 ,为规避风险 ,确保气田安全开发 ,此塔的设计按 《纲要 》[ 3 ]规定 ,划归为高含硫介质 ,经技术经济比 较 ,综合考虑 ,材料供货周期和价格等多项因素 ,同 SA516 GR65 (H IC)比较 ,吸收塔的主体材料、接管、 法兰等管配件立足于国内 ,选用 16MnR ( H IC)钢、 16Mn锻件 ,材料除满足标准规定外 ,对材料提出如 下特殊要求 ,其要点 : a. 塔体材料为 16MnR ( H IC )钢板 ,但应控制 Mn、S、P的含量。Mn = 1120% ～1. 35% ,熔炼分析 S≤01003% ,成品分析 S≤01004% , P≤01015% ,为 改善钢板性能 ,可添加微量合金元素。锻件参照 JB 4726 - 2000标准 , 但应控制 S, P 含量。 S ≤ 01020% , P≤01025%。上述两种材料应保证 C≤ 0120% , CE (注 ) ≤0143%。 注 :碳当量计算公式 : CE = % C + %Mn6 + % Cr + %Mo + % V 5 + % N i + % Cu 15 b. 材料力学性能应是模拟实际制造工况 ,焊后 热处理后达到材料标准规定的最低值。 c. 钢板应进行超声波检测 ,锻件不低于锻件标 准规定的 Ⅲ级。 d. 钢板和锻件应进行非金属夹杂物、偏析、晶 粒度等检测和相应要求 ,加上 S, P控制 ,材料应是 纯净度高的细晶粒结构全镇静钢。 e. 材料抗硫化物应力开裂 ( SSC)和抗氢致开裂 (H IC)的验证评定 : 抗硫化物应力开裂 ( SSC )试验评定按 GB /T 4157 - 2006 (NACE TM 0177)规定 ,溶液为 A溶液 中 A法 ,加载应力为材料 80% SMYS,试验时间为 720 h,其结果试件不断裂为合格。 抗氢致开裂 ( H IC)试验评定按 GB /T 8650 - 2006 (NACE TM 0284 - 2003)规定 ,溶液为 A溶液 , 试验时间为 72 h,每个试件三个断面的平均值应满 足 :裂纹长度率 (CLR) ≤15% ,裂纹厚度率 (CTR) ≤ 5% ,裂纹敏感率 (CSR) ≤2%。 2. 2　设计、设计计算和结构设计 2. 2. 1　设计和设计计算 设计除应遵循《压力容器安全技术监察规程 》 和 GB 150 - 1998《钢制压力容器 》及 GB 150 - 1998 的 1、2号修改单以及规程、标准涉及到的相关标准 外 ,设计计算中的许用应力值应修改为 σb 3和 σts 118中 较小值 [ 9 ]。对于人孔等大开孔受压元件按照 JB 4732 - 95《钢制压力容器 ———分析设计标准 》(2005 年确认版 )进行局部应力分析计算 ,以验证设备安 全性。 2. 2. 2　结构设计 壳体封头采用标准的椭圆形封头 ,接管采用加 厚接管插入式全焊透结构。塔内塔板为双溢流标准 浮阀塔板。与壳体相焊的固定件为壳体同材质 16MnR,可拆件为不锈钢。 2. 2. 3　制造检验和验收的技术要求 遵循《压力容器安全技术监察规程 》和 GB 150 - 1998《钢制压力容器 》及 GB 150 - 1998的 1、2号 修改单和 JB /T 4710 - 2005《钢制塔式容器 》等相关 法规、规范和标准规定。但由于含硫介质的设备存 在硫化物应力腐蚀开裂 ( SSC)和硫化物氢致开裂 (H IC) ,且壁厚 ,因此设备还应符合以下特殊技术规 定 : 2. 2. 3. 1　对接焊缝和角焊缝的评定 设备和接管的对接焊缝以及角焊缝应模拟实际 制造工况作抗硫化物应力腐蚀开裂 ( SSC)和抗氢致 开裂 (H IC)验证评定 ,其作法和验收评定按本文中 21112 ( e)要求。其中角焊缝在焊接工艺、焊材、焊 剂等相同情况用等厚的对接替代角接。 2. 2. 3. 2　无损检测 a. 所有对接焊缝进行 100%射线检测 ,且进行 100%超声波复验 ,分别符合 JB /T 4730 - 2005中的 Ⅱ级和 Ⅰ级规定。厚壁容器 ,由于焊接过程中温差 可能出现裂纹 ,其中超声检测对裂纹 ,特别是微裂纹 和发纹特别敏感。 b. 接管和壳体角焊缝应保证全焊透 ,焊缝圆滑 过渡。此类焊缝和角焊缝应进行磁粉或着色渗透检 测 ,符合 JB /T 4730 - 2005的 I级规定。其中接管 dn≥200还应进行超声检测 ,符合 JB /T 4730 - 2005 的 I级规定。 c. 超声波和磁粉或着色渗透检测应在设备热处 理前和水压试验后各进行一次。 2. 2. 3. 3　设备热处理 设备应整体热处理 ,热处理后应对焊缝及热影 响区进行硬度检测 ,满足 HB≤200。这是防止硫化 物应力腐蚀开裂的有效措施。 74　第 28卷第 3期 刘文广 :脱硫吸收塔的设计 　　　　　 3　设备制造情况 为了保证设备质量 ,确保安全 ,设计跟踪了整个 制造全过程 ,包括材料进厂、材料复验 ,查阅了相关 质量文件 ,材料理化数据 ,详见表 2。吸收塔筒体封 头厚δ均为 104 mm,其中筒体钢板用料为 112 mm, 最终封头成型厚 δ均在 105～10515 mm。筒体冷 卷 ,钢板用料为 105 mm,最终成型厚度均保证 ≥104 mm。 表 2　材料化学成分和力学性能数据 化学成分 C Si Mn P S Ceq 力学性能 抗拉强度 σb /MPa 屈服点 σs /MPa A / ( % ) A KV ( - 20℃) /J W YJ 221 - 2007 [ 10 ] 熔炼分析 W YJ 221 - 2007 [ 10 ] 成品分析 ≤0. 20 0. 20～0. 60 1. 20～1. 35 ≤0. 015 ≤0. 003 ≤0. 004 ≤0. 45 450～580 ≥275 ≥20 ≥20 实际值 (δ= 112 mm) 0. 17～0. 20 0. 39～0. 42 1. 25～1. 27 0. 009 0. 003 0. 42～0. 43 515～565 355～380 27. 5～31. 5 120～220 实际值 (δ= 105 mm) 0. 16～0. 18 0. 37～0. 42 1. 18～1. 24 0. 006～0. 007 0. 003 0. 30～0. 42 480～520 335～375 26. 5～30. 0 120～273 　　从表 2和材料质证书 [ 11 ]看出 ,材料实际性能达 到 ,甚至超过了设计要求 ,材料和焊缝抗硫验证评定 ( SSC和 H IC) [ 12 ] ,得到了满意结果 ,其中 SSC加载 应力 230 MPa,在 720 h未出现断裂。H IC中 CLR = 0, CTR = 0, CSR = 0,远高于设计和标准规定。 无损检测、热处理、材料和焊缝硬度检测等都符 合法规、规范、标准和设计规定 ,焊缝未出现返工 ,符 合设计文件要求 ,出厂验收合格。 4　结语 a. 脱硫吸收塔投产前用原料气 (含硫天然气 ) 带压 (设计压力 )敏感试验检测试验合格 ,一次投产 成功 ,该设备从未出现任何异常现象 ,设备使用是安 全可靠的 ,保证天然气净化厂和气田开发正常运行。 从脱硫吸收塔设计到天然气净化厂正常运行 ,说明 脱硫吸收塔设计是成功的 ,能保证在设计工况下 ,设 备使用是安全可靠的。随着石油天然气行业不断发 展 ,设备日趋大型化 ,高压、高含 H2 S天然气介质、 厚壁、大直径设备不断出现 ,这就对钢铁行业、制造 业提出了更高要求和考验 ,设备所需材料和制造完 全能国产化。脱硫吸收塔的设计成功和安全运行 , 为今后类似设备设计和制造提供了可行经验。 b. 含硫天然气的压力容器选材应符合 SY/T 0599 - 2006、ISO 15156 - 1～3的规定。本文中提出 SSC和 H IC评定属材料验证评定 ,不属选材评定 ,验 证评定的目的是对制造工艺的评定 ,对使用者提供 标准依据 ,确保本质安全。 参考文献 : [ 1 ]　刘家洪. 高含硫天然气净化厂设计特点 [ J ]. 天然气与 石油 , 2006, 24 (3) : 52255. [ 2 ]　SY/T 0612 - 2008,高含硫化氢气田地面集输系统设计 规范 [ S]. [ 3 ]　中国石油天然气股份有限公司. 中国石油天然气股份 有限公司天然气开发管理纲要 [ Z ]. 北京 :中国石油天 然气股份有限公司 , 2006. [ 4 ]　日本千代田株式会社. 卧龙河脱硫装置引进工程设计 [ Z].东京 :日本千代田株式会社 , 1979. [ 5 ]　JACOBS公司. 罗家寨天然气处理厂基础设计 [ Z ]. 田 纳西州 : JACOBS公司 , 2004. [ 6 ]　中国石油工程设计有限公司西南分公司. 哈萨克扎依 尔含 H2 S原料气分离的设计和工程总结 [ Z]. 成都 :中 国石油工程设计有限公司西南分公司 , 2006. [ 7 ] 　四川石油管理局酸性油气田材料腐蚀检测中心. 16MnR、16Mn锻件和焊缝的 H IC、SSC评定报告 [ Z ]. 成都 :四川石油管理局酸性油气田材料腐蚀检测中 心 , 2005. [ 8 ]　 ISO 15156 - 1～3,石油和天然气工业 -在含有 H2 S的 环境下油气生产使用材料 [ S]. [ 9 ]　刘来福. 如何防止天然气净化装置中设备的应力腐蚀 裂纹 [ J ]. 炼油设备设计 1981, 2: 19224. [ 10 ] 　W YJ 221 - 2007,抗硫化氢腐蚀用 16MnR ( H IC) / 16MnR (R - H IC)钢板供货技术条件 [ S]. [ 11 ]　舞阳钢铁有限责任公司. 16MnR (H IC)钢板和 16Mn 锻件材料质量证明文件 [ Z ]. 漯河 :舞阳钢铁有限责 任公司 /二重集团重型装备股份有限公司 , 2008. [ 12 ]　西北工业大学 . 16MnR (H IC)钢板、16Mn锻件和焊缝 抗 SSC和 H IC评定报告 [ Z ]. 西安 :西北工业大学 / 二重集团重型装备股份有限公司 , 2008. 84 　　　天 　然 　气 　与 　石 　油 2010年