连续重整再生系统管道的防腐选材及设计

秦素亚，孙明菊

(中国石油工程建设公司华东设计分公司,北京 100101)



连续重整再生系统管道的防腐选材及设计

秦素亚，孙明菊

(中国石油工程建设公司华东设计分公司,北京 100101)

作为石油化工企业最重要的生产装置之一的连续重整装置核心部分是反再系统，而反再系统的核心则是催化剂的连续再生。结合催化剂再生过程的特点，针对催化剂再生四个阶段出现的高温金属氧化、氧氯化而导致再生器氯腐蚀、高温临氢腐蚀及催化剂输送对管道的磨损腐蚀等腐蚀现象，提出了再生系统管道的选材要求。由于管道输送的是颗粒状的催化剂，从而决定了催化剂管道设计的特殊性。从壁厚确定、弯管的设计、管道连接器的设计、法兰件的设计、再生装置的提升器L型阀组的设计、膨胀节的金属波纹管结构设计及特殊阀门的选择等方面，对催化剂再生部分管道的配管设计原则及设计要求进行了系统而详细的总结。

催化剂再生 选材 管道壁厚 管件设计 特殊阀门

随着高辛烷值汽油和芳烃需求量的不断增大，作为炼油厂生产高辛烷值汽油和芳烃的主要装置，催化重整已经成为炼油企业重要的二次加工手段之一。连续催化重整装置的核心是反再部分，为了适应较高苛刻度重整反应的需要，在催化重整装置中设置催化剂连续再生系统，使重整催化剂能够在反应部分不停工的条件下连续除掉反应过程中生成的积碳，及时恢复其性能，从而能够长期在接近新鲜催化剂的活性条件下操作。

再生部分的工艺条件苛刻，同时面临高温、临氢、再生气氯腐蚀及催化剂输送过程磨损等腐蚀工况，因此充分了解催化剂再生过程的特点，分析系统存在的腐蚀，合理地进行选材及管道元件选型设计，对装置的长周期运行具有重大意义[1]。

1 催化剂再生的原理及特点

1.1 催化剂再生系统的工艺原理

重整催化剂在长期与原料油分子接触而发生

各种反应的情况下，其多孔结构活性表面就会被反应过程中生成的焦炭所覆盖，导致活性衰退。为了恢复其活性，需要对其烧焦处理，烧去沉积在催化剂多孔结构表面上的焦炭，同时添加由于反应和烧焦过程中失去的部分氯化物，达到催化剂原有活性、选择性和稳定性的目的。

再生过程是在一定压力下用含有少量氧气的惰性气体缓慢烧去催化剂表面的积碳，由于烧焦过程中催化剂上部分氯化物被脱除，使催化剂的金属和酸性功能的平衡被打破，为此，烧焦后注入一定量的二氯乙烷，使氯化物在催化剂的多孔结构中重新被吸附，从而恢复催化剂的各项功能[2]。

1.2 催化剂再生过程的特点

催化剂再生包括四个步骤：烧焦→氧氯化→干燥→还原。催化剂再生典型的操作条件见表1[3]。

表1 催化剂再生典型的操作条件

(2)氧氯化。调整氯含量、氧化和分散催化剂上的铂金属。反应如下：

(3)干燥。从催化剂上脱除水分，通过干燥气体流过催化剂时将水分带走。反应为：

(4)还原。氢气环境中，将催化剂上的金属由氧化态变成还原态，以恢复催化剂活性。

2 催化剂再生过程的腐蚀类型及选材

催化剂再生过程中伴随着高温和临氢，氯化阶段由于注氯而带来的氯腐蚀问题以及输送催化剂颗粒对管道造成严重的磨损腐蚀。催化再生系统中存在的腐蚀详见表2。

表2 催化再生系统中存在的腐蚀

(1)金属的高温氧化。在烧焦区和干燥区，该部分的管道材质最大的危害就是处于高温(580 ℃)和氧化性介质的环境中，金属材料会被氧化。管材的氧化会使得管道壁厚减薄。

选材设计：此部分的管道选用耐高温氧化的材料，如耐高温奥氏体不锈钢，一般选用TP304H或TP316H即可满足要求。

(2)氯离子对管道的腐蚀。向再生器内注氯进行催化剂的氯化，这必然带来再生器及这部分管道的氯腐蚀问题。同时，催化剂的烧焦和氯化阶段产生的HCl，CO2和CO等废气通过再生器顶部进入放空冷却器后，温度下降至露点以下，就会导致混合气体出现酸性气的露点腐蚀，诱发奥氏体不锈钢在氯化物溶液中的应力腐蚀开裂。应力腐蚀往往没有变形预兆，突然断裂。其腐蚀机理主要是：在有氯离子或氯化物等腐蚀环境下，由于氯离子的存在加速了奥氏体不锈钢表面氧化膜的溶解，使金属基体暴露在腐蚀环境中，诱使奥氏体不锈钢发生点蚀并导致应力腐蚀。奥氏体不锈钢在氯离子环境中发生应力腐蚀的主要机理是阳极溶解，在氯离子作用下，不锈钢经过膜破裂、溶解和最终破裂三个阶段，在此过程中氯离子对膜破裂过程起到了至关重要的作用[4]。

选材设计：奥氏体不锈钢的抗氯离子点蚀性能与Mo含量有关，Mo含量越高，抗氯离子点蚀性能越高[5]。由于Mo的存在使钝化膜上的薄弱点密度大大下降,从而促使钝化膜更加均匀、致密，钝化膜变厚，氯离子点蚀影响就会减弱。常用的含Mo的奥氏体不锈钢有TP316，TP316L和TP316H等。考虑到氯化阶段反应温度高，管材除了要抗氯离子点蚀还要耐高温氧化，即在高温下具有一定热强性，故而此部分管道采用TP316H。

(3)高温氢腐蚀。再生、氯化后的催化剂是以氧化态进入反应器的,必须进行催化剂的还原才能发挥作用,还原气是高温(600 ℃)的氢气，此时的腐蚀为高温氢腐蚀。主要腐蚀形式为表面脱碳和内部脱碳。表面脱碳是基材中的碳迁移到表面，形成碳的气体化合物(通常为CH4，或存在含氧气体时形成CO)，而使基材出现贫碳。材料表面常会导致其强度与硬度降低、延性增加。内部脱碳是氢向钢中渗透并反应生成其他气体(如CH4)而造成的。所生成的气体不能从钢中逸出而聚集在晶界空穴处，产生高的局部应力，最终导致钢材微裂、裂缝或鼓泡，使其力学性能明显恶化[6]。

选材设计：影响钢材表面脱碳和内部脱碳的主要因素是氢分压和温度。临氢管材的选择应依据Nelson曲线进行。由于Nelson曲线是基于试验而建的，其温度点有±11 ℃波动，实际选材时应在相应的曲线下增加一个安全度。在还原区由于氢气系统温度高，查Nelson曲线，发现Cr-Mo合金钢会出现表面脱碳现象，不能满足这类高温临氢条件，所以应选用TP304H或TP316H。

(4)磨损腐蚀。由于腐蚀性流体和金属表面间相对运动而引起的金属加速破坏称为磨损腐蚀。在提升催化剂的过程中，催化剂对提升管会产生严重磨损，极易造成提升管穿孔。由于提升气体氢气具有易燃、易爆特性，一旦发生事故，将严重威胁人身和装置的安全。偶国富等对连续重整装置中催化剂提升管磨损机理研究表明：在提升管气固两相流里，催化剂运动颗粒对管道的磨损不是一种单纯的机械损伤,而是流动、腐蚀、冲击、材料性能等多种因素相互作用的结果[7]。催化剂提升管的磨损减薄，主要是由于催化剂颗粒对管道壁面特定区域的多次塑形冲击变形引起的。提升管弯头背部区域磨损比较严重，主要与催化剂颗粒团聚现象和冲击速率有关。

选材设计：连续重整再生系统中待生催化剂和再生催化剂的提升分别采用N2和H2，温度较低，同时气力输送催化剂不受气候和管路外部环境的影响，碳钢即可满足要求。对于催化剂加料斗到催化剂加料闭锁料斗之间的催化剂管道(与大气连通的非密闭性管道)为了防止铁锈带入催化剂、引起催化剂的污染,宜选用不锈钢材质,一般TP304即可满足要求。

3 再生系统催化剂管道及元件的设计

对于连续重整催化剂再生系统，催化剂里含有昂贵的贵金属，因而催化剂管线及管道元件的设计要以减少催化剂颗粒在循环过程的磨损消耗为原则。

3.1 催化剂输送管道的壁厚设计

根据催化剂管道的特点,确定管道、管路附件壁厚主要从管路磨损、输送介质的温度和输送压力等因素综合考虑。根据ASME B31.3-2012 Process Piping，对压力管道来说，大多数都属于薄壁管。故当S< D/6时，受内压直管理论壁厚可按式(1)计算。

(1)

式中:t—计算管壁厚,mm;

P—设计压力,MPa；

D—管外径,mm；

S—设计温度下材料的许用应力,MPa；

E—焊接接头质量系数(见ASMEB31.3表302.3.4)；

W—焊接强度降低系数(见ASMEB31.3表302.3.5)；

Y—温度对管道壁厚计算的修正系数，当温度不高于482 ℃时,取0.4。

考虑到催化剂流动引起的管道磨损，在计算壁厚时，需提高管道的磨损余量。对催化剂管道，不超过DN 50时，壁厚表号一般取SCH160；不低于DN 65时,壁厚表号一般取SCH80。

3.2 催化剂输送管道元件的设计

(1) 催化剂管线煨弯大半径弯头的设计。一方面，催化剂管内介质为固体，要尽量减少催化剂流动的阻力，防止堵塞；另一方面，为防止催化剂磨损，催化剂管线要尽量减少焊缝。因此催化剂管道要采用煨弯的大曲率半径弯头。按照ASME B31.3第332节对弯管进行热煨弯，焊缝处满足100%射线探伤合格。弯头的曲率半径必须满足工艺流程要求，不同口径的管道，煨弯的曲率半径要求也不同。

(2) 催化剂管线的连接件。由于管道一般是以单根6 m的方式供货的，长度超过6 m的管线则需要2根或多根管子现场焊接而成。但是催化剂管线长度长达几十米，中间除法兰连接外全是煨弯大曲率半径弯头，如果管线直接焊接则无法打磨管内焊缝。为保证催化剂管线内焊缝能实现打磨光滑，采用DUR O LOK管道连接器，其材质一般采用304不锈钢，通过两个独特的外环与加工有楔形齿状槽的管箍在一个轴线上安装。

(3) L型阀组。再生系统中有待生催化剂L型阀组，再生催化剂L型阀组及催化剂冷循环模式L型阀组。该部件不是阀门，而是管式发射器，具有较好的催化剂循环量调控能力。L型阀组输送的一次提升气用于输送催化剂颗粒，二次提升气用于调节输送过程的气固比，即调节催化剂的循环量。该阀组在制造厂预制，同时必须用机具把L型阀组内表面凸起的每道焊缝磨至平滑，使焊口两侧的管壁之间的过渡高度平滑，手触摸时必须无凸凹感。

(4)催化剂管道上的法兰件。输送催化剂的管道法兰，在顺着催化剂流动方向下游法兰采用锥孔法兰，结构详见图1。

图1 锥孔法兰结构图

锥孔法兰的管道内壁坡度设计有利于催化剂流动，可以有效地减少催化剂颗粒对管壁的磨损。法兰颈部与管子焊接时，应与管道内壁齐平，避免焊缝处有凸起而磨损催化剂。同理，输送催化剂的八字盲板，采用的是定位八字盲板，即盲板孔的直径和管子内径一致。

(5)催化剂管道上的膨胀节。待生催化剂分离料斗、再生催化剂分离料斗及再生器的下部均设有膨胀节来吸收垂直管道上的热位移。为防止催化剂堆积在膨胀节的波段，膨胀节要做一些特殊处理以达到防止催化剂磨损的要求。所选膨胀节为外压轴向型膨胀节，只能吸收垂直方向的位移。内部设计了一个与催化剂管线同内径的套筒，以防止催化剂进入波纹管内。

3.3 再生系统阀门的设计

催化重整再生装置由于输送的物料为催化剂颗粒，又有氢氧环境隔离等特殊问题，因此相应地采用了特殊阀门。

3.3.1 O型球阀

O型球阀主要用于介质中有催化剂粉尘的场合，是再生操作系统中的关键阀门，需要按照程序和所要求的特定曲线开启和关闭。

特点：全通径设计，消除因变径而产生的介质逆流及对冲现象，最大程度地降低高磨蚀性催化剂对阀门内件的损坏，阀体采用316不锈钢，可以应用于较大的热转移工况。采用整体式阀球和阀杆设计，球体表面镀镍，使球体的表面硬度提高到HRC 68～70。用时设有防颗粒结构的阀座增强器，双向密封，有效地防止长期使用条件下催化剂粉尘在密封座表面和背部的积累。

3.3.2 V型球阀

V型球阀是一种带有V型切口的球阀，用于催化剂流路中控制固体颗粒的流通，安装在待生催化剂和再生催化剂流经的垂直管道上及催化剂取样口处。

特点：阀体材质316不锈钢，表面堆焊司太莱合金，密封为司太莱硬密封，带密封保护环和相应密封用弹簧，可用垫片厚薄来调整V型球位于阀体的中心并使V型球与金属密封之间的间隙保持在一定范围内，这种结构可以大大减轻催化剂及阀芯、阀座的磨损，防止关阀时切碎催化剂。它的V型切口与金属阀座之间具有剪切作用，可以节流和控制流量。

3.3.3 弹簧止回阀

由于再生器烧焦区有氧气通入，再生器具有氧环境。而待生催化剂分离料斗和再生催化剂分离料斗均处于有氢环境，因此，为了氢氧环境的绝对隔离，需要通入N2。弹簧止回阀就是安装在这两个隔离系统N2线上。

特点：弹簧止回阀结构简单，靠介质压力作用于弹簧上来完成启闭动作。当阀门关闭时，O型圈与阀座可以紧密地接触，可以实现零泄漏密封。弹簧关闭件随压差变化灵敏，即一旦氢氧系统压差控制信号显示异常，弹簧止回阀两端所受的压力有变化时，N2会自动靠压力进入管路，防止氢氧互窜，实现氢氧的完全隔离。

4 结 论

(1)催化剂的连续再生是连续重整工艺的主要特点，在这一过程中，催化剂再生分别经历了烧焦阶段、氧氯化阶段、干燥阶段及还原四个阶段。

(2)再生系统工况苛刻，输送催化剂管道要求严格，该系统主要存在的腐蚀为金属材料的高温氧化、氯化物应力腐蚀、高温氢腐蚀及催化剂对管道磨损腐蚀，在管道选材时要结合催化剂再生的特点及各自的腐蚀情况合理选材。

(3)催化剂输送管道在设计时，要注意管件、法兰与管道的内径要保持一致，管道及元件之间的连接均采用对焊接形式，并将内部焊缝打磨光滑，以免催化剂在输送过程中因内径不同而遭到冲击破坏。

[1] 曾艳,李明浩.连续重整装置反应管道的设计[J].炼油技术与工程,2011,46(6):40-43.[2] 沈锡柱.连续重整装置工艺设备和管道的腐蚀与防护[J].腐蚀与防护,2006,27(4):45-50.

[3] 徐承恩.催化重整工艺与工程[M].北京:中国石化出版社，2009：388-389.

[4] 李国帅.S32168不锈钢在氯离子环境中的应力腐蚀研究[D].山东:山东大学机械工程学院,2013.

[5] 张恒华,王德英,周建辉,等.钼对超纯铁素体不锈钢在中性氯介质中抗点蚀性能的影响[J].腐蚀科学与技术,1993,5(3):163-168.

[6] 张澄清.加氢裂化装置管道腐蚀类型及材料的选用[J].2009,炼油技术与工程,39(6):33-35.

[7] 偶国富,包金哲,章利特,等.连续重整装置催化剂提升管磨损失效分析[J].浙江理工大学学报,2010,27(1):89-93.

(编辑 张向阳)

Material Selection and Design for Piping of Regeneration System in Continuous Catalytic Reforming Unit

QinSuya,SunMingju

(CPECCEast-ChinaDesignBranch(Beijing),Beijing100101,China)

Continuous catalytic reforming unit is one of important process units in petrochemical companies,in which the reaction section and regeneration section are the core sections of the reformer.Whereas,the continuous catalyst regeneration is the core part in the reaction-regeneration section.According to the characteristics of the regeneration section,such as hot metal oxidation,chlorine corrosion by oxychlorination,high-temperature hydrogen corrosion and erosion corrosion by catalysts transfer,material selection requirements are proposed for the corrosion.The granulate catalysts in the piping decides the particularity of catalysts piping design.The detailed piping design principles and design requirements for the piping of catalyst regeneration section are summarized in detail in respect of wall thickness determination,bend design,pipe coupling design,flange parts design,riser L valve bank design,design of structure for metal bellow expansion joint and selection of special valves.

catalyst regeneration,material selection,pipe wall thickness,pipe fitting design,special valves

2016-01-22；修改稿收到日期：2016-03-29。

秦素亚(1982-)，工程师，硕士，2008年毕业于中国石油大学(北京)，主要从事炼油管道设计选材工作。E-mail:bj-qinsuya@cnpccei.cn