加氫反應(yīng)器的日常管理及檢驗(yàn)

馮勇杰 卓全錄

（1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院濮陽(yáng)分院，河南 濮陽(yáng) 457000；2.濮陽(yáng)市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所，河南 濮陽(yáng) 457000）

隨著大氣污染不斷加劇，輕質(zhì)油品需求量逐年增加，在原油煉制等化工行業(yè)中，采用高溫高壓的加氫精制技術(shù)越來越普遍，加氫精制裝置和加氫裂化裝置中的核心設(shè)備——加氫反應(yīng)器已經(jīng)成為石油化工提煉重要關(guān)鍵裝置設(shè)備。目前在役的加氫反應(yīng)器已經(jīng)使用多年，加上其工作溫度高，壓力大，運(yùn)行條件極為苛刻，同時(shí)為了獲得更佳的經(jīng)濟(jì)效益，加氫反應(yīng)器正向大型化方向發(fā)展，這些都對(duì)加氫精化反應(yīng)器的安全運(yùn)行提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。因此，加強(qiáng)加氫精化反應(yīng)器的日常管理與維護(hù)，嚴(yán)格按照《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（TSG R0004-2009）做好制造及安裝過程中的監(jiān)督檢驗(yàn)及運(yùn)行過程中的定期全面檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，減少和遏制事故發(fā)生。

1 加氫反應(yīng)器運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)及制造材料

1963年，日本制鋼所生產(chǎn)出第一臺(tái)加氫反應(yīng)器，石油煉化進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)期。我國(guó)從20 世紀(jì)70年代末開始有了加氫反應(yīng)器的制造技術(shù)[1]。

目前在役的加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式主要有多層結(jié)構(gòu)、板焊結(jié)構(gòu)和鍛焊結(jié)構(gòu)三種。多層結(jié)構(gòu)內(nèi)筒選用抗氫腐蝕和H2S的材料。外層板一般為高強(qiáng)鋼。由于多層結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)性，會(huì)造成較大的熱應(yīng)力和因缺口效應(yīng)，從而使疲勞強(qiáng)度下降，一般適用于溫度低于350℃和壓力相對(duì)平穩(wěn)的場(chǎng)合。板焊結(jié)構(gòu)有縱、環(huán)焊縫，焊縫多，相對(duì)于多層機(jī)構(gòu)而言，具有連續(xù)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于對(duì)容器進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。由于加氫反應(yīng)器承壓較高，壁厚較厚，焊接工作量大，焊接質(zhì)量較難保證。鍛焊結(jié)構(gòu)僅有環(huán)焊縫，對(duì)提高反應(yīng)器耐周向應(yīng)力的可靠性有利，而且焊縫少，焊接質(zhì)量較易保證，目前已廣泛應(yīng)用。目前在役的加氫設(shè)備主要為板焊結(jié)構(gòu)和鍛焊結(jié)構(gòu)兩種。

從其使用狀態(tài)下高溫介質(zhì)是否直接與器壁接觸可分為熱壁結(jié)構(gòu)和冷壁結(jié)構(gòu)。冷壁結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)非金屬隔熱襯里，因壁溫低，可選用耐氫腐蝕檔次較低的材料，即使反應(yīng)物料中含有H2S時(shí)，對(duì)器壁的腐蝕也不大。冷壁結(jié)構(gòu)容易造成器壁局部過熱，安全性差，雖然目前在役的數(shù)量仍然占多數(shù)，但新建工程已較少使用。熱壁結(jié)構(gòu)反應(yīng)器介質(zhì)與器壁直接接觸，容易對(duì)器壁造成腐蝕，但隨著反應(yīng)器焊接技術(shù)及耐腐蝕材料的發(fā)展，此類反應(yīng)器國(guó)外已占統(tǒng)治地位，我國(guó)也完全可以自主設(shè)計(jì)制造此類容器，目前新建工程大部分為熱壁反應(yīng)器。目前熱壁結(jié)構(gòu)加氫反應(yīng)器已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

早期的加氫反應(yīng)器由Cr-Mo鋼板內(nèi)壁加不銹鋼復(fù)合板焊接完成，20 世紀(jì)80年代，我國(guó)研制出2.25Cr-1Mo 鋼反應(yīng)器材料和制造工藝。20世紀(jì)90年代，隨著設(shè)備大型化的要求以及新加工工藝不斷涌現(xiàn)，通過加V 改變J 系數(shù)，從而改變Cr-Mo 鋼的回火脆性。目前使用的反應(yīng)器制造材料一般為2.25Cr-1Mo-V、3Cr-1Mo-V-Ti-B、3Cr-1Mo-V-Nb-Ca、3Cr-1Mo-0.25V、2.25Cr-1Mo-0.25V等[2]。

隨著反應(yīng)器大型化，在組焊方式上也由在加工廠組焊變?yōu)榘惭b現(xiàn)場(chǎng)組焊，甚至由第三方組焊，裝置質(zhì)量責(zé)任主體復(fù)雜，由于場(chǎng)地限制，焊接質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)困難，對(duì)焊接質(zhì)量管理及檢驗(yàn)提出了更高的要求。

1.2 加氫反應(yīng)器存在的問題

隨著鍛造技術(shù)的發(fā)展及鍛造筒體的縮口技術(shù)開發(fā)，目前反應(yīng)器回火脆性問題已經(jīng)得到基本解決。但由于加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作條件十分苛刻，且要求設(shè)備耐高溫（約400℃～450℃）、耐高壓（8～18MPa），在使用過程中容易產(chǎn)生氫脆、氫腐蝕、硫化氫腐蝕等損傷。加氫反應(yīng)器在使用過程中常見的問題有以下幾種：

1.2.1 氫脆：所謂氫脆，就是指氫殘留在鋼中所引起的脆化現(xiàn)象。氫原子侵入鋼材，使結(jié)晶的原子結(jié)合力變?nèi)酰蛘咦鳛榉肿訝钤诰Ы缁驃A雜物周邊上析出的結(jié)果，使得加氫反應(yīng)器器壁延伸率和斷面收縮率顯著下降。

加氫反應(yīng)器一般在高溫高壓下運(yùn)行，在此狀態(tài)下，器壁中會(huì)吸收一定量的氫。在停工的過程中，如果冷卻速度太快，鋼中的氫來不及擴(kuò)散出來，造成過飽和氫殘留在器壁內(nèi)，就可能在溫度低于150℃時(shí)引起亞臨界裂紋擴(kuò)展，從而產(chǎn)生裂紋，對(duì)設(shè)備的安全使用帶來威脅。

氫脆多發(fā)生在反應(yīng)器支持圈角焊縫上以及堆焊奧氏體不銹鋼的梯形槽法蘭密封面的槽底拐角處。

1.2.2 高溫氫腐蝕［3］：高溫高壓條件下，介質(zhì)中的氫氣擴(kuò)散侵入鋼中，與不穩(wěn)定的碳化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

產(chǎn)生的甲烷在晶間形成氣泡，并在空穴和非金屬夾雜部位聚集，引起鋼的強(qiáng)度、延性和韌性下降與劣化，同時(shí)發(fā)生晶間斷裂。

高溫氫腐蝕如果產(chǎn)生在表面，造成表面脫碳，表面脫碳的影響一般很輕，其鋼材的強(qiáng)度和硬度局部有所下降，而延性會(huì)有所提高。氫擴(kuò)散至反應(yīng)器內(nèi)部，造成內(nèi)部脫碳，并產(chǎn)生甲烷，如果甲烷又不能擴(kuò)散出鋼外，就聚集于晶界空穴和夾雜物附近，形成很高的局部應(yīng)力，使鋼產(chǎn)生龜裂、裂紋或鼓包，其力學(xué)性能發(fā)生顯著的劣化。

影響加氫反應(yīng)器高溫氫腐蝕主要是：①溫度和壓力：溫度越高或者壓力越大發(fā)生高溫腐蝕的起始時(shí)間就越早。②設(shè)備維修焊后熱處理工序：對(duì)于淬火狀態(tài)，只需經(jīng)很短時(shí)間加熱就出現(xiàn)了氫腐蝕。但是一施行回火，且回火溫度越高，由于可形成穩(wěn)定的碳化物，抗氫腐蝕性能就得到改善。

1.2.3 高溫硫化氫腐蝕：在加氫反應(yīng)器中，一般都會(huì)有硫化氫腐蝕介質(zhì)存在。對(duì)于以碳鋼或低鉻鋼制的設(shè)備，在操作溫度高于204℃，其腐蝕速度將隨著溫度的升高而增加。特別是當(dāng)硫化氫和氫共存的條件下，它比硫化氫單獨(dú)存在時(shí)產(chǎn)生的腐蝕還要更為劇烈和嚴(yán)重。氫在這種腐蝕過程中起著催化劑的作用，加速了腐蝕的進(jìn)展。

1.2.4 堆焊層氫致剝離：加氫反應(yīng)器在設(shè)計(jì)和制造過程中，為了抵抗H2S的腐蝕，一般在內(nèi)表面會(huì)堆焊幾毫米厚的不銹鋼堆焊層高溫高壓氫環(huán)境下操作的反應(yīng)器，氫會(huì)侵入擴(kuò)散到器壁中。由于制作反應(yīng)器本體材料和堆焊層用的奧氏體不銹鋼結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同，造成氫的溶解度和擴(kuò)散速度都不一樣，使堆焊層界面上氫濃度形成不連續(xù)狀態(tài)。由于母材的溶解度與溫度的依賴性更大，當(dāng)反應(yīng)器從正常運(yùn)行狀態(tài)下停工冷卻到常溫狀態(tài)時(shí)，在過渡區(qū)界面上的堆焊層側(cè)聚集大量的氫而引起脆化，造成堆焊層剝離。

2 加氫反應(yīng)器在役檢驗(yàn)

由于加氫反應(yīng)器運(yùn)行條件苛刻，在運(yùn)行過程中容易產(chǎn)生高溫氫腐蝕、氫致裂紋、堆焊層氫致剝離裂紋和回火脆性等諸多問題，對(duì)加氫反應(yīng)器嚴(yán)格按照《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（TSG R0004-2009）和《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》（TSG R7001-2013）做好定期檢驗(yàn)工作尤為重要。

在定期檢驗(yàn)過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：

①應(yīng)力集中的部位：常見的應(yīng)力集中部位有法蘭的梯形密封槽、內(nèi)外部構(gòu)件與殼體連接的焊縫等；

②焊縫容易產(chǎn)生堆焊層氫致剝離的部位；

③反應(yīng)器內(nèi)表面有無(wú)鼓包現(xiàn)象；

④器壁尤其是焊縫兩側(cè)有無(wú)裂紋；

⑤容器在制造及運(yùn)行過程中的返修部位。

檢驗(yàn)的重點(diǎn)應(yīng)該是法蘭密封面、高應(yīng)力和應(yīng)力集中區(qū)，主焊縫、堆焊層及層下缺陷和主螺栓。

在役檢驗(yàn)主要采用無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行，包括目視檢查（VT）、磁粉檢測(cè)（MT）、滲透檢測(cè)（PT）和超聲波檢測(cè)（UT）以及超聲波衍射時(shí)差法（TOFD）。

3 加氫反應(yīng)器的使用注意事項(xiàng)

加氫反應(yīng)器作為加氫工藝的關(guān)鍵設(shè)備，正確使用并做好定期維護(hù)保養(yǎng)能有效減少安全事故發(fā)生，同時(shí)也能夠顯著延長(zhǎng)使用壽命。在使用過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

①嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作；

②盡量避免非計(jì)劃的緊急停車；

③在開停工時(shí)必須采用較高的最低升壓溫度。即在開工時(shí)先升溫后升壓，停工時(shí)先降壓后降溫，美國(guó)石油協(xié)會(huì)API推薦MPT（最低升壓溫度）為93℃；

④設(shè)備維修時(shí)，要根據(jù)母材成分及特性合理選擇焊接材料及焊接工藝，宜采用大電流高焊速的堆焊工藝，并及時(shí)做好焊后熱處理；

⑤按照《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》（TSG R7001-2013）做好定期檢驗(yàn)工作。

4 結(jié)語(yǔ)

加氫反應(yīng)器為加氫工藝的關(guān)鍵設(shè)備，工作溫度高，壓力大，運(yùn)行條件極為苛刻，在使用過程中容易產(chǎn)生高溫氫腐蝕、氫致裂紋、堆焊層氫致剝離裂紋和回火脆性等諸多問題，在使用過程中，做好日常的管理與維護(hù)，避免非計(jì)劃的緊急停車，開停工時(shí)必須采用較高的最低升壓溫度，設(shè)備維修后及時(shí)做好焊后熱處理，并做好定期檢驗(yàn)工作，能有效減少安全事故的發(fā)生，并顯著增加反應(yīng)器使用壽命。

［1］陳曉玲，李多民，段滋華.加氫反應(yīng)器的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.化工裝備技術(shù)，2009，30（1）：28-31.

［2］張振戎，張文輝，盧春慶.加氫反應(yīng)器的發(fā)展歷史［J］.一重技術(shù)，2014，99（1）：1-3.

［3］黎國(guó)磊.加氫反應(yīng)技術(shù)［D］，中國(guó)石化集團(tuán)洛陽(yáng)石油化工工程公司，2009.