熱壁加氫反應(yīng)器的檢驗(yàn)技術(shù)

朱晏萱，霍維晶，柏明清

(1 克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院,新疆　獨(dú)山子　833699；2 獨(dú)山子石化公司研究院，新疆　獨(dú)山子　833699)

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熱壁加氫反應(yīng)器的檢驗(yàn)技術(shù)

朱晏萱1，霍維晶1，柏明清2

(1 克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院,新疆獨(dú)山子833699；2 獨(dú)山子石化公司研究院，新疆獨(dú)山子833699)

闡述了熱壁加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及一般選材，對制造、使用過程中可能出現(xiàn)的腐蝕、材質(zhì)裂化、裂紋及其他損傷情況進(jìn)行了歸納，對損傷產(chǎn)生的原因、防止或減少損傷發(fā)生的方法進(jìn)行了總結(jié)。重點(diǎn)論述了熱壁加氫反應(yīng)器的檢驗(yàn)技術(shù)，根據(jù)基層和內(nèi)襯層的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對無損檢測方法分別進(jìn)行了總結(jié)，最后對風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)技術(shù)在熱壁加氫反應(yīng)器檢驗(yàn)的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

熱壁加氫反應(yīng)器；回火脆化；氫腐蝕；堆焊層剝離；風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)

在煉化行業(yè)中，為提高油品的出油率和質(zhì)量，在1960年代初開始了采用“加氫”技術(shù)，隨后大量的加氫反應(yīng)器應(yīng)用于煉化行業(yè)。加氫反應(yīng)器初始采用冷壁結(jié)構(gòu)形式，冷壁加氫反應(yīng)器一般指金屬設(shè)計(jì)壁溫在300℃以下的反應(yīng)器，在殼體內(nèi)通過裝設(shè)隔熱內(nèi)襯層[1]，達(dá)到冷壁的效果。隨著鋼材冶金水平和制造工藝(尤其是不銹鋼堆焊材料和堆焊技術(shù))的不斷提高，從20世紀(jì)70年代開始，熱壁加氫反應(yīng)器逐漸增多，即取消內(nèi)壁的隔熱層，金屬壁溫從300℃以下提高至450℃以上。相比于冷壁加氫反應(yīng)器，熱壁加氫反應(yīng)器有以下優(yōu)良特點(diǎn)：(1)同尺寸條件下，內(nèi)部容積更大；(2)避免冷壁隔熱層脫落導(dǎo)致的外壁材料損傷及停工修復(fù)。所以目前國內(nèi)煉化行業(yè)中普遍應(yīng)用的均為熱壁加氫反應(yīng)器，本文主要從熱壁加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用環(huán)境及檢驗(yàn)修復(fù)等方面進(jìn)行論述。

1　熱壁加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及選材

圖1　熱壁加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖

圖1為熱壁加氫反應(yīng)器的一般結(jié)構(gòu)圖，該容器為板焊結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁堆焊不銹鋼，所有接管均采用整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，裙座為對接結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有凸臺等結(jié)構(gòu)。

加氫反應(yīng)器的筒體基層選材一般以耐高溫和氫腐蝕的Cr-Mo鋼為主，根據(jù)操作工況，考慮到氫損傷問題，需要將操作時(shí)的最高氫分壓和操作溫度提高，再參考nelson曲線進(jìn)行選材，復(fù)層的選材一般以TP309L+TP347為主，內(nèi)件以304為主[2-3]。1Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo、2.25Cr-1Mo、2.25Cr-1Mo-V、3Cr-1Mo-V是常用的加氫反應(yīng)器的基層材料，2.25Cr-1Mo-V和3Cr-1Mo-V與兩外三種材料相比性能較好，主要體現(xiàn)在：(1)更好的抗氫腐蝕能力。3Cr-1Mo-V鍛鋼的抗氫溫度比2.25Cr-1Mo高50℃，2.25Cr-1Mo-V比2.25Cr-1Mo高56℃。(2)具有更高的強(qiáng)度?？梢允乖O(shè)備質(zhì)量減輕，節(jié)省相應(yīng)的費(fèi)用[4]。

2　熱壁加氫反應(yīng)器的腐蝕

由于熱壁加氫反應(yīng)器具有使用壓力高(最高可達(dá)20 MPa)、溫度高(壁溫可達(dá)450℃)、壁厚大(最高可達(dá)250 mm)及介質(zhì)較為苛刻(含有較高的氫分壓、H2S等)等特點(diǎn)，反應(yīng)器的基材和堆焊層在制造及使用過程中會產(chǎn)生多種損傷形式。

2.1基材損傷(以Cr-Mo鋼為主)

2.1.1制造缺陷

(1)回火脆化

材料中的化學(xué)成分P、Sn、As、Sb等元素對鋼材的回火脆性影響較大，Si、Mn對回火脆化起促進(jìn)作用，Cr、Mo、Cu、V在一定的范圍內(nèi)對回火脆化起促進(jìn)作用。另外Cr-Mo鋼焊后需要經(jīng)多次回火及焊后熱處理過程，熱處理的保溫時(shí)間對回火脆化有一定的影響。相關(guān)研究人員通過計(jì)算回火參數(shù)P.t值來計(jì)算材料的最佳韌性，當(dāng)P.t≤18.3時(shí)，能保證最終熱處理回火參數(shù)值落在最佳區(qū)域內(nèi)[5]。

(2)冷裂紋

加氫反應(yīng)器筒體基材厚度大、淬硬性高、所以Cr-Mo鋼焊接后的應(yīng)力也較高，焊接后的冷裂紋傾向比較明顯。

(3)再熱裂紋

內(nèi)層不銹鋼在堆焊過程中，在焊道搭接處下方基層容易發(fā)生開裂。

2.1.2運(yùn)行過程缺陷

(1)回火脆化

當(dāng)Cr-Mo鋼長期處于375～575℃溫度范圍內(nèi)工作或在這一溫度中緩慢通過，材料將產(chǎn)生韌性下降的現(xiàn)象，由于這一現(xiàn)象類似于回火處理，故稱為回火脆化?？赡嫘院涂上允腔鼗鸫嗷膬蓚€(gè)特征：將已發(fā)生脆化的材料重新加熱到一定溫度以上，材料的韌性和晶間裂紋分別可以恢復(fù)和消失；回火脆性可以通過回火脆化量來進(jìn)行計(jì)算[6]，也有研究人員[7]采取控制化學(xué)元素組成和嚴(yán)格操作工藝規(guī)程等措施避免了回火脆性的發(fā)生。

(2)氫腐蝕

在高溫、高壓環(huán)境下，材料中的氫與內(nèi)部碳化物反應(yīng)生成CH4，生成的甲烷無法逸出，在晶界或不連續(xù)結(jié)構(gòu)處聚集，壓力逐漸增高，導(dǎo)致氫鼓泡、微裂紋、脫碳的產(chǎn)生，材料的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)明顯下降。氫腐蝕一般要經(jīng)過潛伏期、生長期和飽和狀態(tài)三個(gè)階段，限制條件參考nelson曲線[8-9]。

影響氫腐蝕的材料因素主要有材料中的強(qiáng)碳化形成元素、雜質(zhì)含量、材料的熱處理過程及介質(zhì)中H2O和H2S的影響等[8]。

(3)氫脆

焊接遺留的氫會引起材料脆化，材料的塑性指標(biāo)會明顯下降，因此焊接時(shí)應(yīng)選低氫類焊材，焊接完成后應(yīng)立即進(jìn)行消氫熱處理。

2.2堆焊層損傷

2.2.1制造過程損傷

(1)堆焊層的熱裂紋和σ相脆化

奧氏體不銹鋼焊接可能會產(chǎn)生焊接過程的熱裂紋，當(dāng)焊縫金屬為奧氏體+鐵素體雙相組織，且鐵素體含量3%～10%時(shí)[10]，不易發(fā)生焊接熱裂紋。有研究人員通過試驗(yàn)[11]發(fā)現(xiàn)，滲氫后的反應(yīng)器材料斷裂應(yīng)力和塑性顯著下降，裂紋擴(kuò)展以穿晶為主。

(2)過渡區(qū)材質(zhì)脆化和開裂

堆焊時(shí)堆焊層會出現(xiàn)脆性馬氏體帶，在堆焊及進(jìn)行熱處理時(shí)，由于熔合區(qū)兩側(cè)材料熱膨脹系數(shù)不同，容易產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋和堆焊層剝離缺陷產(chǎn)生[10]。

(3)堆焊層下冷裂紋和再熱裂紋。

通過檢驗(yàn)已運(yùn)行十年、二十年的汽油、柴油加氫反應(yīng)器，未發(fā)現(xiàn)堆焊層下冷裂紋和再熱裂紋缺陷，但國內(nèi)其他類型加氫反應(yīng)器在凸臺附近出現(xiàn)過類似缺陷，這也是停工檢驗(yàn)檢查的重點(diǎn)。

2.2.2使用中產(chǎn)生的缺陷

(1)高溫硫化物腐蝕

高溫硫化物腐蝕發(fā)生在存在硫化物、硫化氫介質(zhì)時(shí)的腐蝕減薄，奧氏體加鐵素體雙相組織鋼具有較好的耐蝕性能。

(2)硫化物應(yīng)力腐蝕開裂

硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)一般在裝置停工或設(shè)備停車期間，由于介質(zhì)中的硫被空氣氧化成連多硫酸導(dǎo)致的，采用抗裂敏感性高的雙相組織堆焊層不銹鋼、降低硫含量可以避免開裂的發(fā)生。

(3)堆焊層的剝離

堆焊層的剝離多發(fā)生于氫在堆焊層和母材界面聚集，剝離原因可能在制造、使用中、停工冷卻時(shí)，由于聚集氫濃度突然增加或逐步增加導(dǎo)致堆焊層和母材剝離，在制造時(shí)進(jìn)行消氫處理、減少介質(zhì)中硫化氫的含量及正確的停工操作可以避免堆焊層剝離的發(fā)生。

(4)堆焊層表面裂紋

堆焊時(shí)產(chǎn)生的σ相在反應(yīng)器使用中會溶解氫，從而引起襯里層塑性的下降，當(dāng)濃度達(dá)到一定程度時(shí)會在在σ相附近形成裂紋并擴(kuò)展，有研究人員[12]進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，基材的斷裂韌性是影響堆焊層裂紋擴(kuò)展的重要條件。

3　熱壁加氫反應(yīng)器的檢驗(yàn)

根據(jù)加氫反應(yīng)器的特點(diǎn)和損傷模式狀況，一般采取宏觀檢查、壁厚測定、磁粉檢測、滲透檢測、超聲檢測、硬度檢測、金相分析、鐵素體含量測定、緊固件檢測、安全附件檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)。在全面檢驗(yàn)的過程中重點(diǎn)需對運(yùn)行中產(chǎn)生的缺陷、活性缺陷等進(jìn)行檢測。

3.1基材Cr-Mo鋼材料的檢驗(yàn)

3.1.1表面缺陷檢測

采用滲透、磁粉等檢測方法從外壁進(jìn)行檢測，檢測范圍至少包含：筒體環(huán)焊縫及其上下表面一定范圍(根據(jù)壁厚)，裙座與反應(yīng)器本體連接角焊縫。人孔、接管角焊縫及其熱影響區(qū)。

3.1.2內(nèi)部缺陷檢測

先采用單晶直探頭從外壁對焊縫及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)的母材進(jìn)行掃查，記錄發(fā)現(xiàn)的體積型缺陷、未熔合、裂紋等面型缺陷、母材中的體積型缺陷、面積缺陷等。再采用斜探頭從外壁沿平行于焊縫和垂直于焊縫兩個(gè)方向進(jìn)行掃查。

3.2堆焊層檢測

3.2.1堆焊層剝離及未熔合

先從外壁采用超聲直探頭進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)較大尺寸缺陷時(shí)在內(nèi)壁進(jìn)行復(fù)查。

3.2.2表面缺陷檢測

采用滲透檢測方法對內(nèi)表面進(jìn)行檢測，檢測范圍至少包含：本體內(nèi)壁環(huán)焊縫、凸臺、凸臺附近堆焊層、接管(含人孔)、熱電偶套管及法蘭密封面等部位。

3.2.3堆焊層內(nèi)和層下缺陷檢測

從外壁采用單晶直探頭、單晶橫波斜探頭、單晶縱波斜探頭對堆焊層內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測，并從內(nèi)壁采用雙晶直探頭和雙晶縱波斜探頭對發(fā)現(xiàn)的的缺陷進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。

3.3硬度、金相及鐵素體含量檢測

對反應(yīng)器的筒體與上下封頭母材、焊縫及熱影響區(qū)、堆焊層進(jìn)行硬度抽查(減少堆焊層表面的硬度測試)，返修部位和超溫部位也應(yīng)進(jìn)行硬度檢測。

金相檢測的重點(diǎn)是判斷晶界碳化物析出情況，是否存在應(yīng)力腐蝕微裂紋及氫腐蝕裂紋、球化及石墨化是否存在及嚴(yán)重程度等。對硬度檢測發(fā)現(xiàn)的異常部位、無損檢測發(fā)現(xiàn)裂紋的部位、鐵素體含量超標(biāo)部位、制造過程中的返修部位和使用過程中的超溫部位應(yīng)進(jìn)行金相檢測。

4　基于RBI技術(shù)的加氫反應(yīng)器的檢驗(yàn)

以某石化裝置60萬噸/年加氫裂化裝置加氫反應(yīng)器為例，介紹加氫反應(yīng)器基于RBI風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)[13]的基本檢驗(yàn)過程。

4.1加氫反應(yīng)器的腐蝕計(jì)算及檢驗(yàn)策略

采集設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及工藝物流數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)輸入軟件中進(jìn)行腐蝕計(jì)算，腐蝕計(jì)算的過程基于API581標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，腐蝕計(jì)算可以得到設(shè)備各個(gè)部件的損傷類別、損傷機(jī)理、敏感性或腐蝕速率(表1)，根據(jù)損傷類別和損傷敏感性或腐蝕速率就可以制定相應(yīng)的檢驗(yàn)策略，檢驗(yàn)策略的選擇主要是降低評價(jià)出的損傷類別帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評估中腐蝕計(jì)算的結(jié)果，制定出相應(yīng)的檢驗(yàn)策略，見表2，因?yàn)橛?jì)算出的損傷類別是減薄、損傷機(jī)理是高溫硫/環(huán)烷酸腐蝕，所以檢驗(yàn)策略中僅需要測厚檢測及內(nèi)部的宏觀檢查便能有效的識別出計(jì)算損傷。

表1　反應(yīng)器損傷機(jī)理表

表2　反應(yīng)器檢驗(yàn)策略

4.2加氫反應(yīng)器的檢驗(yàn)策略修正

除軟件分析給出的主導(dǎo)腐蝕機(jī)理外，反應(yīng)器在使用過程中還可能出現(xiàn)連多硫酸應(yīng)力腐蝕(停工時(shí)發(fā)生)、人孔密封槽底應(yīng)力腐蝕開裂、堆焊層σ相脆化、回火脆化、蠕變等幾種損傷機(jī)理。軟件計(jì)算值與實(shí)際中出現(xiàn)的損傷有時(shí)不一致，導(dǎo)致不一致的原因有多種，一方面是由于軟件本身在評價(jià)某些損傷機(jī)理時(shí)存在固有的局限，另一方面是RBI計(jì)算的前提條件是基于裝置、設(shè)備在設(shè)計(jì)和制造過程中無缺陷，在實(shí)際中是很難做到的。

為了客觀、準(zhǔn)確的制定出反應(yīng)器的檢驗(yàn)策略，需要根據(jù)以往檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)、同行業(yè)的檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充。補(bǔ)充內(nèi)容如下：(1)反應(yīng)器檢驗(yàn)以內(nèi)外部宏觀檢查、測厚和內(nèi)部堆焊層滲透(PT)為主，PT 檢查的重點(diǎn)部位為內(nèi)部凸臺、接管、熱電偶套管角焊縫和人孔密封槽底以及鐵素體含量不正常部位；(2)當(dāng)熱電偶套管變形角度達(dá)到45°以上時(shí)應(yīng)及時(shí)更換；(3)內(nèi)部凸臺、接管、熱電偶套管角焊縫和人孔密封槽底等部位應(yīng)進(jìn)行100%的PT 檢查；堆焊層表面抽查20%，重點(diǎn)為鐵素體含量不正常部位、補(bǔ)焊、手工堆焊部位；(4)當(dāng)懷疑可能存在堆焊層剝離，應(yīng)增加超聲波掃查；(5)對鐵素體含量超標(biāo)部位應(yīng)進(jìn)行鐵素體含量測定，并進(jìn)行金相檢查。

5　結(jié)　語

熱壁加氫反應(yīng)器由于使用條件苛刻，在檢驗(yàn)過程中需充分考慮環(huán)境變化導(dǎo)致的反應(yīng)器損傷問題，制定檢驗(yàn)策略時(shí)應(yīng)多向設(shè)備管理人員詢問設(shè)備使用過程中的壓力、溫度及介質(zhì)變化情況，變化發(fā)生和持續(xù)的時(shí)間，根據(jù)操作變化情況結(jié)合歷次檢驗(yàn)情況來選擇有效的檢驗(yàn)方法。

RBI技術(shù)在反應(yīng)器的損傷機(jī)理識別方面可能會存在一些局限性，隨著評估技術(shù)的發(fā)展及腐蝕數(shù)據(jù)庫的不斷累積，基于RBI技術(shù)的檢驗(yàn)是一個(gè)趨勢。檢驗(yàn)的最終目的不僅僅是發(fā)現(xiàn)缺陷和制定下次檢修周期，而是通過停工檢驗(yàn)和在線檢驗(yàn)降低設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)設(shè)備的損傷機(jī)理和風(fēng)險(xiǎn)制定更加有效檢驗(yàn)方法，保障設(shè)備的安全運(yùn)行。

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Inspection Technology for Hot-wall Hydrogenation Reactor

ZHU Yan-xuan1,HUO Wei-jing1,BAI Ming-qing2

(1 Kelamayi Vocational Technique Institute,Xinjiang Dushanzi 833699; 2 Research Institute of Dushanzi Petrochemical Corp,Xinjiang Dushanzi 833699,China)

Structure,material selection,corrosion in using,crack and other damage situation of hot-wall hydrogenation reactor were discussed,and the cause for damage,the way to reduce or prevent damage were also summarized.Inspection technology for hot-wall hydrogenation reactor was mainly discussed,the NDT method was summarized according to the material and structure for the base and lining,the applying of risk based inspection using in hot-wall hydrogenation reactor inspection was also introduced.

hot-wall hydrogenation reactor;temper embrittlement;hydrogen attack;overlay spalling;risk inspection

朱晏萱(1982-)，女，講師，主要從事化工設(shè)備檢維修技術(shù)應(yīng)用研究。

TQ052.6

B

1001-9677(2016)04-0121-03