加氫反應(yīng)器RBI 檢驗及缺陷分析處理

吳遠建 李修能 趙文靜 張春義

（中國特種設(shè)備檢測研究院）

加氫裂化是原料油在高溫、高壓和催化劑共同作用下進行的加氫、脫硫、脫氮、分子骨架結(jié)構(gòu)重排及裂解等反應(yīng)的一種催化轉(zhuǎn)化過程。 盡管加氫裂化有很多種工藝過程，但其中反應(yīng)可概括為兩類——加氫精制反應(yīng)和加氫裂化反應(yīng)。 加氫精制反應(yīng)一般指原料油的凈化，即雜原子烴中雜原子的脫除反應(yīng)，如加氫脫硫、加氫脫氮及加氫脫金屬等；加氫裂化反應(yīng)主要是烴類的加氫異構(gòu)化和裂化反應(yīng)。 完成這兩類反應(yīng)的加氫裂化裝置的核心設(shè)備是加氫反應(yīng)器。 其中，加氫精制反應(yīng)器完成原料油的凈化以滿足加氫裂化進料的要求；加氫裂化反應(yīng)器完成原料油的裂化反應(yīng)，將重質(zhì)油轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油，為后續(xù)工藝分割不同的產(chǎn)品提供原料［1］。

精制反應(yīng)器一般操作壓力4～14MPa，操作溫度371～454℃； 裂化反應(yīng)器操作壓力10～21MPa，操作溫度343～454℃。兩種反應(yīng)器處于高溫、高壓且臨氫的工況下，物料含有硫、氮等雜質(zhì)，與氫反應(yīng)生成具有腐蝕性的硫化氫和氨，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，難免出現(xiàn)局部超溫損傷反應(yīng)器，再加上許多設(shè)備超期服役產(chǎn)生各種缺陷，RBI 檢驗?zāi)苡嗅槍π缘匕l(fā)現(xiàn)存在的安全隱患，是保障此類設(shè)備安全運行的重要手段。

1 加氫反應(yīng)器主要損傷機理

加氫反應(yīng)器本體采用低合金鋼制造，以防高溫氫腐蝕，一般選用2.25Cr-1Mo 鋼為基底、奧氏體不銹鋼（321、347 等不銹鋼）做內(nèi)構(gòu)件，并用奧氏體不銹鋼堆焊防止氫氣、硫化氫腐蝕。 損傷機理有高溫硫化氫/氫氣腐蝕、高溫氫腐蝕、再熱裂紋、回火脆化、連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂、堆焊層氫致裂紋、堆焊層剝離、保溫層下腐蝕和開裂、承壓螺栓裂紋和不銹鋼表面氯離子應(yīng)力腐蝕裂紋［1］。

1.1 高溫硫化氫/氫氣腐蝕

在催化劑的作用下，原料油中的硫在臨氫環(huán)境下生成硫化氫，高溫（溫度超過204℃）時H2S與H2介質(zhì)同時作用時腐蝕會加劇， 腐蝕形態(tài)為均勻腐蝕。 失效部位多在襯里和基材，特別是入口彎管、內(nèi)構(gòu)件等流速較高、氣液兩相共存的部位易發(fā)生腐蝕和沖蝕。

1.2 高溫氫腐蝕

反應(yīng)器母材在高溫、高壓且臨氫工況下長期運行，鋼中的碳與氫反應(yīng)生成甲烷氣體，導(dǎo)致表面脫碳或內(nèi)部脫碳形成鼓泡或裂紋。

1.3 再熱裂紋

金屬在焊后熱處理或高溫服役期間，高應(yīng)力區(qū)發(fā)生應(yīng)力消除或應(yīng)力松弛，粗晶區(qū)應(yīng)力集中區(qū)域的晶界滑動量超過該部位塑性變形能力而發(fā)生開裂。 長期運行后，反應(yīng)器外表面可能產(chǎn)生裂紋，特別是在結(jié)構(gòu)不連續(xù)、焊接接頭、高殘余應(yīng)力區(qū)、高應(yīng)力集中區(qū)、補焊處以及割除制造中臨時附件處等部位。

1.4 回火脆化

回火脆化為低合金鋼長期暴露在343～593℃范圍內(nèi)， 在此操作溫度下材料韌性沒有明顯降低，但材料組織微觀結(jié)構(gòu)有所變化，降低溫度后會發(fā)生脆性開裂?；鼗鸫嗷饕l(fā)生在開/停車階段，開車時先升溫再升壓，停車時先降壓再降溫可有效防止回火脆化。

1.5 連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂

奧氏體不銹鋼經(jīng)歷大于425℃的高溫階段時，過飽和的碳向奧氏體晶粒邊界擴散，并與鉻元素化合形成碳化鉻，使得晶界附近貧鉻。 碳化物在晶界沉淀稱之為敏化。 在停工期間，設(shè)備內(nèi)壁的硫化物腐蝕產(chǎn)物，與空氣和水反應(yīng)生成連多硫酸，對敏化后的奧氏體不銹鋼（如焊接接頭熱影響區(qū)）易引起連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂，一般為沿晶開裂，能在短短幾分鐘或幾小時內(nèi)迅速擴展穿透，大多發(fā)生在反應(yīng)器內(nèi)壁復(fù)合層、堆焊層、奧氏體不銹鋼接管法蘭和內(nèi)構(gòu)件處。 氮氣保護或者保持溫度在露點以上是防止停工過程中連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂的有效方法。

1.6 堆焊層氫致裂紋

在高溫、高壓且臨氫環(huán)境中，氫氣會擴散侵入鋼材中。 在反應(yīng)器停工冷卻時，若溫度較快降至150℃以下，氫氣來不及向外釋放，鋼中會保留一定量的氫，在某些情況下可能導(dǎo)致開裂，裂紋從表面產(chǎn)生并向母材方向擴展。

堆焊層的表面裂紋一般出現(xiàn)在可能存在三向應(yīng)力的內(nèi)件支撐表面，通常有以下特征：

a. 裂紋一般出現(xiàn)在熱壁反應(yīng)器內(nèi)支撐凸臺的部位；

b. 裂紋以環(huán)向裂紋和龜裂為主；

c. 鐵素體含量偏高或偏低的部位容易出現(xiàn)裂紋；

d. 裂紋從堆焊層表面向內(nèi)部擴散，嚴重時會穿透347 堆焊層，大部分終止在347 與309 堆焊層的界面上，極少數(shù)裂紋會穿透309 過渡層。

反應(yīng)器上最易發(fā)生氫致裂紋的部位是主法蘭梯形密封槽底部拐角處和內(nèi)部支撐圈的角焊縫部位。 裂紋的產(chǎn)生與不銹鋼中氫含量的多少有很大關(guān)系。 如果堆焊層中有σ 相，σ 相脆化與氫脆作用疊加，會使堆焊層金屬的延伸性遭到進一步損傷，更易引發(fā)裂紋。

在設(shè)備停車時，放慢冷卻速度，較高溫度階段多停留一段時間，以利氫釋放；設(shè)置脫氫工藝；應(yīng)避免異常升溫和緊急停車； 避免水壓實驗；升壓時采取措施將設(shè)備壁溫升至20℃以上可有效防止此類缺陷產(chǎn)生。

1.7 堆焊層剝離

堆焊層與母材的界面在正常操作環(huán)境中積累了很多氫，停車冷卻時來不及逸出被滯留在界面上。 冷卻時，反應(yīng)器內(nèi)壁比外壁降溫快，加上堆焊層與母材的熱膨脹系數(shù)有差別，會產(chǎn)生較大的切向應(yīng)力，再加上材料氫脆等因素的疊加，導(dǎo)致比較薄弱的部位產(chǎn)生剝離。 停車時，應(yīng)緩慢降溫使晶界間吸收的氫充分釋放。

1.8 保溫層下腐蝕和開裂

由于保溫材料受潮或受到污染，可能導(dǎo)致反應(yīng)器外表面銹蝕甚至開裂，應(yīng)定期進行保溫層的完好檢查和保溫層材料的質(zhì)量檢查。

1.9 承壓螺栓裂紋

長期使用后高強螺栓可能產(chǎn)生裂紋，特別是螺紋根部。

1.10 不銹鋼表面氯離子應(yīng)力腐蝕裂紋

反應(yīng)器內(nèi)壁復(fù)合層、堆焊層及法蘭等奧氏體不銹鋼對氯離子應(yīng)力腐蝕很敏感，應(yīng)加強對停工期間所用水的氯離子的控制［2］。

2 加氫反應(yīng)器RBI 策略

以某煉化企業(yè)一臺加氫精制反應(yīng)器R1101為例，通過RBI 分析軟件得出風(fēng)險矩陣如圖1 所示，風(fēng)險評估結(jié)果見表1。

表1 反應(yīng)器風(fēng)險評估結(jié)果

圖1 反應(yīng)器風(fēng)險評估矩陣

根據(jù)反應(yīng)器R1101 的風(fēng)險評估結(jié)果，初步制定的檢驗策略如下：

a. 檢驗類型。 停車內(nèi)外部檢驗、宏觀檢驗和壁厚測定。

b. MT 檢測。 外表面對接焊縫及其附近母材不低于20%檢測；接管抽查。

c. PT 檢測。 內(nèi)表面手工堆焊部位PT 抽查。

d. UT 檢測。 對接焊縫及其附近母材不低于20%檢測。

e. TOFD 檢測。 對接焊縫不低于10%檢測；硬度抽查；內(nèi)表面鐵素體抽查；金相抽查（硬度異常時進行）。

3 檢驗方法及缺陷處理

3.1 資料審查

根據(jù)損傷機理可以看出，很多損傷發(fā)生在設(shè)備開/停車過程中，資料審查時應(yīng)重點抽查企業(yè)年度檢查報告、運行記錄、開/停車記錄、運行條件變化情況和運行中出現(xiàn)異常情況的記錄，并針對異常情況選擇有效方法進行檢驗檢測。

3.2 宏觀檢測

針對加氫反應(yīng)器這類壓力容器，應(yīng)對其內(nèi)/外部進行整體宏觀檢測。 內(nèi)部，重點檢查是否有堆焊層開裂、鼓包、氣孔及腐蝕沖蝕等缺陷；外部，檢查保溫層情況和拆除保溫層檢查反應(yīng)器外表面是否有銹蝕、裂紋等缺陷。 宏觀檢測的重點部位為主焊縫、接管焊縫、凸臺及其他應(yīng)力集中部位，以及人孔、接管密封面及螺栓等部位。 螺柱應(yīng)逐個清洗后再檢驗其損傷和裂紋情況，重點檢驗螺紋及其過渡部位有無環(huán)向裂紋，必要時進行無損檢測。

3.3 測厚

采用超聲測厚法對反應(yīng)器筒體、封頭和堆焊層厚度分別進行測量。 接管測量時，如發(fā)現(xiàn)存在分層情況，應(yīng)增加測點或采用超聲檢測，查明分層分布情況和母材表面傾斜度。 堆焊層測厚時，應(yīng)采用與本體相當(dāng)?shù)脑噳K進行校準后再用超聲波儀器測量。

3.4 硬度

由檢驗人員選擇有代表性部位進行硬度測量，其中母材、焊縫和熱影響區(qū)的硬度應(yīng)分別測量。 硬度測量時，應(yīng)在同一位置測量3 次，當(dāng)3 次測量值中的某一值與另兩個值相比存在較大偏差時，應(yīng)在該位置附近再次測量進行確認，以判斷是測量誤差還是材料本身問題。 應(yīng)注意：硬度測量時不要在同一點上反復(fù)測量；加氫反應(yīng)器的硬度應(yīng)控制在225HB 以下。

3.5 UT 和TOFD 檢測

加氫反應(yīng)器埋藏缺陷檢測， 優(yōu)先選擇UT 和TOFD 檢測，必要時可以用NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》中的聲發(fā)射檢測方法判斷缺陷的活動性。 主要抽查部位包括封頭環(huán)焊縫、筒節(jié)環(huán)焊縫和制造過程中焊縫曾經(jīng)過返修的部位。 同時，應(yīng)對封頭與筒體相連焊縫、筒體焊縫需抽查的環(huán)焊縫、筒體催化劑凸臺、冷氫盤凸臺對應(yīng)的外部上/下各300mm 范圍內(nèi)堆焊層進行堆焊層剝離、堆焊層內(nèi)部缺陷和層下裂紋的抽查檢測。

以壁厚138mm+6.5mm 的反應(yīng)器為例，UT 檢測按照NB/T 47013—2015 《承壓設(shè)備無損檢測》中的技術(shù)等級C 級檢測，推薦方法如下：

a. 對所檢測焊縫斜探頭掃查聲束通過的母材區(qū)域，采用直探頭檢測是否有影響斜探頭檢測結(jié)果的分層或其他缺陷；

b. 因結(jié)構(gòu)限制只能進行單面雙側(cè)檢測，需使用淺盲區(qū)斜探頭對近表面缺陷進行檢測（推薦使用雙K 值檢測）；

c. 推薦采用雙K 值斜探頭檢測焊縫缺陷；

d. 使用直探頭檢測焊縫缺陷；

e. 對于堆焊層內(nèi)缺陷、堆焊層與基材未結(jié)合缺陷和堆焊層層下缺陷，一般應(yīng)在堆焊層側(cè)使用雙晶直探頭和縱波雙晶斜探頭進行檢測，如條件所限可在基材側(cè)使用單間直探頭和縱波斜探頭進行檢測。

同時，可抽取一定比例的UT 檢測部位（尤其是UT 檢測出缺陷的區(qū)域）進行TOFD 檢測。 因反應(yīng)器內(nèi)壁有堆焊層、厚度較厚等原因，TOFD 檢測應(yīng)使用對比試塊調(diào)節(jié)檢測靈敏度。 制定檢測工藝時，應(yīng)充分考慮檢測盲區(qū)、探頭頻率、楔塊角度和晶片尺寸的大小。

檢測中發(fā)現(xiàn)埋藏缺陷應(yīng)首先按照TSG 21—2016 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》8.5.10 部分進行評定，如超過規(guī)范要求（因反應(yīng)器返修過程中的熱處理、焊接等過程都會對反應(yīng)器性能產(chǎn)生不利因素，影響設(shè)備的運行安全，進而報廢則會造成巨大的經(jīng)濟損失）， 可依據(jù)GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》中合于使用原則，對在用含缺陷壓力容器進行安全評定。

3.6 MT 檢測

應(yīng)對超聲檢測斜探頭掃查區(qū)域母材及其焊縫部位進行MT 檢測，為保證檢測重疊率，推薦在檢測面施畫100mm×100mm 左右大小的網(wǎng)格，隨網(wǎng)格依次進行檢測。 主要抽查部位為：

a. 反應(yīng)器本體外部保溫拆除處環(huán)焊縫檢測，主要包括上/下封頭的環(huán)焊縫、中部筒節(jié)抽查環(huán)焊縫、 催化劑及冷氫盤凸臺對應(yīng)的外部母材部位等；

b. 反應(yīng)器拆除保溫層處的各類接管，包括進料、出料管和儀表接管的全焊透焊縫；

c. 制造過程焊縫返修部位；

d. 裙座焊縫和主螺栓也應(yīng)進行抽查檢測。

檢測過程中，針對封頭與筒體焊縫附近的外表面不連續(xù)裂紋，主要處理方式為對缺陷部位進行打磨消除并圓滑過渡，按照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》 中8.5.4 進行凹坑評定，如不符合要求則進行返修補焊或通過GB/T 19624—2019 《在用含缺陷壓力容器安全評定》中凹坑缺陷安全評定方法和有限元計算方法對該凹坑進行安全評價［3，4］。

超聲檢測中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)堆焊層剝離缺陷的存在，此時應(yīng)詳細記錄所使用的儀器探頭、缺陷波形及缺陷面積等信息， 可按TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》 中8.5.11分層缺陷處理，隨后的每次定期檢驗時應(yīng)監(jiān)控是否有擴展情況發(fā)生。

3.7 PT 檢測

對反應(yīng)器內(nèi)/外表面進行滲透檢測，檢測的具體部位是：

a. 外部可抽查部位，因為結(jié)構(gòu)原因或者需要配合磁粉檢測對不確定的缺陷復(fù)查時，進行滲透檢測；

b. 上/下封頭環(huán)焊縫、筒體環(huán)焊縫、內(nèi)部催化劑凸臺、 冷氫盤凸臺和內(nèi)部對應(yīng)堆焊層的上/下500mm 區(qū)域；

c. 對接管密封槽、密封墊和接管的堆焊層也應(yīng)進行檢測。

現(xiàn)場檢測中，PT 檢測發(fā)現(xiàn)某臺加氫反應(yīng)器凸臺堆焊部位下表面開裂，通過對該缺陷附近堆焊層進行硬度、鐵素體和金相檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。 此種情況可對滲透缺陷部位進行打磨消除，通過安全評定確定剩余厚度是否可以繼續(xù)使用。 另一次檢驗檢測中， 發(fā)現(xiàn)法蘭密封槽內(nèi)出現(xiàn)環(huán)狀裂紋，經(jīng)應(yīng)力分析計算是因螺栓預(yù)緊力偏大引起的開裂，此種情況應(yīng)進行法蘭更換處理。

3.8 鐵素體檢測

鐵素體檢測應(yīng)重點測定凸臺拐角堆焊部位和手工補焊部位。 堆焊層中適量鐵素體的存在，使之能在臨氫環(huán)境中具有較高的抗裂紋生長能力， 但鐵素體含量過高則會造成堆焊層材料脆化、降低材料的韌性及易產(chǎn)生裂紋等弊端，導(dǎo)致脆性破壞。 堆焊層鐵素體含量應(yīng)嚴格控制在3%～10%之間，若發(fā)現(xiàn)局部堆焊層鐵素體超標，應(yīng)對超標區(qū)域內(nèi)表面進行滲透檢測、外表面進行超聲檢測確認。 若有微裂紋存在，應(yīng)分析原因并進行修復(fù)；若無微裂紋存在，應(yīng)制定合理措施以監(jiān)控使用。

3.9 掛片檢驗檢測

反應(yīng)器長期服役后，容器內(nèi)壁易產(chǎn)生回火脆化現(xiàn)象，進行各項測試需要在反應(yīng)器本體進行取樣，因直接從反應(yīng)器取樣不合理，故反應(yīng)器內(nèi)部會放置一定數(shù)量且與反應(yīng)器材料一致的掛片，在停工檢修期間取出進行解剖和測試，掌握準確的測試數(shù)據(jù)是了解反應(yīng)器運行狀態(tài)的最佳依據(jù)。 通常需對掛片進行：宏觀檢查，包括氫鼓泡、堆焊層剝離等；化學(xué)成分分析測試，鐵素體測試、常規(guī)力學(xué)性能測試，金相組織檢查，掛片夏比沖擊試驗，材料延性斷裂韌度試驗等。

中國特種設(shè)備檢測研究院承擔(dān)的某煉化加氫掛片存在氫鼓泡宏觀缺陷、焊縫金屬脆化系數(shù)高于母材等問題，此種情況應(yīng)重點進行反應(yīng)器內(nèi)部本體宏觀檢查、焊縫UT 檢測等。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)地總結(jié)了加氫反應(yīng)器在運行后定期檢驗時的損傷機理，結(jié)合損傷機理通過RBI 給出檢驗策略， 對檢驗檢測的方法和部位進行了論述，同時對近幾年發(fā)現(xiàn)的缺陷進行描述，并對缺陷的處理給出了建議。