加氢反应器的发展现状

加氢反应器的发展现状

陈晓玲

*1,2

󰀁李多民󰀁段滋华

12

(1茂名学院机电工程学院󰀁2太原理工大学)

󰀁󰀁󰀁摘󰀁要󰀁介绍加氢反应器的发展历史、工艺操作条件、大型化的发展趋势及存在的一些问

题,分析加氢反应器材料和技术方面的进展,提出加氢反应器缺陷修复技术。对加氢反应

器的安全运行和设计具有一定的指导意义。

󰀁󰀁󰀁关键词󰀁加氢反应器󰀁材料󰀁技术󰀁进展󰀁缺陷修复0󰀁前言

在炼油工业中,采用高温高压加氢精制技术已有近半个世纪的历史。随着加氢裂化和加氢脱硫等工艺的改进、轻质油品需求量的增加、重质原料油的裂解精制、防止大气污染等的需要,该项工艺技术在不断进步,并带动了加氢精制装置和加氢裂化装置中的核心设备-加氢反应器制造技术的改进提高和材料的更新换代。由于目前在役的加氢反应器已经使用多年,出现了一些问题,越来越多的人开始重视其检修和延寿的技术。1󰀁加氢反应器

1󰀁1󰀁加氢反应器的发展历史

加氢反应器的发展可分为4个阶段

[1,4]

北钢院、合肥通用所五家组成的联合攻关组研制2󰀁25Cr󰀂1Mo钢反应器材料和制造工艺,1986年制成模拟环锻件,1989年为抚顺石油三厂生产出我国第一台锻焊结构的加氢反应器。其筒体壁厚为150mm,内径为1800mm,内壁单层堆焊,单重220,t设计温度为450 ,设计压力20󰀁6MPa。

第四阶段是更新期,对服役20多年的设备进行更新,同时又满足新的加工工艺和大型化的要求,不断开发新钢种,如2󰀁25Cr󰀂1Mo󰀂V,3Cr󰀂1Mo󰀂V󰀂Ti󰀂B,

3Cr󰀂1Mo󰀂V󰀂Nb󰀂Ca,

3Cr󰀂1Mo󰀂1/4V,

2Cr󰀂

1Mo󰀂1/4V等,以加入V为主进行更新。2󰀁25Cr󰀂1Mo钢的J系数󰀂100(%)。

主要的成果有:在该时期美国

[2,3]

和日本等国

:

家在开发高强度Cr󰀂Mo钢的基础上,接着又开发了2󰀁25Cr󰀂Mlo󰀂V钢,1991年ASME以规范案例2098-I予以认可;日本制钢所开发了3Cr󰀂Mlo󰀂V󰀂Ti󰀂B钢及其焊接技术,日本制钢所于1987年将该技术用于制造工程试验用3Cr󰀂Mlo󰀂V󰀂Ti󰀂B钢锻焊加氢反应器,不久日本神户制钢开发了3Cr1Mo󰀂V󰀂Nb󰀂Ca钢,1993年ASME以规范案例2151予以认可;中国于l994年开始开发3Cr󰀂1Mo󰀂0󰀁25V材料、进行焊接工艺试验,1998年取得成功,并很快得到应用,1999年又开始开发2󰀁25Cr󰀂1Mo󰀂0󰀁25V材料、进行焊接工艺试验,2000年取得成功,并得到应用。

1󰀁2󰀁加氢反应器在我国的应用

第一阶段从1963年日本制钢所正式生产第一台加氢反应器为标志,早期由Cr-Mo钢板(少量

用锻件)内壁加不锈钢复合板焊接完成,20世纪70年代前后内壁用堆焊不锈钢的板焊或锻焊结构所代替。20世纪70年代后期我国开始引进加氢裂化装置。

第二阶段是改良期,由于材料脆化造成的事故,开始研究回火脆化问题,并控制J系数󰀂300、250、180、150(%)。

第三阶段是成熟期,制造技术逐渐成熟,J系数󰀂

130。该时期国内开始制造锻焊结构加氢反应器,1983年由洛阳院、一重厂、抚顺石油三厂、

*陈晓玲,女,1984年生,硕士研究生。茂名市,525000。

#化工装备技术∃第30卷第1期2009年

󰀁󰀁我国从20世纪70年代末开始有了加氢反应器

[5]

的制造技术。第一重型机器厂2002年初完成了用2󰀁25Cr󰀂1Mo󰀂0󰀁25V钢材料制造出我国第一台锻焊结构加氢裂化反应器。反应器设计压力为11󰀁68MPa,设计温度为450 ,内径 4000mm,切线长为23300mm,壁厚为150mm,堆焊层为TP309L和TP347L,总重为542t。

由中国一重大连加氢反应器制造有限公司为中石油大连石化分公司建造的1400t的特大型加氢反应器,2007年3月从一重加氢反应器制造公司的棉花岛基地研制成功,并运往大石化。该加氢反应器总长为46m,外围直径为4󰀁9m,是我国自主建造的最大吨位原油冶炼装备。1󰀁3󰀁加氢反应器的作用和操作条件

[2,5,6]

29

󰀁表1

缺陷种类

加氢反应器产生的缺陷及部位

产生缺陷温度和现象长期在350~593 下使用,不纯物在晶界偏析,产生脆化,材料脆性转变温度向高温侧迁移。

长期在250 以上温度使用,介质与钢产生表面和内部脱碳高温操作后急冷>400 蠕变区域高温操作氢扩散入钢内,停工后冷却速度快易开裂

高温操作后急冷使母材与堆焊层界面分离由于结构的不连续性和温度应力产生的集中应力

反应器停工后堆焊上的FeS与湿空气中的氧和水反应生成产生连多硫酸应力腐蚀裂纹

缺陷存在部位

回火脆化钢母材、焊缝金属

氢腐蚀裂纹氢致裂纹蠕变裂纹奥氏体不锈钢焊接部位的氢脆裂纹奥氏体不锈钢堆焊层的剥离应力集中裂纹奥氏体不锈钢连多硫酸应力腐蚀裂纹

钢母材、焊缝金属钢母材、焊缝热影响区反应器开口锻件与壳体连接部位焊缝热影响区

反应器内部堆焊层,内构件连接焊缝,垫片密封槽

筒体、封头堆焊层裙座与封头连接部位,外构件连接部位

为获得高质量的石油加工产品或增产石油化工原料和中馏分油,以及适应高含硫原油,劣质原油深加工的需要与改善环境条件等目的,在现代化石油加工工业中出现了加氢工艺装置。加氢反应器分为加氢精制反应器和加氢裂化反应器,其在加氢工艺中的目的就是为原料油和氢气在催化剂和温度压力条件下进行反应提供场所。随着现代炼油技术的不断发展与提高,热壁加氢反应器以其效率高、故障率低、结构简单等独特的优点,相继在炼油厂加氢装置中投入运行,取得了很高的经济效益。20世纪80年代以来,我国石化系统热壁加氢反应器已逐步取代了原来的冷壁加氢反应器。

热壁加氢反应器是炼油、化工行业关键设备。通常在高温、高压、临氢条件(所谓高温、高压、临氢条件是指温度>250 ,氢分压>1󰀁4MPa)下工作,使用条件十分恶劣。1󰀁4󰀁加氢反应器存在的问题

由于热壁加氢反应器主体材料面临介质腐蚀、应力腐蚀、氢腐蚀、氢脆、回火脆化和蠕变脆化等

[7~12]

一系列问题,其危险性在逐年递增,如表1所示。

2󰀁加氢反应器各方面技术的新进展

加氢反应器由于长期处于高温、高压、临氢、高温硫和硫化氢环境,其使用条件苛刻,因此设计和制造难度较大。长期以来,国内外对其设计、材料和制造技术进行了大量的理论研究和工程实践。特别是近年来,随着加氢装置的大型化,加氢反应反应器内构件和内部堆焊层

器的制造周期加长、生产成本不断提高。为了缩短制造周期、降低生产成本,保证加氢反应器的安全可靠运行,研究人员开发了新材料,应用了许多新工艺、新技术。

2󰀁1󰀁加氢反应器设计及材料的技术进展󰀁󰀁

(1)设计方面的进展

加氢反应器设计遵循的最重要准则是安全性,在设计观点和方法上,从以弹性失效准则为理论基础的!常规设计∀发展到以塑性失效与弹性失效准则为理论基础的!分析设计∀,应用流体分析模型和应力分析技术进行流体场和温度场的模拟,解决了反应器高应力区和高温度区的应力计算,大大提高了计算的准确性和使用的安全性。󰀁󰀁

(2)材料方面的进展

加氢反应器过去基本采用2󰀁25Cr󰀂1Mo钢制造。由于加氢反应器使用条件更趋高温、高压和大型化,从20世纪80年代开始,在2󰀁25Cr-1Mo钢使用经验的基础上,开发成功了增强性2󰀁25Cr󰀂Mlo钢和改进型2󰀁25Cr󰀂1Mo钢(2󰀁25Cr󰀂1Mo󰀂0󰀁25V和2󰀁25Cr󰀂1Mo󰀂0󰀁25V󰀂Cb󰀂Ca)及改进型3Cr󰀂1Mo钢(3Cr󰀂1Mo󰀂0󰀁25V󰀂Ti󰀂B和3Cr󰀂1Mo󰀂0󰀁25V󰀂Cb󰀂Ca)。增强型2󰀁25Cr-1Mo钢通过改进热处理工艺,使

30加氢反应器的发展现状

宽增加的情况下,通过调整焊接工艺,保证堆焊层的各项性能指标。多头堆焊和宽焊带堆焊技术的应用,提高了加氢反应器的堆焊效率,缩短了反应器的制造周期。

(5)单层堆焊代替双层堆焊技术

目前国内基本上采用双层堆焊层来保证反应器的抗腐蚀性能。第一层为过渡层,主要是保证堆焊

[13~16]

抗拉强度由原来的515~690MPa提高到585~760MPa。改进型钢在原有材料化学成分的基础上,添加0󰀁2%~0󰀁3%的钒等元素来达到更高强度、更好的抗高温回火脆性及优越的抗堆焊层氢剥离性能。近年来得到迅速推广应用,特别是2󰀁25Cr-1Mo-0󰀁25V已成为目前制造加氢反应器的首选材料。

2󰀁2󰀁加氢反应器制造过程中应用的新技术

(1)中空锻造成形技术

层和母材的结合强度,表面为抗腐蚀层。双层堆焊(TP309L+TP347)的优点为堆焊工艺成熟、堆焊质量容易得到保证,但焊材耗量大,反应器价格相对较高。通过开发新型的堆焊材料和堆焊工艺,国外单层堆焊技术得到广泛应用(约占60%)。单层堆焊(TP309Cb)的优点是焊材消耗量少,焊接周期短,技术要求高,经济性较好。采用单层堆焊已成为加氢反应器堆焊技术发展的主流。2󰀁3󰀁成形技术

(1)反应器封头分瓣成形技术

整体球形封头是加氢反应器较好的结构形式。目前,采用整体球形封头主要有整张钢板或锻板压制成形和整体封头加过渡段两种结构形式。但随着加氢反应器直径不断增大,钢板宽度和锻板能力的限制以及过渡段的不经济性,分瓣封头成为必然。分瓣封头的关键是热处理工艺的制定,要保证封头成形热处理及最终焊后热处理后,封头的各项性能指标良好,结构尺寸稳定。国外分瓣封头已广泛采用,而国内正在进行分瓣封头成形技术方面的试验研究工作。

(2)直管堆焊后弯管技术

加氢反应器的顶部和底部油气进、出口接管均需采用无缝弯头结构,国内制造厂家均采用把弯头按30%等分切割,分别堆焊后组焊成形。但国外反应器制造厂基本采用直管堆焊后90%煨弯成形,目前国内制造厂家正在进行相关的试验研究,使堆焊层从直管状态到90%弯曲状态下,各项性能指标能够满足设计要求。3󰀁压力容器的修复技术

压力容器中的缺陷,一方面是在制造过程中检验出的超标缺陷,主要是焊接接头中的缺陷;另一方面是在使用过程中,经检验发现的超标缺陷。由于压力容器是比较昂贵的设备,如果一旦出现超标缺陷或一些问题便予以报废,造成很大的浪费。若目前,国内锻焊加氢反应器的壳体筒节均采用实心浇铸,通过加工去掉锻件的中央部分后锻造成形。实心浇铸锻造的筒节钢材使用率较低,制造工艺比较复杂,特别是采用实心浇铸成形的筒节,热处理工艺要求比较严格。近年来国外开发并应用了中空锻造成形技术,在浇铸时中心部分放置模具形成中空锻件,再通过锻造加工成形为筒节。采用中空成形技术,提高了钢材的利用率.热处理时加快了筒节的冷却速度,改善了筒节的组织性能。国内近年来也在进行这方面的试验,摸索浇铸和热处理工艺。相信在不远的将来,采用中空浇铸锻造成形的筒节锻件将会应用于国内加氢反应器制造。

(2)焊接与堆焊技术

加氢反应器的焊接技术包括母材焊接和内壁堆焊技术。母材的焊接从手工焊到自动焊,从采用常规坡口到采用窄间隙焊坡口。从采用单丝自动焊到双丝窄间隙焊接技术;堆焊技术从双层堆焊到单层和宽焊带堆焊,加氢反应器的焊接技术日趋成熟。

(3)双丝窄间隙焊接技术

双丝窄间隙焊接技术是指采用两根焊丝同时进行主焊缝焊接。通过改善焊接工艺,使焊缝各项性能指标达到技术规范的要求。双丝窄间隙焊提高了焊接速度,缩短了加氢反应器的制造周期。双丝窄间隙焊在国外广泛应用于加氢反应器的制造过程中。

(4)多头堆焊技术及宽焊带堆焊工艺多头堆焊是在一个反应器筒节上采用两台以上焊机同时进行堆焊作业。多头堆焊主要解决两焊带中间搭接的问题,保证焊带搭接处过渡圆滑,堆焊层表面平整,性能满足规范要求。由于过渡层堆焊技术要求高,过渡层较少采用多头堆焊。宽焊带堆焊技术是指采用100mm以上的堆焊焊带(国外主要采用l20mm以上的堆焊焊带)进行堆焊,在带#化工装备技术∃第30卷第1期2009年

对存在的缺陷或存在的问题,做一些技术处理,便可延长使用寿命,在经济上是很合算的。因此,自从20世纪80年代以来,国内、外用户纷纷提出延寿的要求,尤其是高压、超高压容器的延寿技术,已成为当前压力容器的热门研究课题。3󰀁1󰀁压力容器缺陷的修复

压力容器缺陷的修复,一般采用打磨和补焊两种修复方法。

(1)打磨修复

原则上所有的有尖锐顶端的表面缺陷都应该用打磨的方法消除。打磨前,首先要对测量好尺寸的缺陷进行强度和断裂力学计算,看打磨掉裂纹之后剩余壁厚还能否满足工作应力下的强度要求和是否超过许用裂纹尺寸深度。如果两个条件均能满足,则可以用打磨来消除缺陷,否则还应在打磨后进行补焊。

(2)补焊修复

实施补焊应十分慎重,因为往往有这样的情况,补焊前只有一条裂纹,补焊后反而又增加了,材料也变脆了,适得其反,这是因为补焊工艺不当造成的后果。但是即使有合适的焊接工艺,焊接过程的热影响也总会对材料产生不利影响,因此实施补焊应十分慎重。在进行焊接接头返修时,应认真分析缺陷产生的原因,提出相应的返修方案,编制详细的返修工艺,经过焊接责任工程师批准后才能实施。

采用焊接方法对压力容器进行修理或改造时,一般应采用挖补或更换,不应该采用贴补或补焊方法,并应符合压力容器的挖补、更换筒节及焊后热处理等技术要求,应参照相应的制造技术规范,制定施工方案及适合于使用的技术要求。缺陷清除后,一般均应进行表面无损检测,确认缺陷已经完全清除。完成焊接工作后,应再做无损检测,确定修补部位符合质量要求;母材补焊的修复部位,必须磨平;焊接缺陷清除后的修补长度应满足要求。3󰀁2󰀁加氢反应器对修复技术的应用现状

[19~21]

[17,18]

31

再进行检查,直至彻底消除为止。对打磨后形成的

凹坑,基本上不采取补焊修复,这是因为加氢反应器长期使用后,其本体材料如前文所述产生回火脆性,而堆焊层不锈钢则产生。相脆化,再加上氢的存在,冒然进行施焊,很可能产生裂纹,由此带来的损失是巨大的。目前无论是国内还是国外,除了个别情况,很少有关于加氢反应器修复的文献报道。因此,如果在用检验发现了严重的缺陷,必须准确判定缺陷的具体位置、形态、尺寸大小等,对其成因进行分析,由有关方面专家共同商讨处理的对策,决不能轻易行事。通常情况下,通过断裂力学方法对缺陷进行安全评定,是有足够的安全裕度的。

中国石油吉林石化公司炼油厂对锻焊结构热壁加氢反应器在制造和高温、高压、临氢工况运行过程中在2󰀁25Cr-1Mo锻钢基层和奥氏体不锈钢堆焊层容易发生的开裂及材质脆化等损伤问题,探讨了裂纹等缺陷探伤和材质脆化监控技术,提出了裂纹修复的方法。

中国石化扬子石油化工股份有限公司面对高温高压加氢裂化反应器配对法兰接管焊缝裂纹现象,提出了裂纹的检查检测方法、产生原因及修复检验方案。4󰀁结语

目前,加氢反应器制造技术的改进提高和材料的更新换代正在如火如荼地进行。随着装置规模不断扩大,加氢反应器也日趋大型化。加氢反应器的大型化及其苛刻的操作条件对设备材料选择、结构设计等都提出了较高要求。因此,加氢反应器的设计改进和对在役加氢反应器的局部改进,从而提高加氢反应器的安全性和延长加氢反应器的使用寿命越来越受到人们的关注。

参󰀁考󰀁文󰀁献

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对于加氢反应器在用检验发现缺陷修复处理,

国外有一些试探性的案例,如美国有对一台R一530反应器底部封头进行修复的报道。但这方面还需要作深人研究试验,作为检验人员,对检验中发现缺陷的处理,必须以慎重为原则。迄今为止,对加氢反应器的检出缺陷,一般通过打磨去除,然后(下转第38页)

38

t

组合式异形炉胆与管板T形接头有限元分析及强度评定

最危险的应力点在纵截面的内侧,因此,应对该区域的制造质量严加控制。

(2)采用组合式异性炉胆结构,其锥形收口部分与前管板连接,一方面使得前管板开孔面积减小,另一方面使炉胆自身的刚性提高,能承受较大的拉伸应力,故锅炉整体变形不大。

(3)虽然T形结构受到国标的严格控制,但

5

弹性模量,则Salt对应于文献[5]附录C中S-N曲线的应力循环次数为N1=1󰀁5&10,N1>n1。

(b)水压试验循环时

在模型上施加PT=1󰀁65MPa的试验压力后求解得应力幅值:

Salt=386󰀁75MPa

修正后:S∋alt=Salt

E2󰀁1&10&t=386󰀁75&MPa5=424󰀁5E1󰀁822&10

3

4

通过对组合式炉胆与前管板的T形接头的应力强

度和疲劳强度评定,表明该锅炉前管板和炉胆的T形连接是安全的,承载能力满足设计要求。

参󰀁考󰀁文󰀁献

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S∋alt对应于文献[5]附录C中S-N曲线的应力循环次数为N2=8󰀁5&10次,每年检查一次,n2

=10,N2>n2。

(c)累计损伤校核用度系数

n13000

U1===0󰀁2

N11󰀁5&104n210U2==󰀁0013=0

N28󰀁5&10

故:

U=U1+U2=0󰀁201<1󰀁0

满足疲劳强度要求。3󰀁结论

(1)在内压和温度体载荷的作用下,组合式炉胆和前管板的T形接头区有明显的应力集中,(上接第31页)

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