熱壁加氫反應器的檢驗技術

朱晏萱，霍維晶，柏明清

(1 克拉瑪依職業技術學院,新疆　獨山子　833699；2 獨山子石化公司研究院，新疆　獨山子　833699)

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熱壁加氫反應器的檢驗技術

朱晏萱1，霍維晶1，柏明清2

(1 克拉瑪依職業技術學院,新疆獨山子833699；2 獨山子石化公司研究院，新疆獨山子833699)

闡述了熱壁加氫反應器的結構特點及一般選材，對制造、使用過程中可能出現的腐蝕、材質裂化、裂紋及其他損傷情況進行了歸納，對損傷產生的原因、防止或減少損傷發生的方法進行了總結。重點論述了熱壁加氫反應器的檢驗技術，根據基層和內襯層的材質、結構特點，對無損檢測方法分別進行了總結，最后對風險檢驗技術在熱壁加氫反應器檢驗的應用進行了介紹。

熱壁加氫反應器；回火脆化；氫腐蝕；堆焊層剝離；風險檢驗

在煉化行業中，為提高油品的出油率和質量，在1960年代初開始了采用“加氫”技術，隨后大量的加氫反應器應用于煉化行業。加氫反應器初始采用冷壁結構形式，冷壁加氫反應器一般指金屬設計壁溫在300℃以下的反應器，在殼體內通過裝設隔熱內襯層[1]，達到冷壁的效果。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)的不斷提高，從20世紀70年代開始，熱壁加氫反應器逐漸增多，即取消內壁的隔熱層，金屬壁溫從300℃以下提高至450℃以上。相比于冷壁加氫反應器，熱壁加氫反應器有以下優良特點：(1)同尺寸條件下，內部容積更大；(2)避免冷壁隔熱層脫落導致的外壁材料損傷及停工修復。所以目前國內煉化行業中普遍應用的均為熱壁加氫反應器，本文主要從熱壁加氫反應器的結構特點、使用環境及檢驗修復等方面進行論述。

1　熱壁加氫反應器的結構特點及選材

圖1　熱壁加氫反應器結構圖

圖1為熱壁加氫反應器的一般結構圖，該容器為板焊結構，內壁堆焊不銹鋼，所有接管均采用整體補強結構，裙座為對接結構，內部有凸臺等結構。

加氫反應器的筒體基層選材一般以耐高溫和氫腐蝕的Cr-Mo鋼為主，根據操作工況，考慮到氫損傷問題，需要將操作時的最高氫分壓和操作溫度提高，再參考nelson曲線進行選材，復層的選材一般以TP309L+TP347為主，內件以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)具有更高的強度。可以使設備質量減輕，節省相應的費用[4]。

2　熱壁加氫反應器的腐蝕

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

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對回火脆化起促進作用，Cr、Mo、Cu、V在一定的范圍內對回火脆化起促進作用。另外Cr-Mo鋼焊后需要經多次回火及焊后熱處理過程，熱處理的保溫時間對回火脆化有一定的影響。相關研究人員通過計算回火參數P.t值來計算材料的最佳韌性，當P.t≤18.3時，能保證最終熱處理回火參數值落在最佳區域內[5]。

(2)冷裂紋

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

(3)再熱裂紋

內層不銹鋼在堆焊過程中，在焊道搭接處下方基層容易發生開裂。

2.1.2運行過程缺陷

(1)回火脆化

當Cr-Mo鋼長期處于375～575℃溫度范圍內工作或在這一溫度中緩慢通過，材料將產生韌性下降的現象，由于這一現象類似于回火處理，故稱為回火脆化。可逆性和可消失性是回火脆化的兩個特征：將已發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和消失；回火脆性可以通過回火脆化量來進行計算[6]，也有研究人員[7]采取控制化學元素組成和嚴格操作工藝規程等措施避免了回火脆性的發生。

(2)氫腐蝕

在高溫、高壓環境下，材料中的氫與內部碳化物反應生成CH4，生成的甲烷無法逸出，在晶界或不連續結構處聚集，壓力逐漸增高，導致氫鼓泡、微裂紋、脫碳的產生，材料的各項力學指標明顯下降。氫腐蝕一般要經過潛伏期、生長期和飽和狀態三個階段，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碳化形成元素、雜質含量、材料的熱處理過程及介質中H2O和H2S的影響等[8]。

(3)氫脆

焊接遺留的氫會引起材料脆化，材料的塑性指標會明顯下降，因此焊接時應選低氫類焊材，焊接完成后應立即進行消氫熱處理。

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生焊接過程的熱裂紋，當焊縫金屬為奧氏體+鐵素體雙相組織，且鐵素體含量3%～10%時[10]，不易發生焊接熱裂紋。有研究人員通過試驗[11]發現，滲氫后的反應器材料斷裂應力和塑性顯著下降，裂紋擴展以穿晶為主。

(2)過渡區材質脆化和開裂

堆焊時堆焊層會出現脆性馬氏體帶，在堆焊及進行熱處理時，由于熔合區兩側材料熱膨脹系數不同，容易產生較大的焊接殘余應力，導致裂紋和堆焊層剝離缺陷產生[10]。

(3)堆焊層下冷裂紋和再熱裂紋。

通過檢驗已運行十年、二十年的汽油、柴油加氫反應器，未發現堆焊層下冷裂紋和再熱裂紋缺陷，但國內其他類型加氫反應器在凸臺附近出現過類似缺陷，這也是停工檢驗檢查的重點。

2.2.2使用中產生的缺陷

(1)高溫硫化物腐蝕

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

(2)硫化物應力腐蝕開裂

硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)一般在裝置停工或設備停車期間，由于介質中的硫被空氣氧化成連多硫酸導致的，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生。

(3)堆焊層的剝離

堆焊層的剝離多發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，由于聚集氫濃度突然增加或逐步增加導致堆焊層和母材剝離，在制造時進行消氫處理、減少介質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生。

(4)堆焊層表面裂紋

堆焊時產生的σ相在反應器使用中會溶解氫，從而引起襯里層塑性的下降，當濃度達到一定程度時會在在σ相附近形成裂紋并擴展，有研究人員[12]進行總結發現，基材的斷裂韌性是影響堆焊層裂紋擴展的重要條件。

3　熱壁加氫反應器的檢驗

根據加氫反應器的特點和損傷模式狀況，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、安全附件檢驗方法進行檢驗。在全面檢驗的過程中重點需對運行中產生的缺陷、活性缺陷等進行檢測。

3.1基材Cr-Mo鋼材料的檢驗

3.1.1表面缺陷檢測

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

3.1.2內部缺陷檢測

先采用單晶直探頭從外壁對焊縫及其兩側一定范圍內的母材進行掃查，記錄發現的體積型缺陷、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方向進行掃查。

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行檢測，發現較大尺寸缺陷時在內壁進行復查。

3.2.2表面缺陷檢測

采用滲透檢測方法對內表面進行檢測，檢測范圍至少包含：本體內壁環焊縫、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部缺陷進行檢測，并從內壁采用雙晶直探頭和雙晶縱波斜探頭對發現的的缺陷進行復驗。

3.3硬度、金相及鐵素體含量檢測

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

金相檢測的重點是判斷晶界碳化物析出情況，是否存在應力腐蝕微裂紋及氫腐蝕裂紋、球化及石墨化是否存在及嚴重程度等。對硬度檢測發現的異常部位、無損檢測發現裂紋的部位、鐵素體含量超標部位、制造過程中的返修部位和使用過程中的超溫部位應進行金相檢測。

4　基于RBI技術的加氫反應器的檢驗

以某石化裝置60萬噸/年加氫裂化裝置加氫反應器為例，介紹加氫反應器基于RBI風險評估技術[13]的基本檢驗過程。

4.1加氫反應器的腐蝕計算及檢驗策略

采集設備的基礎數據及工藝物流數據后，將數據輸入軟件中進行腐蝕計算，腐蝕計算的過程基于API581標準進行，腐蝕計算可以得到設備各個部件的損傷類別、損傷機理、敏感性或腐蝕速率(表1)，根據損傷類別和損傷敏感性或腐蝕速率就可以制定相應的檢驗策略，檢驗策略的選擇主要是降低評價出的損傷類別帶來的風險。

根據風險評估中腐蝕計算的結果，制定出相應的檢驗策略，見表2，因為計算出的損傷類別是減薄、損傷機理是高溫硫/環烷酸腐蝕，所以檢驗策略中僅需要測厚檢測及內部的宏觀檢查便能有效的識別出計算損傷。

表1　反應器損傷機理表

表2　反應器檢驗策略

4.2加氫反應器的檢驗策略修正

除軟件分析給出的主導腐蝕機理外，反應器在使用過程中還可能出現連多硫酸應力腐蝕(停工時發生)、人孔密封槽底應力腐蝕開裂、堆焊層σ相脆化、回火脆化、蠕變等幾種損傷機理。軟件計算值與實際中出現的損傷有時不一致，導致不一致的原因有多種，一方面是由于軟件本身在評價某些損傷機理時存在固有的局限，另一方面是RBI計算的前提條件是基于裝置、設備在設計和制造過程中無缺陷，在實際中是很難做到的。

為了客觀、準確的制定出反應器的檢驗策略，需要根據以往檢驗經驗、同行業的檢驗經驗進行補充。補充內容如下：(1)反應器檢驗以內外部宏觀檢查、測厚和內部堆焊層滲透(PT)為主，PT 檢查的重點部位為內部凸臺、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)當熱電偶套管變形角度達到45°以上時應及時更換；(3)內部凸臺、接管、熱電偶套管角焊縫和人孔密封槽底等部位應進行100%的PT 檢查；堆焊層表面抽查20%，重點為鐵素體含量不正常部位、補焊、手工堆焊部位；(4)當懷疑可能存在堆焊層剝離，應增加超聲波掃查；(5)對鐵素體含量超標部位應進行鐵素體含量測定，并進行金相檢查。

5　結　語

熱壁加氫反應器由于使用條件苛刻，在檢驗過程中需充分考慮環境變化導致的反應器損傷問題，制定檢驗策略時應多向設備管理人員詢問設備使用過程中的壓力、溫度及介質變化情況，變化發生和持續的時間，根據操作變化情況結合歷次檢驗情況來選擇有效的檢驗方法。

RBI技術在反應器的損傷機理識別方面可能會存在一些局限性，隨著評估技術的發展及腐蝕數據庫的不斷累積，基于RBI技術的檢驗是一個趨勢。檢驗的最終目的不僅僅是發現缺陷和制定下次檢修周期，而是通過停工檢驗和在線檢驗降低設備的風險，根據設備的損傷機理和風險制定更加有效檢驗方法，保障設備的安全運行。

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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，主要從事化工設備檢維修技術應用研究。

TQ052.6

B

1001-9677(2016)04-0121-03