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2019/10/41加氢裂化装置压力容器与管线的在用检验合肥通用所压力容器检验站袁榕2019/10/42本专题研究重点1了解加氢裂化装置的原理、工艺流程及特点，以及类似高温、高压、临氢环境中易发生的材料损伤类型。2了解2.25Cr-lMo钢，以及其它铬钼钢材料（1.25Cr-0.5Mo、15CrMoR、3Cr-lMo-1/4V-Ti-B以及加钒钢）的特性，适用范围和选材依据。3了解加氢裂化反应器的结构特点，以及类似大型高压、厚壁特殊压力容器制造要求和检验方法。4探讨加氢裂化反应器和类似大型、高压、厚壁、重要压力容器制造质量监督检验要点。5探讨加氢裂化反应器和类似大型、高压、厚壁、重要压力容器定期检验方案编制、包括内容、程序的确定、检验项目和方法的选择，各种检测方法的应用目的和技术特点6各种氢损伤检测方法、缺陷处理方法和安全性分析。2019/10/43加氢裂化装置原理流程及特点加氢裂化是将大分子的重质油转化为广泛使用的小分子的轻质油的一种加工手段。可加工直馏柴油、催化裂化循环油、焦化馏出油，也可用脱沥青重残油生产汽油、航煤和低凝固点柴油。加氢裂化装置是炼油厂最重要的的生产装置之一，在高温、高压、临氢状态下操作。加氢裂化装置的工艺流程主要有三种类型方法：⑴一次通过法：所产尾油不参加循环。⑵部分循环法：所产尾油一部分参加循环，一部分排出装置。⑶全部循环法：所产尾油全部参加循环，不排尾油。加氢裂化装置主要设备有加氢精制反应器、加氢裂化反应器、加热炉、高压热交换器、高压空冷器、高、低压分离器、高温高压临氢管道、高温阀门等。参见图1、图2、图3、图4。2019/10/44图1加氢裂化装置流程简图（带循环尾油）2019/10/45图2大连热壁加氢反应器2019/10/46图3高温高压临氢管线2019/10/47图4热高分2019/10/48加氢裂化装置原理流程及特点1、加氢裂化装置是在高温、高压条件下操作，介质为烃类、氢气和硫化氢，运行条件较为苛刻。2、飞温现象：催化剂再生、流床、放热反应、反应速度、失控、冷氢、氮气。3、高温氢－硫化氢的腐蚀（腐蚀形态为硫化氢对钢的化学腐蚀，在富氢环境中90%～98%的有机硫将转化为硫化氢，在氢的促进下加速对钢材的腐蚀，停车时在冷凝水的作用下可出现湿硫化氢应力腐蚀开裂和低温氢腐蚀。4、设计时通过选材解决－铬钼钢材料作基材，奥氏体不锈钢复合、堆焊作内衬（热处理温度和奥式体不锈钢敏化区）。2019/10/49加氢反应器发展简况⑴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）工作，使用条件十分恶劣。我国是在70年代末80年代初开始由国外引进热壁加氢反应器的，目前的制造能力已达到千吨级（齐鲁石化公司）。煤化工使用的热壁加氢反应器甚至可以达到2000吨（厚336mm）。据不完全统计国内在用热壁加氢反应器已达上百台。热壁加氢反应器主要是由2．25Cr-1Mo钢材和锻件制成的设计壁厚大致在在80～240mm范围内（锻焊结构（180～240mm）、板焊结构（80～120mm），内壁带极堆焊两层奥氏体不锈钢堆焊层（347盖面、309过渡层，表面不加工，防腐蚀）或单层，设计压力为8～20MPa，设计温度大致在370～410℃（目前国内开始大量2．25Cr-1Mo加钒和3Cr-1Mo-1/4V-Ti-B等材料制造热壁加氢反应器，设计温度可以达到450℃），工作介质主要是H2、油、H2S等。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一系列问题，国内热壁加氢反应器已使用了6～20年，其危险性在逐年递增。2019/10/410加氢反应器发展简况⑵有人把加氢反应器的发展分为4个阶段1、第一代从1963年日本制钢所正式生产第一台加氢反应器为标志，早期是Cr－Mo钢钢板（少量用锻件）内壁加不锈钢复合板焊接完成，70年前后用内壁堆焊不锈钢的板焊或锻焊结构所代替。皮下再热裂纹。70年代后期我国开始引进加氢裂化装置。2、第二代是改良期，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(%)。3、第三代是成熟期，制造技术逐渐成熟,J系数≤130。这个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、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－筒体壁厚150mm，内径1800，内壁单层堆焊，单重220吨。设计温度450℃设计压力20.6MPa。4、第四代是更新期，对服役20多年的设备进行更新，同时又满足煤化工和新的石油加工工艺以及装置大型化的要求，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V为主进行更新。2019/10/411H12HH34H5H6Hs-k1凸台图5热壁加氢反应器2019/10/412缺陷种类产生缺陷温度和现象缺陷存在部位回火脆化长期在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。2.25Cr-1Mo钢母材、焊缝金属氢腐蚀裂纹长期在250℃以上温度使用，介质与钢产生表面和内部脱碳2.25Cr-1Mo钢母材、焊缝金属氢致裂纹高温操作后急冷2.25Cr-1Mo钢母材、焊缝热影响区蠕变裂纹＞400℃蠕变区域反应器开口锻件与壳体连接部位焊缝热影响区奥氏体不锈钢焊接部位氢脆裂纹高温操作氢扩散入钢内，停工后冷却速度快易开裂反应器内部堆焊层，内构件连接焊缝，垫片密封槽奥氏体不锈钢堆焊层的剥离高温操作后急冷使母材与堆焊层界面分离筒体、封头堆焊层应力集中裂纹由于结构的不连续性和温度应力产生的集中应力裙座与封头连接部位，外构件连接部位奥氏体不锈钢连多硫酸应力腐蚀裂纹反应器停工后堆焊上的FeS与湿空气中的氧和水反应生成H2SXO6产生应力腐蚀裂纹反应器内构件和内部堆焊层加氢反应器产生的缺陷及部位2019/10/413加氢裂化装置常用材料设备名称选用材质加氢精制、裂化反应器（设计温度≤450℃/设计压力8～20MPa）板2.25Cr-1Mo(SA387Gr22CL2)+6.5mm(Tp309+347)堆焊层或+4mm(TP347)单层浅熔深堆焊锻2.25Cr-1Mo(SA336F22CL2)+6.5mm(Tp309+347)堆焊层或+4mm(TP347)单层浅熔深堆焊高压热交换器（温度≤260℃)管程：反应流出物：管箱（碳钢、碳钼钢＋4～6mmCA;铬钼钢＋3mmCA)管板（碳钢、碳钼钢、铬钼钢＋8mmTP309+347)壳程：循环氢、原料：壳体（碳钢、碳钼钢、铬钼钢＋3mmCA）高压热交换器（温度＞260℃～450℃)管程：反应流出物：管箱（铬钼钢＋3mm1Cr18Ni9Ti复合板或+6.5mmTp309+347堆焊层或+4mmTP347)管板(铬钼钢＋8mmTP309+347或铬钼钢＋8mmTP410)壳程：循环氢、原料：壳体（铬钼钢＋4mmCA；或＋3mm1Cr18Ni9Ti复合板；或+4mmTP347；或+6.5mmTp309+347堆焊层）2019/10/414材料选择（纯净化）压力容器专用钢材的纯净化不仅能改善钢的制造工艺性，如焊接时抗热裂、抗冷裂和抗层状撕裂等工艺性能，更重要的是能显著改善钢的耐腐蚀、抗应变时效、抗回火脆化等使用性能，从而可延长压力容器的使用寿命及提高压力容器的使用安全性。1、专用钢材珠光体耐热钢（GB150、JB4732）①、电炉精炼、真空脱氧；②、推荐正火加回火（N＋T）。15CrMoR（1.0Cr-0.5Mo）、14Cr1MoR（1.25Cr-0.5Mo）、12Cr2Mo1R、（2．25Cr-1Mo）。2、抗氢腐蚀和回火脆化①、NELSON抗氢曲线②、评定材料的回火脆化敏感性（制造时机械性能破坏性评价）。ａ、控制钢材和焊缝金属的脆性转变温度：TT54＋2.5△TT54≤38℃式中：TT54为原始材料54J转变温度；△TT54为回火脆化处理后材料54J转变温度的增量。2019/10/415材料选择（纯净化）ｂ、控制钢材的回火脆化敏感性系数J和焊缝金属的回火脆化敏感性系数X:J系数＝（Si＋Mn）×（P＋Sn）×104≤100；X系数＝（10P＋5Sb＋4Sn＋As）×10-2≤15ppm。ｃ、对铬钼钢设备，如加氢精制和加氢精制裂化反应器开工时采取先升温后升压，即开工时当温度升到某一温度之前，容器压力不得超过使壳体产生的一次薄膜应力超过材料屈服强度的1/5;同样，停工时采取先降压后降温，即停工时当温度降到该温度之前，必须先使容器压力降低到使壳体产生的一次薄膜应力超过材料屈服强度的1/5。这一温度即为容器的最低加压温度。3、JIS标准对硫磷含量的要求为：P为0.035以下,S为0.035以下。日本石油学会对压力容器专用钢材的纯净化提出比较明确规定，如对于高温和高温高压氢环境下使用碳钢和低合金钢Cr-Mo钢板及锻件，为了防止在使用过程中逐年老化（蠕变、蠕变脆化和氢腐蚀），要求压力容器专用钢材的硫、磷含量取以下值为妥：碳钢：P为0.015以下,S为0.010以下；0.5Mo钢:P为0.010以下,S为0.008以下；1.0Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo、2.25Cr-1.0Mo、3.0Cr-1.0Mo、5.0Cr-0.5Mo等中温用钢的P为0.010以下,S为0.008以下。（容规要求P为0.030以下,S为0.020以下）湿硫化氢环境下使用碳钢和低合金钢板及锻件，其磷含量不应大于0.005%，硫含量不应大于0.010%。2019/10/416图6临氢条件用钢防止脱碳和开裂的操作极限（API941第6版）1998年4月2019/10/417图7临氢条件用C-0.5Mo和Mn-0.5Mo钢的使用经验（API941第6版）1998年4月2019/10/418图8典型阶梯冷却线图2019/10/419制造要求1、凡选用材料在使用中有可能发生应力腐蚀开裂的情况，制造后均应进行焊后热处理。对不同材料推荐如下的焊前预热温度（亦可根据焊接工艺评定确定预热温度）。Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo≥150℃；2.25Cr-1Mo≥200℃奥氏体不锈钢堆焊层≥100℃2、焊接施工中应注意问题：⑴、将应力集中较严重的部位如开口接管、裙座与封头连接部的角焊缝改为对接焊缝。⑵、焊缝的边缘应打磨圆滑过渡，并将焊肉高度磨平以减小应力集中。⑶、焊后热处理（PWHT）温度要选择适当，过高强度降低，蠕变断裂延性增加。⑷、所有角焊缝应彻底检查，以确定无裂纹。反应器制造过程中为提高密封面309和347堆焊层的韧性和抗裂性能，347堆焊层应尽量在最终热处理后再堆焊和加工。3、反应器内部构件的支座凸台，内裙座联接处为防止裂纹可采用三层堆焊，第一层309，第二层308，最外层347。2019/10/420制造要求4、热交换器采用U型管结构时，管子为下列材料时，在弯制成型后应进行热处理。⑴、C-1/2Mo、CrMo钢管在弯曲半径小于5倍管子直径时弯管部分和相邻直管300mm处应进行退火。⑵、1Cr18Ni9Ti（SUS321）钢管弯制成形后其弯管部分和相邻直管300mm处要进行固溶化处理，空冷。⑶、热处理后管子硬度小于下列值碳钢：＜HRB72或＜126HBC－0.5Mo钢：＜HRB77或＜140HBCr－Mo钢：＜HRB85或＜163HB1Cr18Ni9Ti：＜HRB90或＜185HB不锈钢管的快速固溶化处理，采用U型管固溶化电加热处理装置，利用电热在20～120秒中将钢管加热到1050℃保温10秒后，向管内通压缩空气，90秒时间内将温度迅速冷却到300℃，有效避开不锈钢在450～800℃的敏化区域，消除内应力。解决不锈钢U形管的应力腐蚀问题。2019/10/4