加氢反应器发展史.doc

文献综述结课作业 题 目：鼓泡床加氢反应器的研究进展学生姓名：学 号：专业班级指导教师：2014年 9月1日文献综述作业鼓泡床加氢反应器的研究进展摘 要综述了我国炼油加氢反应器研制建造，发展历程和取得的成就，指出国内加氢反应器制造技术在以下几方面所面临的挑战: 压力容器新标准的颁布实施，需亟待完善加氢设备用材料的基础性能数据; 超大厚度和超大型筒节锻件及设备制造技术有待进一步完善; 尽早开展加氢反应器服役后的材料性能研究，为即将到来的设备延寿做好技术准备关键词：加氢反应器；材料；技术；进展Research progress ofbubblingbed hydrotreating reactorAbstractReviewourrefineryhydrogenationreactordesignconstruction,developmentand achievements,pointed out that themanufacturing technologyof domestichydrogenation reactorin thefollowing aspects:thechallenge ofnewpressure vessel standardspromulgated and implemented,needs to be perfectedwith theperformance data basedhydrogenequipment;large thicknessand super largecylinderforgings andequipment manufacturing technologyto be further improved;as soon as possible to carry outandStudy on material properties ofthe hydrogenation reactorafter service,to preparefor the upcomingequipmentlife.Keywords：Hydrogenation reactor; Material; technology; Progress目 录第1章 引言1第2章 鼓泡床加氢反应器概述22.1 加氢反应器的发展史22.2 加氢反应器各阶段特点22.2.1 加氢反应器发展第一、二阶段特点22.2.2 加氢反应器发展第三、四阶段特点3第3章 加氢反应器各方面技术新进展43.1 加氢反应器设计及材料的技术进展4 3.1.1设计方面的进展.5 3.1.2材料方面的进展.53.2 加氢反应器制造过程中应用的新技术53.2.1 中空锻造成形技术63.2.2 焊接与堆焊技术6 3.2.3 丝窄间隙焊接技术.6 3 .2.4 多头堆焊技术及宽焊带堆工艺.6 3.2.5 单层堆焊代替双层堆焊技术6第4章 加氢反应器在我国的应用现状及存在的问题6 4.1加氢反应器在我国的应用现状.7 4.2加氢反应器存在的问题.7第5章 结论8参考文献9第1章 引言第1章 引言在炼油工业中，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，防止大气污等的需要，该项工艺技术在不断进步，带动了加氢精制装置和加氢裂化装置中的核心设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。从 53 世纪 43 年代初开始，国内石油石化冶金和机械等部门的一些科研设计制造和生产单位在原来的石油工业部和后续的中国石化总公司的组织领导下，组成了热壁加氢反应器联合攻关组，在消化吸收国外引进技术跟踪国外技术发展热壁加氢反应器国产化方面取得了巨大的进步，满足了国内炼油工业发展对加氢反应器的需要$通过联合攻关，从 ./41 年国产 5 56,O.ND钢锻焊结构热壁加氢反应器见证件通过鉴定，继而开展国内首台锻焊结构热壁加氢反应器研制起，国内加氢反应器取得了一系列里程碑式的进步$./40 年中国一重由于参与联合攻关所取得的成果，通过 ()g 的考察认可，于 ./44 年以反承包形式与 ()g 合作完成了齐鲁石化重油加氢反应器的制造$这一合作进程又进一步推动了我国热壁加氢反应器技术的进步，./4/ 年，首台由我国自行设计研究并用国产材料制造的锻焊结构热壁加氢反应器顺利出厂，并投入装置运行$该反应器重达 553 G，内径 . 433 EE，筒体壁厚 .63EE，壳体材料 5 56,O.ND i QX 210( 最小有效堆焊层厚度 2 EE ) ，长度 55 333 EE，设计压力53 .7 NXL，设计温度 163 h $从 ./4/ 年 6 月投用至今已 55 年，运行正常$经多次在役外观检测与无损检验，无异常现象5./3 年以后又相继完成了133 G，673 G，. 333 G 级的5 56,O.ND 钢锻焊结构热壁加氢反应器的设计制造任务53 世纪 /3 年代国外推出了在传统 5 56,O.ND 和 2,.ND 钢基础上添加矾的改进型 ,ND钢$由于新型加矾钢的卓越性能，在提高材料强度的同时，还显著地提高了抗氢腐蚀氢脆回火脆性及堆焊层剥离的能力。本文综述了我国炼油加氢反应器研制建造，发展历程和取得的成就指出国内加氢反应器制造技术在以下几方面所面临的挑战: 压力容器新标准的颁布实施，需亟待完善加氢备用材料的基础性能数据; 超大厚度和超大型筒节锻件及设备制造技术有待进一步完善;尽早开展加氢反应器服役后的材料性能研究，为即将到来的设备延寿做好技术准备。12第2章 鼓泡床加氢反应器概述第2章 鼓泡床加氢反应器概述2.1 加氢反应器的发展史有人把加氢反应器的发展分为4个阶段13：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 M钢板（量用锻件）内壁加不锈钢复合板焊接完成，70年代前后用内壁堆焊不锈钢的板焊或锻焊结构所代替。70年代后期我国开始引进加氢裂化装置。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(%)。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年由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 mm、内壁单层堆焊、单重220 吨、设计温度450、设计压力20.6MPa。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-B3Cr-1Mo-V-Nb-Ca，3Cr-1Mo-1/4V，2Cr-1Mo-1/4V 等，以加V为主进行更新。2.25Cr-1Mo钢的J系数 100(%)。2.2 加氢反应器发展各阶段特点伴随新技术、新工艺的不断出现，加氢反应器在不同阶段具有不同的特点，总体呈现精细化、高效化。2.2.1加氢反应器发展第一、二阶段特点 第一代处于裂解、脱硫等石油炼制工艺的引进期，这个时期的特点是：反应器的封头为拼焊结构；反应器壳体初期内衬不锈钢筒逐渐发展为后期用不锈钢的带极堆焊方法进行内壁堆焊不锈层；反应器壳体材料用CrMo钢钢板及锻件的J系数没有要求；反应器收口筒节(下筒节)通过锻造环经机械加工而成；反应器用CrMo钢锻件初期采用正火(奥氏体化后空冷)+回火的热处理工艺，使锻件的强度低于钢板的强度，并体现在标准中，对于板焊结构的反应器来说由于壳体既有钢板又有锻件，所以是不利的，随着科研工作的深入到后期将Cr-Mo钢锻件才用正火(奥氏体化后水冷用尽可能大的水冷强度)+回火热处理工艺，使锻件的强度达到了钢板的技术指标；冲击性能的试验温为+10 oC、验收指标AKv，55J(允许一个最低值一47J)。这个时期的反应器简体最大壁厚260 mm、单台最大重量500t。3加氢反应器发展第二阶段的特点第二代处于对第一代产品在制造中存在的问题和在使用中发现的损伤问题进行科研攻关并得到解决的改良期，这个时期的特点是：反应器的封头为整体结构用一张钢板或一块锻板冲压成形；场组焊技术开发研究成功，在第二代初期就得到了应用，解决了500-800t反应器不能运输的问题，并建立了工地焊接、焊后热处理、射线检查、水压机试验的现场施工方法，这一时期用现场组焊方法制造的最大重量的反应器单台重为814 t(筒体壁厚251 mm)；在役设备的损伤主要表现之一的材料脆化造成脆性破坏事故，经过研究分析导致事故的原因主要是Cr-Mo钢母材和焊缝有明显的回火脆化倾向性，通过采用抗回火脆化效果较好的VCD法冶炼的低硅Cr-Mo钢，并对钢材中的J系数提出要求，由初期规定的_，300)过渡到，250()再发展到后期的_，180()；回火倾向性评定vTr54+25v1r54+38 oC；在制造技术上开发了用收口套锻造下筒节的技术；在役设备的损主要表现之一的壳体内壁不锈钢堆焊层的氢致剥离问题，经过试验研究通过采用高速度、大电流堆焊内壁不锈层的方法来解决；冲击性能试验温度由初期的0 oC依次降到一7、-15 oC，试验指标不变仍为AKv，55J(允许一个最低值47J)；壳体环焊缝及接管焊缝都采用自动化焊接技术。这个时期反应器简节最大厚260 mm、单台最大重量850t。2.2.2加氢反应器发展第三、四阶段特点第三代处于第二代时期所建立起来的若干改良技术进一步完善与提高的过程，建立了生产周期短、可靠性高、价格低的反应器制造体系，标志着反应器的设计、制造进入了成熟期。这个时期的特点：对钢材中J系数的要求进一步提高，J系数由初期的150降低到后期的130；冲击性能的试验温度继续降低至初期一20，随后又降低到一30，验收指标同第二代一样，AKv55J(允许一个最低值47J)。这个时期反应器筒体最大壁厚282 mm、单台最大重量为1 150t。中国第一重型机械(集团)有限责任公司、北京钢铁研究总院、抚顺石油三厂、中国石化洛阳工程公司(设计院)、机械部通用机械研究所等五家单位组成的课题组从1983年1月开始进行2Cr-lMo钢反应器材料及其制造工艺研制，用28 t锭锻造出01 745 mm01 360 mmx2 200 mm的简体模拟件，1986年取得成功。首台为抚顺石油三厂制造了一台2士Cr一1Mo钢锻焊结构的、内壁单层堆焊的加氢反应器简体壁厚150 mm、内径01 800 mm、反应器总长22 000 mm、单重220t；与此同时与日本制钢研究所合作为齐鲁胜利炼油厂制造了一台2Cr一1Mo钢锻焊结构的、内壁双层堆焊的加氢反应器简体壁厚231 nlln、内径03505mm、反应器切线长为4 415 lnnl、单重182t。 加氢反应器发展第四阶段的特点第四代是对长期服役20多年的退役反应器进行设备更新，同时为满足新的精制和裂化工艺流程的需要以及设备大型化的需要，开发了高强度Cr-Mo钢和添加V的改进型CrMo钢，这些新钢种即使在450 oC(850 oF)以上的条件下，也能具有较高的强度，并能长期连续运转，发挥其良好的可靠性，使反应器技术进入一个新时代。美国石油学会(API)1983年制定了APIMPC高温高压临氢压力容器用材的开发计划，由材料委员会负责实施。美国钢铁协会(AISI)、美国机械工程师学会(ASME)、美国材料石油协会(ASTM)以及某些生产厂和用户的科技人员参加了这一开发计划。首先提出了高强的2士Cr一1Mo钢，室温抗拉强度由原来的515685 MPa，提高N585-760MPa。ASME锅炉和压力容器规范委员会于1984年以规范案例1960一I予以认可(材质为Enh2Cr一1Mo)后来纳入了ASME标准。但这种高强度2Cr-lMo钢是在普通2Cr-lMo钢的基础上采用了630650oC的低温回火来提高强度的，所以在氢侵蚀、氢脆化等高温氢损伤方面存在问题，因此在反应器制上只有欧洲国家采用，美国和日本等国家不采用。在开发高强度Cr-Mo钢的基础上，他们接着又开发了2C卜1MoV钢，1991年ASME以规范案例2098一I予以认可。现在已经正式纳入ASME标准，牌号为SA336一F22 V。由于2Cr一1MoV钢的焊接性能差，导致相应的焊接材料(日本神户制钢)开发研制的时间比较长，所以2Cr一1MoV钢锻焊反应器的推广应用在1995年才开始。从1980年开始，日本新能源开发组织(NEDO)开始了“阳光”计划。日本制钢所开发了3Cr-lMoVTiB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3C卜1MoVTiB钢锻焊加氢反应器，3Cr一1MoVTiB钢经ASME以规案例1961一I予以认可后，于1988年纳入ASME相应材料标准，牌号为SA336一F3V。不久日本神户制钢开发了3Cr一1MoV-Nb-Ca钢，1993年ASME以规范案例2151予以认可。中国第一重型机械(集团)有限责任公司、中石化北京设计院、洛阳石化工程公司、抚顺石油三厂等多家单位组成的课题组，于1994年开始开发3Cr一1Mo一V材料、进行焊接工艺试验，1998年取得成功，并很快得到应用；于1999年又开始开发2Cr一1Mo一V材料、进行焊接工艺试验，2000年取得成功，并得到应用。这个时期的特点：2Cr一1Mo钢反应器母材的J系数100()，回火脆化倾向性评定vTr54+25v1r54+100C；添加V的改进型CrMo钢分为3Cr一1MoV系列钢和2CrIMoV系列钢，3Cr一1MoV系列钢比2士Cr一1MoV系列钢开发应用早5年，但后者比前者的用途更广、发展前景更好。添加V的改进型CrMo钢与2士Cr一1Mo钢相比有很多的优点。因此第四代反应器主要是添加V的改进型CrMo钢加氢反应器的研制应用，所以称为更新期。这个时期添加V的改进型CrMo钢(3Cr-1MoV系列钢)加氢反应器的内径04 500 mm、最大壁厚273 mm、最大重量1 450 t；2CrlMo钢反应器最大壁厚344 rain、内径04 800 inln单台重量650t。第3章 加氢反应器各方面技术新进展3.1 加氢反应器设计及材料的技术进展3.1.1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。3.1.2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、高压化和大型化，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-lM0钢和改进型2.25Cr-1Mo钢(2.25Cr-1Mo-0.25V和2.25 Cr-1Mo-0.25V-Cb-Ca)及改进型3Cr-1M0钢(3Cr-1 Mo-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，使抗拉强度由原来的 515690MPa 提高到 585760MPa。改进型钢在原有材料化学成分的基础上，添加0.20.3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是目前制造加氢反应器的首选材料。3.2 加氢反应器制造过程中应用的新技术3.2.1中空锻造成形技术目前，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。3.2.2 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。3.2.3 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。3.2.4 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个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。3.2.5 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，主要是保证堆焊层和母材的结合强度，表面为抗腐蚀层。双层堆焊(TP 309L+TP 347)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(TP 309 Cb)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。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。第4章 加氢反应器在我国的应用现状及存在的问题第4章 加氢反应器在我国的应用现状及存在的问题4.1 加氢反应器的应用现状我国从20世纪70年代末开始有了加氢反应器的制造技术。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450，内径4000mm，切线长23300mm，壁厚150mm，堆焊层为TP309L和TP347L，总重为542吨。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1400吨的特大型加氢反应器，2007年3月在一重加氢反应器制造公司的棉花岛基地研制成功，并起运运往大石化。该加氢反应器总长 46m，外围直径4.9m，是我国自主建造的最大吨位原油冶炼装备。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。与此同时，加氢反应器分为加氢精制反应器和加氢裂化反应器。加氢反应器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人运行，取得了很高的经济效益。八十年代以来，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。4.2加氢反应器在使用过程中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一系列问题，其危险性在逐年递增。 表4-2 加氢反应器产生的缺陷及部位缺陷种类 产生缺陷温度和现象 缺陷存在部回火脆化长期在350593下使用，钢母材、回火脆化 不纯物在晶界偏析，产生脆化，焊缝金属材料脆性转变温度向高温侧迁移钢母材、焊缝金属氢腐蚀裂纹长期在250以上温度使用， 钢母材、介质与钢产生表面和内部脱碳钢母材、焊缝金属 续表4-2氢致裂纹高温操作后急冷钢母材、焊缝蠕变裂纹400蠕变区域反应器开口锻与壳体连接部位焊缝热影响区奥氏体不锈钢焊接部位的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，垫片密封槽第5章 结论虽然我国热壁加氢反应器技术的开发比国外一些国家较晚，但在国家有关主管部门的领导下，组织了研究设计制造和使用单位联合攻关，充分发挥各自优势，利用较短的时间，取得了显著成绩，已具有可与世界先进技术相比拟和竞争的水平与实力今后只要坚持科学发展观，积极支持技术创新，认真落实国家提出的实现重大技术装备国产化战略任务的决策，并对前述所提出的一些建议给予足够的重视，我国加氢反应器技术一定会取得更大的成就，为整个加氢技术的发展和企业经济效益的提高做出更大的贡献。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的进行。随着装置模不断扩大, 加氢反应器也日趋大型化。加氢反应器的大型化和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的改进，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。 参考文献参考文献1 张振戎，张文辉，卢庆春加氢反应器的发展历史J.一重技术，2004，1-32 D. 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