（化学工程专业论文）加氢反应器定期检验与安全分析.pdf

人迩理一| 4 大学专业。学位硕士学位论文 摘要 加氢反应器是石化行业中的大型关键设备，长期在高温、高压及临氢环境下运行， 易导致氢腐蚀、氢脆、高温高压硫化氢腐蚀、硫化物应力腐蚀开裂、c r m o 钢的回火脆 性破坏、堆焊层的剥离等问题的出现。由于世界石油资源有限，石油变重变劣，作为其 核心设备的加氢反应器的操作条件也变得更为苛刻，一旦发生事故将造成严重损失。定 期检验及安全分析是判断在用加氢反应器安全性能的重要手段，因此有必要开展加氢反 应器定期检验及安全分析相关技术的研究。 加氢反应器的定期检验，是指在其使用过程中，每间隔一定的时间，对反应器进行 必要检查和试验而采取的一种技术手段。 加氢反应器的安全分析是针对检验发现的缺陷，进行分析及判断，根据有关规定确 定其安全状况等级；对于超标缺陷可按照断裂力学理论进行安全性评价。 加氢反应器定期检验的难点在于检验方案的制定并有效实施。本文总结了加氢反应 器定期检验的程序，研究了有关检验检测方法，便于在制定检验方案时根据需要来选择 合适的方法。为科学、合理地制定加氢反应器的定期检验方案，本文总结加氢反应器易 产生的缺陷及部位，分析缺陷产生的原因，找出检验重点。根据半定量r b i 的原理，对 反应器各种失效可能性进行分析，并提出对加氢反应器定期检验三个阶段降低风险的检 验策略。对检验发现的缺陷，给出分析及评定方法。 通过2 - r - 0 1 加氢二列第一反应器定期检验案例，制定检验方案并予以实施，对现 场检验结果进行安全分析，给出检验结论。该反应器目前运行状况良好，说明上述检验 方案与策略不仅是可行的，而且是科学的。 有缺陷的加氢反应器安全分析的难点在于缺陷的安全评价并安全可靠。加氢反应器 发现超标缺陷时往往难于修复，可能需要带缺陷运行，这时需要对反应器进行安全评定。 本文对超标缺陷的评价方法进行了分析，对断裂力学理论、安全评定的一般原则、失效 模式的判断、评定方法的选择、评定程序及相关法律规定进行说明。 作为探索和尝试，对r - 2 0 1 预加氢反应器超标缺陷进行以断裂力学理论为主的安全 评定，给出评定结论。3 年后对该反应器遗留的超标缺陷进行了复验，缺陷均未发生扩 展。该反应器目前运行状况良好，说明对该反应器的评定是安全可靠的。 关键词：加氢反应器；定期检验；安全分析 i n s e r v i c ei n s p e c t i o na n ds a f e t ya n a l y s i so fh y d r o g e n a t i o nr e a c t o r a b s tr a c t h y d r o g e n a t i o nr e a c t o ri s ak e ye q u i p m e n tf o ro i lr e f i n i n gd e v i c e t h e r ea r es e v e r a l p r o b l e m ss u c ha sh y d r o g e nc o r r o s i o n ，h y d r o g e nb r i t t l ef r a c t u r e ，h 2 sc o r r o s i o n ，s u l f i d es t r e s s c r a c k i n g 。t e m p e re m b r i t t l e m e n to fc r m os t e e la n dh y d r o g e ni n d u c e dd i s b a n d i n go f s t a i n l e s s s t e e lw e l do v e r l a yb e c a u s eo fh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r ea n dh y d r o g e ne n v i r o n m e n t s i n c ep e t r o l e u mr e s o u r c ei nt h ew o r l dr e d u c ey e a rb yy e a r ，c r u d eo i lq u a l i t yi sw o r s et h a n b e f o r e h y d r o g e n a t i o nr e a c t o ra sak e ye q u i p m e n t ，t h eo p e r a t i o nc o n d i t i o ni sm u c h c r i t i c a l s e v e r el o s sw i l lb ec a u s e dw h e na c c i d e n th a p p e n e d i n s e r v i c ei n s p e c t i o na n ds a f e t ya n a l y s i s i si m p o r t a n tf o ra s s e s s i n gt h es a f e t yp e r f o r m a n c eo fah y d r o g e n a t i o nr e a c t o r t h e r e f o r ，i t s n e c e s s a r yt od e v e l o pt h ei n s e r v i c ei n s p e c t i o na n ds a f e t ya n a l y s i sa v a i l a b l et e c h n o l o g i e so f h y d r o g e n a t i o nr e a c t o r i n s e r v i c ei n s p e c t i o no fh y d r o g e n a t i o nr e a c t o ri st h et e c h n o l o g yt oi n s p e c ta n dt e s tt h e i n - s e r v i c er e a c t o re v e r yc e r t a i ny e a r s s a f e t ya n a l y s i so fh y d r o g e n a t i o nr e a c t o ri st oa n a l y z et h ed e f e c t sf o u n di ni n s p e c t i o n ， a n de s t i m a t et h es a f e t yc l a s sa c c o r d i n gt oa v a i l a b l er e g u l a t i o no ra c c e s st h es e c u r i t yo f d e f e c t s e x c e e ds t a n d a r db a s e do nf r a c t u r em e c h a n i c s t h ed i f f i c u l t yf o rh y d r o g e n a t i o nr e a c t o ri n s e r v i c ei n s p e c t i o ni st op r e p a r et h ei n s p e c t i o n s c h e m ea n dc a r r yo u te f f e c t i v e l y t h i sp a p e rs u m m a r i z et h ei n s p e c t i o np r o c e d u r e ，r e s e a r c h i n s p e c t i o na n dt e s tm e t h o d ，a n a l y z e t h ep r i n c i p l e ，a p p l i c a t i o ns c o p e ，a d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so f a l lk i n d so fp h y s i c sa n dc h e m i s t r yi n s p e c t i o na n dn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，a n d i t sc o n v e n i e n tf o rc h o o s i n gr i g h tm e t h o dw h e np r e p a r i n gi n s p e c t i o ns c h e m e i no r d e rt o e n s u r et h ei n s p e c t i o ns c h e m eo fh y d r o g e n a t i o nr e a c t o rs c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l e ，t h i sp a p e r s u m m a r i z et h ed e f e c t sa n dp o s i t i o no ft h eh y d r o g e n a t i o nr e a c t o ra n da n a l y z et h er e a s o nt h a t i n d u c e dt h e s ed e f e c t s ，t h e r e b yf i n do u tt h ei n s p e c t i o ne m p h a s e s a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f s e m i q u a n t i t a t i v er b i a n a l y z et h ep o s s i b i l i t yo fv a r i o u sf a i l u r e sf o r t h er e a c t o r ，a n dp r o p o s e t h ep o l i c i e so fh y d r o g e n a t i o nr e a c t o r3s t a g ei n s e r v i c ei n s p e c t i o nt or e d u c et h er i s k i n d i c a t e t h ea n a l y s i sa n da s s e s s m e n tm e t h o dt ot h e s ed e f e c t s b vai n s e r v i c ei n s p e c t i o nc a s eo f2 r 0 1h y d r o g e n a t i o nr e a c t o r ，p r e p a r et h ei n s p e c t i o n s c h e m ef o rt h i sr e a c t o ra n dp e r f o r mi n s p e c t i o nt oi t ，a n a l y z et h ea c t u a li n s p e c t i o nr e s u l t s ，a n d i i 人连理j ：人学专业学位硕十学位论文 g i v et h ec o n c l u s i o n t h i sr e a c t o rh a sb e e no p e r a t e ds m o o t h l yu n t i ln o wa n dt h i ss h o wt h a tt h e i n s p e c t i o ns c h e m eu s e di sn o to n l yf e a s i b l eb u ta l s os c i e n t i f i c t h ed i f f i c u l t yf o rah y d r o g e n a t i o nr e a c t o rw i t hd e f e c t si sh o wt oa s s e s st h e s ed e f e c t sa n d e n s u r et h er e l i a b i l i t yo ft h ea s s e s s m e n t s o m e t i m e si t sd i m c u l tt or e p a i rt h ed e f e c t sf o u n d d u r i n gi n s e r v i c ei n s p e c t i o nf o rah y d r o g e n a t i o nr e a c t o r t h er e a c t o rm i g h tb eu s e dw i t ht h e s e d e f e c t sa n ds oi t sn e c e s s a r yt op e r f o r ms a f e t ya s s e s s m e n tf o ri t t h i sp a p e ra n a l y z et h e a s s e s s m e n tm e t h o df o rt h ed e f e c t se x c e e ds t a n d a r d ，i l l u m i n a t et h ef r a c t u r et h e o r y ，g e n e r a l r u l e sf o rs a f e t ya s s e s s m e n t ，j u d g e m e n to ff a i l u r em o d e l ，s e l e c t i o no fa s s e s s m e n tm e t h o d ， a s s e s s m e n tp r o c e d u r ea n da p p l i c a b l ec o d e sa n dr e g u l a t i o n s a sas a m p l e ，p e r f o r mas a f e t ya s s e s s m e n tt ot h ed e f e c t sf o rr - 2 0l p r e h y d r o g e n a t i o n r e a c t o ra c c o r d i n gt ot h ef r a c t u r et h e o r y ，a n dg i v et h ea s s e s s m e n tc o n c l u s i o n t h e s ed e f e c t s r e m a i n e di nt h er e a c t o rw e r ei n s p e c t e da g a i n3y e a r sl a t e ra n dn oe x t e n s i o nw a sf o u n d t h i s r e a c t o rh a sb e e no p e r a t e ds m o o t h l yu n t i ln o wa n dt h i ss h o wt h a tt h es a f e t ya s s e s s m e n tt ot h e r e a c t o ri ss e c u r ea n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：h y d r o g e n a t i o nr e a c t o r ；i n s e r v i c ei n s p e c t i o n ；s a f e t ya n a l y s i s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了丈中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：砂日期：哆缈 大连理1 ：人学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 二7 织巧砰 一 新虢宣塑 大连理工人学专业学位硕十学位论文 1绪论 1 1加氢反应器定期检验与安全分析的目的及意义 近些年，国内石化行业随着国民经济的发展而得到了迅猛的发展，在我国国民经济 中占据了很大的比重，而这一行业中广泛使用的承压设备的安全运行必然会对我国的国 民经济产生重大的影响，而加氢反应器是石化行业中的大型关键设备。 加氢反应器是用于高温( 3 5 0 4 7 5 。c ) 、高压( o 2 8 m p a ) ，并在含有氢或氢加硫化氢介 质条件下工作的重要炼油工艺装备【l l 。由于世界石油资源有限，石油变重变劣，中间馏 分油需求量增加，以及环保法规越来越严格，都极大地促进了渣油轻质化技术的发展， 作为其核心设备的加氢反应器的操作条件也变得更为苛刻，一旦发生事故将造成严重损 失；另外其设备的造价比较昂贵，制造周期又长，所以从设备的设计、制造、使用及检 验都必须予以极大的重视，而定期检验又是保障在用加氢反应器安全使用的重要环节。 加氢反应器的安全可靠性是人们极为关心的问题，人们探索各种方法，试图使生产 的反应器完美无缺。然而事实表明，无论是国内制造的还是从国外进口的反应器，都存 在不同程度的缺陷，就更不必说在用反应器常常由于腐蚀等原因萌生新的缺陷了。如果 坚持不允许任何缺陷存在，要求将所有的缺陷完全消除或者将设备判费，其结果是除了 要进行大量的、并无必要的返修工作外，还可能把本来能继续使用的反应器作为废品。 尤其值得注意的是，对无害缺陷修复不当可能产生新的更为有害的缺陷【2 j 。因此，必须 对加氢反应器的安全性进行分析和判断，确定其危害程度以及后续的处理方案。 开展加氢反应器定期检验及安全分析的研究工作，及早发现反应器可能引起停机或 损坏的故障或隐患苗头，掌握反应器劣化和失效的趋势和规律，以便及时采取针对性的 措施，对反应器进行必要的调整和开展预防性维修，将故障和隐患消除在萌芽状态，避 免造成不必要的停工损失或引起各类事故的发生，从而确保反应器处于良好状况，不断 提高其可靠度，充分发挥其效能，安全、稳定、长周期地运行，为生产发展奠定良好的 物质技术基础，保障企业生产的平稳运行1 3 j 。 1 2 加氢反应器在石化行业的应用 ( 1 ) 催化重整 催化重整是石油加工过程中重要的二次加工方法，在催化剂存在的条件下，将烃类 分子结构重新排列，用以生产高辛烷值汽油或化工原料芳香烃，同时副产大量氢气 可作为加氢工艺的氢气来源。根据催化重整的基本原理，一套完整的重整工业装置大都 包括原料油预处理、重整反应、产品后加氢和稳定处理几个部分【4 j 。 预加氢反应器及重整反应器为催化重整装置的关键设备。 加氢反应器定期检验与安全分析 ( 2 ) 加氢精制 加氢精制是在一定的温度和压力、有催化剂和氢气存在的条件下，使油品中的各类 非烃化合物发生氢解反应，进而从油品中脱除，以达到精制油品的目的。目前我国加氢 精制技术主要用于二次加工汽油和柴油的精制，也用于某些原油直馏产品的改质和劣质 渣油的预处理。 加氢精制反应器为加氢精制装置的关键设备。 ( 3 ) 加氢裂化 加氢裂化是在催化剂存在下从外界补入氢气以提高油品的氢碳比，一方面能使重质 油品通过裂化的反应转化为汽油、煤油和柴油等轻质油品，另一方面还可将原料中的硫、 氮、氧化合物杂质通过加氢除去，使烯烃饱和。因此，加氢裂化具有轻质油收率高、产 品质量好的突出优点。 加氢裂化反应器是加氢裂化装置的关键设备。由于其操作条件苛刻，因而对材质要 求较高，制造困难，价格昂贵，占整个装置的投资比例大。因此加氢裂化反应器作为石 化压力容器定期检验的重中之重，检验项目多，特殊要求多，技术难度较大。 1 3 加氢反应器发展情况简介 1 3 1 发展简况 ( 1 ) 国外加氢反应器发展简况 国外上世纪6 0 年代已有各类加氢反应器大量用于炼油工业。根据压力容器壳体在 操作中的壁温可分为冷壁加氢反应器和热壁加氢反应器，其壁温一般以3 0 0 。c 为界；根 据壳体结构形式可分为单层及多层反应器。 上世纪7 0 年代开始，热壁、单层、锻焊结构在加氢设备的制造上己占有明显优势。 这种趋势是由于冶金技术、锻造能力、加工、焊接及热处理等一系列制造工艺技术水平 的全面提高、产品趋向与大型化、充分发挥设备有效使用容积等一系列需求而形成的。 日本制钢所室兰工厂是世界上加氢反应器最大的制造商之一，该厂从1 9 6 3 年开始 正式制造加氢反应器，此后，它一直是世界上加氢反应器制造数量最多，技术发展最快 的制造厂。截至2 0 0 4 年底共制造压力容器设备近5 0 0 多台，其中在中国的加氢反应器 业绩( c r m o 钢) 共5 0 多台，其制造最大吨位的加氢反应器为1 4 5 0 t ；最大直径( 设备 外径) 为6 3 5 4 m m ；最大壁厚为3 4 7 m m + 6 5 m m ( 不锈钢堆焊层) ，拥有将近4 0 台加氢 反应器的现场组焊经验【5 j 。2 0 0 6 年，大连石化公司新建3 0 0 1 0 4t a 渣油加氢脱硫装置 中共有8 台渣油加氢反应器，其中6 台为日本制钢所制造【酬。 ( 2 ) 国内加氢反应器发展简况 大连理t 大学专业学位硕十学位论文 1 9 6 5 年我国丌始制造加氢反应器，当时由鞍山钢铁厂研制了2 0 c r 3 n i m o a 钢作为 加氢反应器的主体材料，由机械工业部所属机械科学研究院、哈尔滨焊接研究所与兰州 石油化工机器厂一起，全部采用国产焊接材料及相应的焊接工艺技术，联合开展试验研 究、技术攻关，制成了我国第一台冷壁加氢反应器。 “七五”期间国家将热壁加氢反应器的研制列为重大技术装备攻关项目之一1 7 j 。1 9 8 2 年兰州石油化工机器厂与抚顺石油三厂、兰州石油机械研究所合作，完成了国产第一台 热壁加氢反应器的试制工作，采用r 本进口的21 4 c r 1 m o 钢板作为主体材料，应用国 产不锈钢焊带及焊剂，成功地进行了反应器内壁的不锈钢带极埋弧堆焊，取得了可喜的 成果；1 9 8 3 年采用由北京重型机器厂研制的21 4 c r - 1 m o 钢制锻造筒节，又试制了我国 第一台锻焊结构的冷壁加氢反应器，从1 9 8 7 年开始该厂进入全部制造热壁加氢反应器 的时代。 近年来，随着国内石化行业的发展，我国加氢反应器制造技术也得到了迅速发展， 富拉尔基第一重型机器厂( 现中国第一重型机械集团公司) 于1 9 8 9 年成功研制了我国 第一台锻焊结构的热壁加氢反应器，目前我国最重的锻焊结构热壁加氢反应器是中国第 一重型机械集团公司2 0 0 6 年为大连石化公司生产的，重达1 4 0 0 t ，它标志着一重己成为 目前世界上3 个具备生产千吨级加氢反应器的公司之一哺母j 。 1 3 2 加氢反应器发展的四个阶段 随着炼油厂在用加氢反应器的定期检验中各种问题的出现及其不断的研究解决，设 计研究单位对设备材料与结构不断做出改进，使反应器不断向高温、高压、大型化、长 寿命方向发展。到目前为止，加氢反应器制造按技术、质量和改进过程，可以划分为四 个时代【i o 】： ( 1 ) 加氢反应器发展第一阶段( 1 9 6 5 1 9 7 2 年) 的特点 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；反应器壳体由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c r - m o 钢钢板及锻件的，系数没有要求。 ( 2 ) 加氢反应器发展第二阶段( 1 9 7 3 1 9 8 0 年) 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；现场组焊 技术开发研究成功；在用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c r m o 钢母材和焊缝有明显的回火脆化倾向性，并对钢 材中的j 系数提出要求，由初期规定的尽3 0 0 ( ) 过渡到尽2 0 0 ( ) 再发展到后期的 1 8 0 ( ) 。 ( 3 ) 加氢反应器发展第三阶段( 1 9 8 1 1 9 8 7 年) 的特点 加氢反应器定期检验与安全分析 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、价格低的加氢反应器制造体系，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，系数的要求进一步提高，系数由初期的 1 5 0 降低到后期的1 3 0 ；这个时期国内开始制造2l 4 c r 1 m o 锻焊结构加氢反应器。 ( 4 ) 加氢反应器发展第四阶段( 1 9 8 8 年现在) 的特点 第四代是更新期，这个时期的特点：对服役2 0 多年的加氢反应器进行设备更新，2 1 4 c r 1 m o 钢反应器母材的系数1 0 0 ( ) ，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c r m o 钢和添加v 的改进型c r m o 钢【1 ，这 些新钢种即使在4 5 0 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，使加氢反应器技术进入一个新时代。 1 4 加氢反应器的分类及特征 1 4 1按主体结构分类型式及其特征 加氢反应器按其主体结构特点可分为锻焊结构、板焊结构和多层结构。其断面结构 及特征如表1 1 所示。 表1 1 各种结构加氢反应器的特征【1 2 】 t a b 1 1 c h a r a c t e r i s t i co fv a r i o u sh y d r o g e n a t i o nr e a c t o r 锻焊结构板焊结构多层结构 结构断面瘴痧二一孔 最大厚度8 4 j4 5 0 m m 约3 。m m 凳鬻箸高强i 鏊然了约 鼻抗氢腐蚀环境脆裂( 如辫氢腐蚀环境脆裂( 如氢 ；。：二嚣厂。芝：半嚣= _ ”1 “腐蚀 蜊球为防止s 2 腐蚀，在h 为防i 【：2 腐蚀，在内淼言竺。1 ”一”“一“ 人连理j ：人学专业学位硕十学位论文 从设计角度首先应保证反应器的安全性，同时在制造和使用过程中必须能完全可靠 的进行检验及监察，这就要求反应器壳体结构简单，因此最好是单层结构。 单层结构是以板材按厚度设计要求卷制筒体或锻件制作简体：而多层结构是以一个 一定壁厚( 较薄) 的内简为基轴，在外壁采用绕带或多层包扎而制成设计要求厚度的简 体，这种制造筒体的方法解决了没有大厚度板材以及大功率的卷板设备而要制造高压厚 壁设备的问题，但对于加氢反应器这种使用条件苛刻，一旦发生事故将造成重大危害的 关健设备是不宜采用的。 1 4 2 按使用状态的分类型式及其特征 反应器按其高温介质是否直接与钢器壁接触可分为冷壁结构和热壁结构。此两种结 构的特征及应用情况见表1 2 。 表1 2 冷热壁反应器特征及使用情况【1 2 】 t a b 1 2c h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o no fc o l d & h o tw a l lh y d r o g e n a t i o nr e a c t o r 在6 0 年代及7 0 年代初期，由于当时的冶金及制造工业水平所限( 厚板的制造工艺 技术、力学性能指标的保证、不锈钢堆焊技术等) ，为保证安全操作，从设计上多选择 冷壁结构形式，即在反应器壳体内壁装焊保温钉增设一定厚度的隔热内衬层，以保证简 体的壁温一般不超过3 0 0 ，故称为冷壁加氢反应器。 热壁加氢反应器与冷壁加氢反应器的不同在于，壳体设计取消了内壁表面的隔热内 衬层，这样，壳体将直接与反应器内部介质接触，从而使壳体在工作条件下的壁温升高， 加氢反应器定期检验与安全分析 目前一般设计壁温已达4 5 0 左右。因此对壳体材料在化学成分及力学性能，尤其是高 温力学性能方面有着更高、更严格的要求。 7 0 年代以来，随着冶金、轧制、锻造工艺技术能力的不断发展和提高，已经能够生 产严格控制化学成分及保证良好综合力学性能的优质大厚度板材及大型锻件，在设备制 造技术方面，先进的可保证特殊技术要求的不锈钢堆焊材料及工艺技术已经成熟，这就 促使热壁加氢反应器的应用日趋广泛。 热壁加氢反应器与冷壁加氢反应器相比，有以下几方面的优点：一是在相同外形尺 寸下，增大了反应器内部有效容积，提高了生产能力；二是热壁加氢反应器没有内衬隔 热层，有效的避免了由于内衬局部损坏( 脱落) 而造成壳体局部超温引起的鼓泡( 材料 局部塑性变形一由于壳体材料高温强度低，在内部工作压力的作用下引起的局部向外 突起) ；三要避免了由此而造成停产、开罐修复的损失。 1 5 加氢反应器定期检验及安全分析概述 1 5 1 定期检验 加氢反应器的定期检验，是指在其使用过程中，每间隔一定的时间，对反应器进行 必要检查和试验而采取的一种技术手段。 通过定期检验，可以确定使用中的加氢反应器的技术现状，及时了解掌握反应器存 在哪些隐患，受到了哪些损伤，从而判断反应器是否可以继续安全使用；不能继续安全 使用时，应进行哪些必要的修理，或无法修理时，可取得将反应器彻底更换的依据。通 过对在用加氢反应器的定期检验，并对历次的检验结果进行对比分析，可以判断出反应 器劣化速率及原因，以此指导工厂正确地进行安全操作，尽可能降低反应器的劣化速率， 以提高反应器的安全性及连续运行周期，还可预测最合理的停工周期，制订更合理的修 理方案【3 1 。 我国现代压力容器的定期检验有以下几个主要发展阶段【1 4 1 ： 1 9 8 1 年颁布的压力容器安全监察规程( 8 1 劳总锅字7 号) 为压力容器定期检 验提供了法规基础。 国务院1 9 8 2 年颁布的锅炉压力容器安全监察暂行条例 国发( 1 9 8 2 ) 2 2 号文 ( 简称暂行条例) 为压力容器定期检验提供了法律依据。可以说暂行条例的颁 布，是我国现代压力容器定期检验的起始里程碑。 1 9 8 7 年在用压力容器检验和缺陷处理意见( 劳人锅局 1 9 8 7 4 3 号) 是压力容 器定期检验的第一个专业技术规程，在当时的压力容器定期检验中起到了非常大的作 用，它被压力容器检验工作者简称为“4 3 号文”。 人连理i t 火学专业学位硕十学位论文 1 9 9 0 年“4 3 号文”被在用压力容器检验规程( 简称检规) 所取代，1 0 几 年来作为压力容器定期检验的主要依据，对压力容器检验的制度化和规范化起到了巨大 的作用，可以说它是现代压力容器定期检验的基础。 压力容器安全监察规程也与1 9 9 0 年被压力容器安全技术监察规程( 简称 容规) 取代。1 9 9 9 年对容规进行修订，修订后的容规更科学、更完善。目 前，容规正在进行第二次修订，目前已完成征求意见稿。 2 0 0 3 年暂行条例被特种设备安全监察条例( 简称条例) 取代，条例 作为压力容器定期检验的法律依据，进一步强化了压力容器的定期检验要求。 检规对规范压力容器检验，保证压力容器安全运行，起到了重要的保障作用。 但是随着条件的改变及技术的进步，检规在长期执行过程中也暴露出一些问题和不 足。2 0 0 4 年对检规进行了较大幅度的修改。修改时为了与其他特种设备检验法规一 致，更名为压力容器定期检验规则( 简称容检规) 。容检规积极稳妥地吸 纳科研、技术进步的成果，扩大了适用范围。 目前，现行版本容规及容检规是在用加氢反应器定期检验的主要依据。 根据容检规的规定【1 5 】，加氢反应器的定期检验工作包括全面检验和耐压试验。 全面检验是指反应器停机时的检验。全面检验应当由国家质检总局核准的检验机构 进行。其检验周期为： ( 1 ) 安全状况等级为l 、2 级的，一般每6 年一次； ( 2 ) 安全状况等级为3 级的，一般3 - - 6 年一次； ( 3 ) 安全状况等级为4 级的，其检验周期由检验机构确定。 压力容器安全状况等级按容检规相应章节进行评定。 耐压试验是指压力容器全面检验合格后，所进行的超过最高工作压力的液压试验或 者气压试验。每两次全面检验期间内，原则上应当进行一次耐压试验。 加氢反应器是石化装置中制造技术最复杂、运行条件最苛刻的设备之一，反应器制 造和运行过程中存在产生多种裂纹和材质脆化的倾向【1 6 l 。目前，热壁加氢反应器定期检 验技术和检验手段已经成为国内外检验技术的难点和热点之一，特别是利旧加氢反应器 【l7 。因此必须加强加氢反应器定期检验的技术研究，找出反应器运行中易产生的缺陷及 部位，抓住检验重点，确保反应器安全运行。 1 5 2 基于风险的检测( r b i ) 基于风险的检测( r b i ) 是一种追求系统安全性与经济性统一的理念与方法，它是在 对系统中固有的或潜在的危险发生的可能性与后果进行科学分析的基础上，给出风险排 序，找出薄弱环节，以确保本质安全和减少运行费用为目标，优化检验策略的一种管理 方式【1 8 1 。 加氢反应器定期检验与安全分析 上个世纪九十年代初期，欧美二十余家石化企业集团为了在安全的前提下降低运行 成本，共同发起资助美国石油学会( a p i ) 丌展r b i 在石化企业( 主要是炼油厂) 的应用研究 工作。1 9 9 6 年a p i 公布了r b i 基本资源文件a p ib r d5 8 1 的草案，2 0 0 0 年5 月又公布 a p i5 8 1 正式文件【撙j 。2 0 0 2 年5 月正式颁布了r b i 标准a p ir p5 8 0 t 2 0 j 。 相对于r b i 来说，传统的检验未能将经济性和安全性以及可能存在的失效风险有机 地结合起来，检验的频率和程度和受检设备的风险不相称。通常，检验并不是系统地针 对高风险设备。“传统检验”是检验力度越大越安全的理念，中国的规程规范并不是这 个思想。因此不能把规范、规程当作“传统检验的代表与r b i 对立起来【1 8 】。 随着检测、诊断技术的发展和设备多年的运行经验，r b i 作为一种新型的风险检验 概念被引入国际上大中型石化能源工业，用于提高设备运行的可靠性并降低检验成本， 并经过实践被证明是一种高效的风险分析工具。 r b i 通常有以下三种应用范卧2 l j ：工厂或车间、成套装置、单台设备。在实践中根 据应用的目的和成本确定r b i 的应用范围。 r b i 的方法可以归纳为定性r b i 、半定量r b i 和定量r b i 。通常，对工厂或车间采 用定性方法，对成套装置采用定性或半定量方法，对单台设备可采用上述二种方法。在 实践中根据r b i 的应用范围和能够收集到的资料的详细程度进行选择。 定量r b i 是最科学合理的风险评估分析技术，也是r b i 的发展趋势，但由于其所 需的信息数据特别巨大，并涉及大量的先期技术研究工作，所以不可能在短期内实现。 半定量r b i 因其所需原始数据较少、评价成本较低，精度足以满足工程实践的需要，因 此许多国家都在大力发展半定量r b i 。 r b i 技术在西方一些发达国家已陆续应用于石化装置评价之中，已有了大量的定 性、定量r b i 案例。但国外的r b i 技术成果是基于所在国的工业水平以及设备管理水 平和设备基础数据之上的，可以为r b i 在我国石化装置系统的应用提供参考，但不能完 全照搬。为在国内石化企业应用r b i 技术，则需进行适合我国国情的技术转化研究，达 到开展r b i 的基本条件。 1 5 3 安全分析 加氢反应器定期检验完成后，针对检验发现的问题，应对反应器进行安全分析，找 出其最薄弱环节，确定其安全状况。 在评价一台在用加氢反应器的安全性能时，应与评价一台新制造反应器的合格标准 有所不同。在用加氢反应器的安全分析应按照“既安全可靠，又切实可行”的原则来进 行。判断某台加氢反应器是否能继续使用，只要此台反应器能够在预期的使用时间内， 在预计的实际工况下能安全运行，就可认为其安全性能是符合要求的 3 1 。 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 在考虑加氢反应器实际承受的载荷种类及作用方式时，评价这些作用对反应器结构 本身及材料的影响如何，不能只以已有的某些技术规范、试验图表的结论为唯一依据， 更应考虑该台反应器在历年使用中实际的材料本身及缺陷的变化和发展的数据。 当加氢反应器的技术状况不能满足预计的使用要求时，一般应通过修理或更换反应 器，即通过提高其技术状况来满足预计的使用要求。但是，在某些特殊情况下，只要生 产上允许，也可以通过降低预计的使用要求，使反应器暂时地投入使用。 决定在用加氢反应器的检验周期的因素很多，但是最重要的，也是最基本的是确定 反应器在运行中所预计的劣化速率和相对应的安全余量。 根据测出的加氢反应器劣化的缺陷性质与形态，在实际的介质工况作用下，可以预 计其缺陷的发展速率。在此速率下，缺陷在预计的使用时间内发展的结果，如果没有达 到反应器在该部位的极限，反应器就是安全的。否则，就是不安全的，就应对缺陷进行 修理或对反应器进行更换。 目前，对加氢反应器进行安全分析主要采用以下两种方法： ( 1 ) 根据加氢反应器定期检验的结果进行综合评定，按照容检规确定其安全状 况等级，以其中项目等级最低者，作为评定级别。需维修改造的反应器，按维修改造后 的复检结果进行安全状况等级评定。 容检规遵循“质量控制”和“合于使用”两个原则【l4 。1 级压力容器满足“质 量控制”原则；2 级压力容器基本满足“质量控制”原则，在设计条件下能安全使用；3 级压力容器满足“合于使用”原则，在法规规定的检验周期内，在规定的操作条件下能 安全使用；4 级压力容器基本满足“合于使用”原则，在法规规定的检验周期内，需要 在规定的操作条件下监控使用；5 级压力容器不满足“合于使用”原则。 ( 2 ) 对于按照容检规评定为5 级的加氢反应器，因生产急需，在法规允许的范 围内，可按照断裂力学理论进行计算，对反应器进行安全评定，判断反应器能否继续安 全使用。对于应力分布复杂的部位，常规计算公式无法确定缺陷附近的应力时，可采用 有限元分析确定应力大小后再按相关规范进行评定【2 2 】。 目前，我国压力容器安全评定采用的标准是g b t1 9 6 2 4 2 0 0 4 在用含缺陷压力容 器安全评定1 2 3 1 ( 简称g b t1 9 6 2 4 ) ，遵循“合于使用”原则。 近几十年来随着断裂力学在实际工程中不断地得到应用，积极而慎重地采用断裂力 学来处理在用加氢反应器的安全与技术问题，也越来越为国内外从事压力容器安全监 察、设计、制造及使用管理的部门所接受。采用断裂力学可以有效地评价存在缺陷的反 应器是否安全可靠或评价缺陷的发展速度。 但是，采用断裂力学进行在用加氢反应器的安全评定时，也有其相应的前提及局限。 对缺陷的性质及形态的描述是否准确，测定的材料在特定环境下的断裂韧性值是否正 加氡反应器定期检验与安全分析 确，评定人员的综合分析能力等等，都是决定采用断裂力学评价加氢反应器是否安全可 靠的主要的影响因素。 因此，对在用加氢反应器进行安全分析时，在掌握容检规安全状况等级评定方 法的基础上，必须加强缺陷安全性评价的研究工作。 1 6 本文主要研究内容 加氢反应器是在高温、高压、临氢条件下工作的重要炼油设备，其操作条件苛刻， 造价昂贵，一旦发生事故将造成严重损失。定期检验及安全分析是判断在用加氢反应器 安全性能的重要手段，因此开设课题研究加氢反应器定期检验及安全分析的相关技术。 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，使用条件远比冷壁加氢反应器苛刻，因此本文主要研究对象为热 壁加氢反应器。 具体研究内容如下： ( 1 ) 传统检验由于缺少科学全面的分析数据，检验人员不能准确地掌握设备可能存 在的运行损伤机理及失效模式，因此在编制检验方案时无法根据设备不同的失效模式采 用不同的检验方法，也不能依据设备不同的风险水平来科学确定检验比例，因此不同检 验人员编制的检验方案在科学性、针对性和有效性方面难以达到相对一致和统一。为科 学、合理地制定加氢反应器的定期检验方案，本文总结加氢反应器易产生的缺陷及部位， 分析缺陷产生的原因，找出检验重点；根据半定量r b i 的原理，对反应器各种失效可能 性进行分析，并提出对加氢反应器定期检验三个阶段降低风险的检验策略；对检验发现 的缺陷，给出分析及评定方法。 ( 2 ) 通过2 r 0 1 加氢二列第一反应器定期检验案例，运用上述研究成果制定检验方 案并予以实施，对现场检验结果进行安全分析，通过跟踪反应器的运行情况，验证所制 定检验方案的科学性和可行性。 ( 3 ) 由于加氢反应器设备庞大、材料特殊、焊接及热处理工艺复杂、石化行业停工 检修时间短等特点，发现超标缺陷时往往难于修复，可能需要带缺陷运行，这时需要对 缺陷的安全性进行评价。本文对超标缺陷的评价方法进行了分析，对断裂理论、安全评 定的一般原则、失效模式的判断、评定方法的选择、评定程序及相关法律规定进行说明， 从而为加氢反应器的安全评定提供了理论依据和技术指导。 ( 4 ) 通过对r 2 0 1 预加氢反应器定期检验发现的缺陷，尝试按断裂理论进行评价计 算，对反应器进行安全评定，并通过跟踪反应