（化学工程专业论文）热壁加氢反应器的安全性能分析与评定.pdf

中文摘要加氢反应器属于石油炼制过程中的关键设备，也是危险设各，因此，如何保证反应器的安全运行，一直是专业人员关注、研究探讨的重要课题。本文对天津石炼油厂由日本进口的加氢反应器装置进行了制造质量检验和有限元应力分析，针对检验中发现的接管与筒体连接的焊缝中存在根部未焊透缺陷，应用b s 7 9 1 0 标准和国标“在用含缺陷压力容器安全评定 对焊缝中的焊接缺陷进行了安全评定。通过对加氢反应器进行了内外表面检测、壁厚测量、无损探伤、金相检查和硬度测量、化学成分分析等检验，结果表明在对接管与简体间的角接头进行1 0 0 超声波探伤中，总共6 个接管角接头中有4 个接管角接头焊缝根部发现存在未焊透，最大深度为3 r a m ( 位于j 6 接管上) ，其长度为接管整圈，其余各项检验结果基本合格。应用有限元方法计算了三种容器接管类型、各两种计算工况下接管高应力区内的应力集中系数，为安全评定提供参考依据。并采用a n s y s 程序对该接管角焊缝附近无缺陷时的应力进行有限元分析。结果表明，最大应力出现在沿简体轴向的剖面上的内拐角处，并与简体的环向基本平行，设计压力下其值为3 1 8 5 m p a ，约为筒体远处环向平均应力的3 2 2 倍。水压试验压力下接管角接头焊缝根部平行于接管轴向的应力为5 2 7 m p a ，此应力将作为缺陷评定时缺陷部位无缺陷时的应力。对上述含缺陷容器进行了安全分析，断裂力学评定结果表明，裂纹长度小于临界裂纹长度，因而缺陷允许存在不会威胁反应器的安全运行。同时对疲劳裂纹扩展寿命进行了估算，计算了其剩余寿命，分析表明，尽管加氢反应器存在裂纹，工程角度存在安全隐患，但从理论上还可以安全使用8 年多，研究结果可为指导安全生产提供可行的科学参考。关键词：加氢反应器：质量检验；应力分析：有限元；安全评定a bs t r a c th y d r o g e n a t i o nr e a c t i o nc h a m b e ri se s s e n t i a la n dd a n g e r o u se q u i p m e n ti nt h ep e t r o l e u mr e f i n e m e n tp r o c e s s s oi ti sa l w a y s 强i m p o r t a n tt o p i cf o rs p e c i a l i s t st h a th o wt og u a r a n t e et h es a f eo p e r a t i o no fh y d r o g e n a t i o nr e a c t i o nc h a m b e r b a s eo nt h ei n s p e c t i o na n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n da c c o r d i n gt ot h es t a n d a r do fb s 7 910a n dg b f r19 6 2 4 - 2 0 0 4 ( “s a f e t ya s s e s s m e n to ni n - s e r v i c eh y d r o g e n a t i o nr e a c t o rw i t hf l a w ”) ，t h es a f e t ya n a l y s i sw a sc a r r i e do u tf o r 也ec r a c ki nt h eh e a da n dn o z z l eo fh o tw a uh y d r o g e n a t i o nr e a c t o rw h i c hi m p o r t e df r o mj a p a n t h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s e sw e r em a d ef o rt h es a f e t yp e r f o r m a n c eo ft h eh o t w a l lh y d r o g e n a t i o nr e a c t i o nc h a m b e rw h i c hi n c l u d ew a l l - t h i c k n e s sm e a s u r e ，n o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n ，m e t a l l o g r a p h i ce x a m i n a t i o n ，h a r d n e s sm e a s u r e m e n ta n da n a l y s i so fc h e m i c a lc o m p o n e n t s t h ei n s p e c t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h es a f e t yc o n d i t i o no ft h eh y d r o g e n a t i o nr e a c t i o nc h a m b e ri si nt h em i r dg r a d et h r o u g ht h eu l t r a s o n i ce x a m i n a t i o nc o m p l e t e l y t h e r ea r ef o u rw e l d e ds e a mo u to fs i xw h i c hh a v et h ep r o b l e mo fi n a d e q u a t ep e n e t r a t i o na n dt h ee x t r e m ed e p t hi s3 m m t h eo t h e ri n s p e c t i o nd a t aa r er e a s o n a b l e a p p l ! e dt ot h r e et y p e so fv e s s e l sc o n n e c t t e dp i p ew h i c hi n c l u d e dt w ok i n d so fc o m p u t a t i o no p e r a t i n g m o d e sr e s p c t i v e l y ，f m i t ee l e m e n tm e t h o dw a su s e dt oc a l c u l a t e dt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nc o e f f i c i e n ti nh i 曲s t r e s sa r e aa n dc o n s e q u e n t l yp r o v i d e dt h er e f e r e n c ef o rs e c u r i t ye v a l u a t e s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw a sc a r r i e do u tw i t ha n s y sp r o g r a mo nt h en o n - f l a ws t r e s sa ta n g u l a rw e l do fc o n n e c t t e dp i p e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em a x i m u ms t r e s se x i s t si ni n n e rc o r n e ro fm a i nb o d ya x i a l l y ，a n di t sv a l u ei s3i8 5 m p aw h i c hi s3 2 2t i m e so ft h ea v e r a g es t r e s sv a l u e i nt h eh y d r o s t a t i ct e s t ，t h es t r e s sw h i c hp a r a l l e l l e dt ot h ea x i so fc o n n e c t o ri nw e l dr o o ti s5 2 7 m p a ，a n dt h i sv a l u ew o u l da c ta st h es t r e s so fc r a c kl o c a t i o ni ns a f e t ya s s e s s m e n t a f t e rs a f e t ye v a l u a t i n gt h ec r a c k si nt h eh e a da n dn o z z l eo fh o t w a l lh y d r o g e n a t i o nr e a c t o r ，t h ef r a c t u r em e c h a n i c sa s s e s s m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec r a c kl e n g t hi sl e s st h a nt h ec r i t i c a ll e n g t h m e a n w h i l e ，t h ee x t e n d i n gl i f eo ff a t i g u ec r a c kw a se s t i m a t e da n dt h er e s i d u a l l i r ew a sc a l c u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e a c t o rc a l lb eu s e ds a f e l yf o rm o r et h a n8y e a r si nt h e o r yt h o u g ht h e r e 棚哈c r a c k sa n dt r o u b l e so fs e c u r i t yi np r a c t i c 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 ；q u a l i t yi n s p e c t i o n ；s t r e s sa n a l y s i s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；s a f e t ya s s e s s m e n t独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作撇：宝秘字隰多。叩年鼢日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：签字日期：夕加7 年、n啄参屋钆月知日新躲馏签字嗍叼年厂月? 。日天津大学硕士学位论文第一章绪论1 1 加氢反应器的发展第一章绪论随着我国加入w t o 和对环境保护的日益重视，加氢精制和加氢裂化装置越建越多，规模也越来越大。而加氢装置的核心设备加氢反应器的使用也在不断地增加，体积也在不断地加大，壁厚也在不断地加厚。加氢反应器按其工作状态下反应器器壁温度分为热壁和冷壁两种【1 1 。冷壁加氢反应器内部设置绝热衬里，器壁温度保持在3 0 0 以下。热壁加氢反应器在筒体内表面堆焊不锈钢堆焊层后，直接与高温高压的氢及硫化氢等介质接触，其器壁温度就是反应器内工作介质的温度。加氢反应器筒体按结构可分为单层与多层，前者多为锻焊与厚板卷焊形式，且内壁采用不锈钢堆焊衬里，以满足抗腐蚀要求【2 】。目前，炼油工业使用的热壁加氢反应器最高压力可达2 0 m p a ，操作温度高达4 5 4 。这种高参数的加氢反应器由于器壁较厚( 一般超过2 0 0 r a m ) ，均采用锻焊式结构 3 - 5 】，即将预先锻制成型的筒节和封头对接焊制而成。随着加氢工艺的不断发展和加氢装置生产规模的不断扩大，加氢反应器的尺寸与重量也日益增大，对加氢反应器材料的要求也越来越高，用于制造加氢反应器的材料也因此在不断改进。对加氢反应器等这类高温临氢设备，在材料性能上的基本要求为【6 】：要具有较好的高温强度，包括高温持久强度和短时高温拉伸强度：具有较好的抗蠕变及蠕变脆化、抗回火脆、抗氢脆的能力；在设计寿命内长期使用后，材料性能虽有一定退化但仍能满足使用要求；复合内层( 堆焊层) 及其焊接部位应具有较好的抗腐蚀( 包括应力腐蚀和氢腐蚀) 和抗氢致开裂能力，且要求复合内层与母材基体连接可靠。最初使用的热壁加氢反应器材料主体材料为2 2 5 c r 1 m o 钢【7 叫0 1 ，这种钢具有优良的高温性能、抗氧化和抗氢蚀性能，且其长期服役后微观组织稳定，而且随着冶金工业的技术进步，2 2 5 c r l m o 钢的冶炼水平不断提天津大学硕士学位论文第一章绪论高，钢中杂质元素不断减少，钢材的性能不断改善，尤其是抗回火脆化性能得到大幅度提高。表1 1 为日本制钢所在1 9 7 0 至1 9 8 9 年间冶炼2 2 5 c r 1 m o 钢锻件的j 系数值。j 系数值是国际公认的评价材料回火脆化敏感性的重要指标，与材料中所含的杂质元素有关，其数值越大表示材料的回火脆化敏感性越大，即材料的抗回火脆化性能越差l 。由表1 1 可以看出，近3 0 年来，在降低2 2 5 c r 1 m o 钢的回火脆化敏感性方面确已取得了显著成效。表1 - 1j s m 历年冶炼的2 2 5 c r 1 m o 钢锻件的j 系数t a b l e1 - 1c o e f f i c i e n tjf o r2 2 5 c r - l m of o r g i n gs t e e lr e f i n e db yj s mi np a s ty e a r s目前，各制造厂均规定2 2 5 c r 1 m o 钢的j 系数应1 0 0 。我国1 9 9 4年由上海锅炉厂和上海重型机器厂研制的国产热壁加氢反应器使用的2 2 5 c r 1 m o 钢的j 系数最高值为1 0 0 左右，1 9 9 4 年由南京化学工业公司化机厂制造的加氢精制反应器( 筒体壁厚为9 4 r a m ) 各筒体和封头的2 2 5 c r 1 m o 钢的j 系数均在7 3 以下。我国第一重型机械集团公司在1 9 9 7年生产的2 。2 5 c r - 1 m o 钢锻件实物已经可以将，系数控制在3 7 - - 6 4 之间。因此可以看出，1 9 9 4 年以后的国产2 2 5 c r 1 m o 钢加氢反应器材料的抗回火脆化性能良好。目前，国内外2 2 5 c r 1 m o 钢的冶炼水平不断提高，s和p 的含量分别降至0 0 0 2 和0 0 0 6 的水平，该钢种的各项性能指标都有了很大提高。至今为止，全世界上大部分的加氢反应器均由日本制钢所( j s m ) 制造，到1 9 9 8 年1 月该公司已生产了4 9 2 台加氢反应器，大部分为2 2 5 c r 1m o钢制造，因此2 2 5 c r 1 m o 钢仍然是制造加氢反应器的好材料。上世纪7 0 年代初，美国等国家投入大量财力和物力，试图开发代替石油的新能源，如将煤液化为液体燃料【1 2 】。煤液化加氢反应器要在温度高达4 8 2 、压力为( 2 0 - - 3 0 ) m p a 的临氢条件下运行，拟建造的煤液化反应器内径为( 4 6 0 0 - 7 6 0 0 ) m m ，壁厚( 2 5 0 - - - 4 0 0 ) m m ，最大重量可达2 8 0 0 t 。传统的2 2 5 c r 1 m o 钢用于此种煤液化反应反应器在高温强度和抗氢腐蚀天津大学硕士学位论文第一章绪论性能方面都不能满足要求，相应的制造成本也会急剧上升。另外，重质油或超重质油裂化等新工艺的出现也使加氢反应器的温度和压力趋向更高。在以上背景下，美国与日本进行新型c r m o 钢的开发【1 3 】，其开发目标为：提高钢的设计应力强度值，以适应加氢反应器使用温度提高的需要；提高钢的抗氢腐蚀和抗氢脆等性能，以满足在更高温度和压力的临氢环境下使用的要求；良好的加工性能和较经济的成本。为达到此目的，主要方法是在原使用的3 c r 1 m o 钢与2 2 5 c r 1 m o 钢中加入v 元素【1 4 叫6 1 ，以提高其高温强度和抗氢损伤性能。新开发的改进型3 c r - 1 m o 钢( 如3 c r 1 m o v t i b 钢和3 c r 1 m o v n b c a 钢) 和改进型2 2 5 c r 1 m o钢( 如2 2 5 c r 0 1 m o v 钢) 就是以原有的化学成分为基础添加0 2 0 3 的v 等元素来达到高度强化，并且考虑到高温强度、淬透性能、焊接性能等，在规定的范围内添加了t i 、b 及c a 、r e 等元素。美国石油学会( a p i ) 1 9 8 3 年制定了高温高压压力容器材料的开发计划【i ，由材料委员会负责实施；美国钢铁协会( a i s i ) 、美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国材料试验协会( a s t m ) 以及生产建设单位的广大科技人员按这一开发计划进行工作，所开发的2 2 5 c r 1 m o 一1 4 v 钢于1 9 9 1年被a s m e 以规范案例2 1 5 l 予以承认。与此同时，日本新能源开发组织( n e d o ) 开始“阳光计划”，在该计划中，日本制钢所开发出的3 c r 1 m o 1 4 v - t i b 钢于1 9 8 4 年被a s m e 以规范案例1 9 6 l l 予以承认【1 8 j 。加v 后c 卜1 m o 钢的焊接性能可通过努力予以解决。3 c r 1 m o v t i b 钢焊接技术问题相对较容易解决，但还是到1 9 8 9 年才使用该钢制造出第一台加氢反应器【l9 1 。2 2 5 c r 1 m o v 钢涉及焊接技术问题更为复杂，以致经过1 0多年的开发研究才于1 9 9 8 年制造出第一台该钢加氢反应器【20 1 ，但对其焊接接头抗氢腐蚀和氢脆的性能和如何保证焊接热影响区的蠕变强度还需做近一步的研究工作。在1 9 9 8 年版a s m e 锅炉及压力容器规范第1 i 卷材料a 篇中，规定了上述三种c r m o 钢的化学成分和材料性能，标准号和规格名为a s m es a - 3 3 6 s a 一3 3 6 m 或a s t ma 3 3 6 a 3 3 6 m 高温承压件用合金钢锻件，锻钢钢号分别为f 2 2 、f 2 2 v 和f 3 v 。表1 2 为该标准对三种钢锻件的化学成分要求，表1 3 为拉伸性能要求。天津大学硕士学位论文第一章绪论表1 2a s m e 规范对三种钢锻件的化学成分要求1 2 1 l( )t a b l e1 - 2r e q u i r e m e n t so fc h e m i c a lc o n s t i t u t i o n sf o r3 k i n d so fs t e e lf o r g i n g si na s m ef 2 2 v 钢可加稀土金属替代钙，但须经制造厂和买方同意此时应测定稀土金属总量并报告表1 - 3a s m e 规范对三种钢的拉伸性能要求1 2 2 it a b l e1 - 3r e q u i r e m e n t so ft e n s i l ep r o p e r t yf o r3k i n d so fs t e e lf o r g i n g si na s m e断面收缩率，4 04 54 5- _ - _ 一i - _ _ l _ - _ - l l i l l _ - i _ _ l _ _ _ _ - _ - l _ _ - _ _ i _ - - - l _ _ l _ l _ _ _ _ _ _ _ - _ - - - l l i _ l i - i i _ _ l - - - _ l _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一采用定标距拉伸试样，标距为2 i n ( 5 0 m m )天津大学硕士学位论文第一章绪论表1 4 为a s m e 锅炉及压力容器规范第卷第2 篇给出的三种钢在4 5 4 ( 2 下的设计强度值、抗氢腐蚀性能和抗氢脆致开裂性能，2 2 5 c r i m o钢可用于温度高达4 5 4 ( 2 的高压临氢设备的制造。表1 - 4 用于高温高压临氢设备的c r m o 钢临界设计温度i qt a b l e1 - 4c r i t i c a ld e s i g n u i n gt e m p e r a t u r eo fc r - m os t e e lu s e df o rh i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eh y d r o - e q u i p m e n t设计温度：4 2 74 5 44 8 25 1 0i第2 篇4 5 4 c s ml 伟 g i 2 1 r - i m 么a s m e c x ，a e s a 3 3 6 - f 2 2 ) 豸11 5 0 m p a常用3 c r - l m o鍪1 3 1 k 口aa s m e 规范第8 卷第2 篇( a s m e c o d e s a 3 3 6 - f 2 1 ) 改进型3 c r - i m o - v氢腐蚀一ll1 6 4 m p ai( a s m e c o d e s a 3 3 6 - f 3 v ) ；ii氢致开裂改进型2 1 4 c r - i m o - v ：。，7 佩l 、( a s m e c o d e s a 3 3 6 - f 2 2 v ) ：1 6 9 m p a 羽ii我国开发含v 铬钼钢的工作起步较晚，但进步很快，中国第一重型机械集团公司等研制的3 c r 1 m o ，1 4 v 钢锻件和2 2 5 c r 1 m o 1 4 v 钢锻件分别于l9 9 8 年l o 月和2 0 0 0 年1 0 月通过鉴定【2 3 ，2 4 ，该公司为克拉玛依制造的f 3 v 钢3 6 6 吨重加氢反应器已经安全运行近两年，并通过了工业试验鉴定。该公司为镇海炼化股份有限公司制造的f 2 2 v 钢4 7 2 吨加氢反应器2 0 0 1 年已交付使用。根据1 9 8 9 年至1 9 9 8 年日本j s m 和意大利b e l l e l i 公司所生产的加氢反应器用材情况，绝大多数反应器仍采用2 2 5 c r 1 m o 钢，换言之，2 2 5 c r 1 m o钢仍是当前加氢反应器制造大量选用的材料【25 1 。加v 改进型c r m o 钢由于其高温强度高，主要用于制造大型反应器以达到节省材料的效果。表1 5 和表1 6 分别为a s m e 锅炉及压力容器规范第一1 篇和一2篇中给定的三种c r - m o 钢设计应力强度值，由于根据强度要求设计的反应天津大学硕士学位论文第一章绪论器壁厚与所用材料的设计应力强度值成反比，采用加v 的c r - m o 钢在高温下确能减小反应器壁厚和重量。表1 - 5 常用铬钼钢a s m e 第v i i - 1 篇设计应力强度值i 撕it a b l e 】一5d e s i g n n i n gv a l u eo fs t r e s ss t r e n g t hf o rc r - m os t e e li nc h a p t e rv i i - 1o fa s m e公称成分制品材料代号在下列温度( ) 下的许用应力( m p a )形式3 5 04 0 04 2 54 5 04 7 54 8 22 2 5 c r 1m o锻件s a 3 3 6 g r f 2 2 c l 31 3 9 01 3 5 71 3 3 31 2 9 51 1 3 91 0 8 93 c r 1 m o 一1 4 v - t i b锻件s a 3 3 6 g r f 3 v1 4 8 61 4 5 41 4 3 61 4 1 11 3 8 61 3 7 92 2 5 c 卜lm o v锻件s a 3 3 6 g r f 2 2 v1 5 9 31 5 3 o1 4 9 21 4 5 41 4 1 21 4 0 0表1 - 6 常用铬钼钢a s m e 第一2 篇设计应力强度值t a b l e1 - 6d e s i g n i n gv a l u eo fs t r e s ss t r e n g t hf o rc r - m os t e e li nc h a p t e r 疆- 2o fa s m e公称成分制品材料代号在下列温度下的许用应力( m p a )形式3 5 03 7 54 0 04 2 54 5 04 5 44 7 54 8 22 2 5 c 卜1m o锻件s a 3 3 6 g r f 2 2 c l 31 6 2 41 6 0 91 5 8 51 5 5 41 5 1 01 5 0 31 2 5 51 1 7 23 c r l m 0 1 4 v t i锻件s a 3 3 6 g r f 3 v1 7 3 41 7 2 o1 6 9 51 6 7 71 6 4 61 6 4 1b2 2 5 c r - lm o - v锻件s a 3 3 6 g r f 2 2 v1 8 5 81 8 2 11 7 8 41 7 4 11 6 9 61 6 8 91 6 4 31 6 2 7注：1 表中温度单位，应力单位m p a 。2 单位换算l 华氏温度f - - i 8 + 3 2 ，k s i - - m p a 6 8 9 4 8 5 7 1 2 热壁加氢反应器常见缺陷国内六七十年代制造的加氢反应器多为冷壁反应器。但是，这种形式的反应器内的隔热层占据了内壳的空间，减少了反应器容积的利用率，浪费了材料。另外，由于冷壁反应器内的非金属隔热层在介质的冲刷下或在温度的变化中极易损坏、脱落，造成了反应器的不安全隐患。而热壁反应器却不具有上述的缺点，可以保证长周期安全运行。因此，冷壁反应器逐步被热壁反应器所取代。热壁加氢反应器的器壁直接与高温、高压的氢或氢与硫化氢的反应物料接触。其与冷壁比较具有以下优点：( 1 ) 内部空间大，可以充分地利用反天津大学硕士学位论文第一章绪论应器的容积，有效容积利用率可达8 0 - 9 0 ；( 2 ) 施工周期短，生产中维修较方便：( 3 ) 质量轻；( 4 ) 器壁不易产生局部过热现象。热壁加氢反应器壳体材料：2 2 5 c r 1 m o ( 包括封头、接管、法兰等) ；堆焊层材料：e 3 0 9 l + e 3 4 7 l 。加氢反应器所发生的各类缺陷，主要起因于高温、高压及氢+ 硫化氢介质。1 2 1 缺陷的部位及形式加氢反应器是加氢裂化、加氢精制化或者操作使用不当而使其产生缺陷。根据国内外使用经验及积累的检验数据【2 7 1 ，加氢反应器最易出现的典型缺陷产生的见表1 7 所示，具体部位见图1 1 所示。上述这些缺陷形式都是按产生部位进行归纳的，这为设备的检验及监测提供了方便。表1 7 缺陷部位与形式t a b l e1 - 7f l a wl o c a t i o n sa n dt y p e s缺陷部位缺陷形式器壁主焊缝母材堆焊层表面母材堆焊层结合面内件焊接处裙座焊缝接管密封面垫圈槽接管安装处回火脆化、氢致裂纹和氢腐蚀等回火脆化、氢腐蚀因氢脆、脆化和应力腐蚀而龟裂因氢致裂纹而剥离因氢脆，仃脆化而龟裂应力集中裂纹，蠕变裂纹因氢脆、盯脆化而开裂高温蠕变裂纹外部附件焊接处应力集中裂纹天津大学硕士学位论文第一章绪论卜龟裂外部零件焊接处( 瘟歹j 鬃巾裂纹)塑堡璺堡竺【盈麓、荫化)简体焊量【回火臆化、氧童裂纹：连多麓廖嚼蚀氢侵蚀坠燮7f 应力集中裂纹，蠕变裂纹j鬻黑匝 、) 迫( 氧张引i ；j 一j | 焊层【同火冀化、氯侵蚀侵矗( 氢囊、o 蠢化) 、 、图1 - 1 热壁加氢反应器的典型损伤f i g 1 - 1t h et y p i c a ld a m a g e m e n t so fh o t - w a l lh y d r o g e n a t i o nr e a c t o r1 2 2 缺陷种类新制造的加氢反应器，制造缺陷基本上都得到了控制或在出厂前消除和修复。因此在用加氢反应器检验所发现的缺陷大多是在投用后产生的。( 1 ) 氢损伤高温、高压、临氢的运行环境使得热壁加氢反应器的器壁在运行过程中吸收了一定量的的氢，当反应器停工后，会有一部分残余氢在反应器的器壁之中，这些残留氢就有可能在反应器中引起亚临界裂纹扩展，甚至引起脆性破坏。( 2 ) 堆焊层表面裂纹不锈钢堆焊层金属的表面裂纹表现在表面产生并向母材方向扩展，一般出现在可能存在的三相应力的内件支撑表面，其宏观形貌和微观形貌见图1 2 。堆焊层的表面裂纹通常具有以下特征：裂纹一般出现在热壁反应器的内部支撑凸台的部位；裂纹以环向裂纹和龟裂为主；铁素体含量偏高或偏低的部位容易出现裂纹；裂纹从热壁加氢反应器堆焊层的表面向内部扩展，扩展较为严重的表面裂纹会穿透3 4 7 堆焊层，大部分中止在3 4 7 与3 0 9 堆焊层的界面上，但黟萝够曰一天津大学硕士学位论文第一章绪论也有极少数的裂纹会穿透3 0 9 过渡层宏观形貌微观形貌圈1 2 堆焊层裂纹形貌f i g1 2t h ec r a c kp a t t e r nsi nb e a d - w e l dl a y e r( 3 ) 连多硫酸应力腐蚀开裂在临氢设备中，由连多硫酸( h so ，x = 3 6 ) 引起不锈铜应力腐蚀开裂更具危险性l 。在高温硫化氢和氢介质环境下生成的硫化铁在反应器停止运转或检修时与出现的水分和空气中的氧发生反应生成了连多硫酸一定的拉伸应力就可能引起奥氏体不锈钢开裂。( 4 1 铬钼钢的回火脆化c r m o 钢长时间地保持在3 2 5 5 7 5 或在该温度范围缓慢地冷却时，出现的材料损坏、性能劣化的现象，通常称之为高温回火脆化。它产生的主要原因是由于钢中的微量不纯元素在原舆氏体晶界偏析，使晶界凝集力下降m 】。其特征是沿晶破坏形态、冲击韧性的降低和脆性转变温度向高温侧迁移。除化学成分影响外，热处理工艺、加工工艺、强度太小、塑性变形、碳化物形态、使用时的操作温度等许多因素也都会影响到材料的回火脆性。回火脆化是可逆的将脆化的材料加热n 6 0 0 c 以上急冷钢材可以恢复原来的韧性：但一旦产生裂纹则是不可逆的。( 5 ) 堆焊层剥离剥离现象产生属于氢脆的范围，堆焊层和母材之间的界面在正常操作过程中积累了比两侧多得多的氢，停工冷却时来不及逸出被冻在界面j 。目冷却后的反应器氢不断往界面处浓缩产生很大的垂：匿应力，有人测试过大约有1 3 7 k g m m2 的垂直应力。加上两者金属的热膨胀系数之差，在挎天津大学硕士学位论文第一章绪论却时内壁比外壁降温快，产生大的切向应力。由于材料氢脆现象等因素的叠加，在比较薄弱的部位产生剥离。不锈钢堆焊层的剥离裂纹具有以下特征 3 0 1 ：剥离裂纹出现在不锈钢堆焊层与母材熔合面的堆焊层一侧，沿着生长在熔合面上租大奥氏体晶粒的晶界形成和发展，其性质属氢脆断口。两条焊道的搭接部位为剥离裂纹最容易出现的部位，剥离裂纹大多为片状，且基本平行于堆焊层的熔合面。堆焊层剥离裂纹的产生与热壁加氢反应器的制造和使用过程息息相关，制造中影响堆焊层剥离的因素包括堆焊材料，焊接工艺，热处理等，使用中影响因素主要为操作工况。1 3 安全评估与寿命预测技术进展由于加氢反应器属于装置的核心设备，也是危险设备，因此如何保证反应器的安全运行一直是专业人员关注、研究探讨的重要课题。七十年代，合肥通用所等单位率先将断裂力学用于在用压力容器的缺陷评估与寿命预测，编$ 1 j c v d a 8 4 规范1 ，该规范与国外同期的缺陷评定规范( 如日本w e s ，2 8 0 5 、英国b s p d 6 4 9 3 、国际焊接学会i i w x 7 4 9 7 4等) 是建立在以d m 模型和宽板试验为基础的c o d 设计曲线基础之上，是安全的工程评定方法。c v d a 规范主要针对非高应变区裂纹状缺陷，对体积型缺陷以及接管高应变区缺陷过于保守。“七五、八五”期间在j 积分失效评定曲线和通用失效评定曲线的断裂评定方法、体积型缺陷极限载荷与安定性分析评估研究、接管高应变区缺陷安全评估方法及综合安全状况等级评定研究等方面取得突破，提出了对体积性缺陷评定采用极限载荷与安全性分析为基础的研究成果，对平面缺陷断裂评定用三级技术路线。“九五”期间开展在用重要压力容器寿命预测技术研究课题，重点考虑介质腐蚀和工艺环境对压力容器安全性的影响。主要包括如下内容：在用压力容器抗应力腐蚀开裂技术研究。通过l6 m n r 、0 7 m n c r m o v r 钢对h 2 s 和o c r l 8 n i 9 、0 0 c r l 7 n i l 4 m 0 2 钢对c l 等典型钢种、典型介质的应力腐蚀敏感性、应力腐蚀开裂及裂纹扩展速率( d a d t ) 的影响天津大学硕士学位论文第一章绪论因素及控制参量的研究，探索防止或减缓产生s s c c ( 抗硫化物应力腐蚀开裂) 的方法，以期能提出抗应力腐蚀开裂的安全评估工程方法：在用压力容器在典型介质中腐蚀疲劳剩余寿命评估技术研究。通过常用钢种腐蚀裂纹扩展速率的收集分析与试验验证相结合，提出腐蚀疲劳安全评估的指导性意见； 典型临氢装置的氢损伤评定与寿命预测技术。利用硅片研究2 2 5 c r 1 m o 材料的氢脆与回火脆化及氢致裂纹扩展机理，提出热壁加氢反应器氢损伤评价方法、提高寿命措施及剩余寿命评定方法：应变疲劳剩余寿命技术研究。以循环j 积分作为应变疲劳裂纹扩展速率参量并研究其工程计算结果，结合模拟试样试验研究，考虑外载影响提出寿命评估方法；实用延寿技术研究。将表面技术用于压力容器的延寿领域，利用表面改性、表面涂、镀、覆技术隔离或减缓介质环境对压力容器的作用。该课题研究成果将使我国的压力容器评定与寿命预测技术进一步完善。1 9 9 8 2 0 0 0 年，合肥通用机械研究所、华东理工大学、浙江工业大学等单位应用专题组的研究成果，对二十余家大型企业的近干台带缺陷压力容器进行了安全评估，尤其是对四十余台高温高压临氢环境下压力容器，百余台湿h 2 s 环境及无水液氨环境下压力容器，二十余台硝酸盐环境下催化再生器等重要容器的安全评估与综合延寿技术应用取得了重大进展。1 4 本文的研究目的和内容用于重质油的加氢裂化、加氢精制以及催化重整、脱硫、脱除重金属等工艺过程的热壁加氢反应器是石油炼制过程中的关键设备。由于该装置在高温、高压、临氢及腐蚀介质中运行，其工作条件苛刻，对材质洁净度的要求极高，制造、焊接和检测的难度较大。因此，2 0 世纪8 0 年代以前，我国石化企业中的热壁加氢反应器基本上是引进国外的设备。2 0 世纪8 0年代中期，中国第一重型机械集团公司参加中石化组织的热壁加氢反应器制造国产化的技术攻关。如今，已能为我国石油企业提供各种类型的热壁加氢装置。天津大学硕士学位论文第章绪论随着投用的热壁加氢反应器数量和装置运行周期的增加，一些影响其安全使用的问题已逐渐在设备运行中暴露出来。因此，较全面地认识影响热壁加氢反应器安全运行的因素，及早地发现热壁加氢反应器缺陷产生的萌芽期，并有效地控制缺陷的继续发展，这样对提高热壁加氢反应器的使用性能，防止反应器发生失效和脆性破坏事故是十分重要的。本文以国标g b t1 9 6 2 4 - 2 0 0 4 “在用含缺陷压力容器安全评定 标准和国际通用的英国国家标准b s 7 9 1 0 ：1 9 9 9 “焊接结构中缺陷的可接受性评定方法”为依据，对某炼油厂的加氢反应装置的安全性进行了分析与研究。研究内容为：( 1 ) 对加氢反应器的制造质量进行了重点抽检，如内外表面检验、无损检测、金相检验和硬度测定、化学成分分析等：( 2 ) 应用有限元分析软件a n s y s 对其受力进行了分析。( 3 ) 在应力分析基础上，针对检验过程中发现的缺陷进行安全性研究与评定。天津大学硕士学位论文第二章安全评估方法简介第二章安全评估方法简介以“合于使用”的思想为原则，英国标准协会于1 9 8 0 年首次起草了p d 6 4 9 3 焊接结构缺陷验收评定方法指南，后来于1 9 9 1 年对p d 6 4 9 3 进行进一步的修订。随着工程评定领域的发展，英国标准协会制定的b s 7 9 1 0焊接结构中缺陷的可接受性评定方法逐渐取代了p d 6 4 9 3 ，并正式上升为英国的国家标准，同时在国际上也得到了广泛的承认和使用。2 1g b t1 9 6 2 4 - 2 0 0 4 在用含缺陷压力容器安全评定标准简介3在用含缺陷压力容器安全评定标准考虑了三种类型的失效模式，即断裂失效、塑性失效、疲劳失效。判断失效模式应依据同类压力容器或结构的失效分析和安全评定案例和经验，并充分考虑被评定的压力容器或结构的具体的制造和检验资料、使用工况以及对缺陷的理化检验和物理诊断结果，且对可能存在的腐蚀、应力腐蚀、高温蠕变环境等对失效模式和安全评定的影响。安全评定方法的选择以避免在规定工况( 包括水压试验) 下安全评定期内发生各种模式的失效而导致事故的可能为原则，一种评定方法只能评价相应的失效模式，只有对各种可能的失效模式进行判断或评价后，才能作出该含有超标缺陷的容器或结构是否安全的结论。2 1 1 断裂与塑性失效评定依据评定对象的缺陷类型和评定准则的不同，评定方法可分为下列类型：一一平面缺陷的简化评定( 简称简化评定)一一平面缺陷的常规评定( 简称常规评定)一一凹坑缺陷的评定( 简称凹坑评定)一一气孔和夹渣缺陷的评定( 简称气孔夹渣评定)对于平面缺陷，可采用简化评定或常规评定方法进行，当二者的评定天津大学硕士学位论文第二章安全评估方法简介结果发生矛盾时，以常规评定结果为准。安全评定时，一般规定对实测的平面缺陷进行规则化表征处理，将缺陷表征为规则的裂纹状表面缺陷、埋藏缺陷和穿透缺陷。表征后裂纹的形状为椭圆形、圆形、半椭圆形或矩形。平面缺陷的简化评定按下列步骤进行；( 1 ) 缺陷表征和当量裂纹尺寸的确定；( 2 ) 应力的确定；( 3 ) 材料性能数据的确定：( 4 ) j 及怕，的确定；( 5 ) s r 的确定；( 6 ) 安全性评价。2 1 2 疲劳失效评定平面缺陷的疲劳评定，首先依据疲劳裂纹扩展速率d a d n 与裂纹尖端应力强度因子变化幅度k 的关系式d a d n = a ( z x k ) ”，确定在规定的循环周期内疲劳裂纹的扩展量和最终裂纹尺寸：然后根据给出的判别条件和方法；来判断该平面缺陷是否会发生泄漏和疲劳断裂。对于难以明确划分的非平面缺陷的埋藏缺陷也应按平面缺陷进行评定。平面缺陷疲劳评定按下列步骤进行：-( 1 ) 缺陷的表征，确定疲劳评定初始裂纹的尺寸；( 2 ) 应力变化范围的确定：( 3 ) 材料性能数据的确定；( 4 ) 疲劳裂纹的k 计算；( 5 ) 免于疲劳评定的判别；( 6 ) 疲劳裂纹扩展量的计算：( 7 ) 容许裂纹尺寸的计算和安全性评价。疲劳评定所需的基本数据：( 1 ) 对缺陷规则化，确定疲劳评定初始裂纹的尺寸：( 2 ) 应力变化范围及循环次数的确定；根据外加载荷或温度变化的历程，分别确定被评定缺陷所在截面上垂直于裂纹平面的一次应力和二次应力的应力变化范围的分布曲线及其循天津大学硕士学位论文第二章安全评估方法简介环次数。平行于裂纹平面的应力变化不予考虑。( 3 ) 材料性能数据的确定；疲劳裂纹扩展速率与k 的关系式中的系数a 与指数n 的取值：2 2b s 7 9 1 0 简介b s 7 9 1 0 评定方法以断裂力学为基础，主要采用失效评定曲线f a d 图( f a i l u r ea s s e s s m e n td i a g r a m ) 方法进行评定，所秉承的评定思路为将结构的抗裂能力和在实际承载条件下裂纹的启裂能力加以比较。其中f a d 图的横坐标是从力学性能的角度来进行度量它表征了结构趋向于塑性失效破坏的程度，而f a d 图的纵坐标则是从断裂韧性的角度来进行度量一它表征了裂纹在实际负载作用趋向于失稳扩展的程度。在b s 7 9 1 0 标准中，共有3 个评定等级，随评定等级的增高，评定结果的保守度降低，当然，所需要的关于结构和材料的相应数据的完备性和准确性也随之增加。在实际的评定过程中，根据结构和材料相关性能、所受负载等数据的完备性及准确性，以及所需达到的评定结果的准确程度，选用相应的评定级别【3 引。3 个等级分别为：a ) 一级评定( 1 e v e l1 ) ，其为简单评定方法，在己知材料性能数据有限的情况下使用。b 1 二级评定( 1 e v e l2 ) ，其为常规评定方法，本身又分分为2 a 和2 b级评定。c ) 三级评定( 1 e v e l3 ) ，该评定适用于延性材料，主要是对高应变硬化指数的材料或需要分析裂纹稳定撕裂断裂时，才考虑使用此方法【34 1 。对于常用的焊接结构用钢，一般不采用此程序。其本身又分为3 a 、3 b 、3 c 级评定。在标准中，根据不同的评定级别，规定了不同的评定曲线，通过对含缺陷结构实际承受的载荷，以及缺陷所在位置处材料的性能等进行分析，通过计算，得出评定点的横坐标和纵坐标，从而确定评定点在f a d 图的位置，通过比较评定点与评定曲线的位置确定缺陷是否可以接受：当评定点位于评定曲线与坐标轴所包围的区域时，缺陷是可以接受的，如果评定点落在评定曲线上或评定曲线以外的区域，则缺陷是不可以接受的。评定的整体流程图如图2 1 所示。天津大学硕士学位论文第二章安全评估方法简介图2 - 1评定整体流程图f i g 2 - 1t h ew h o l ef l o wc h a r to ft h ea s s e s s m e n t2 2 1b s 7 9 1 0 的一级评定一级评定作为b s 7 9 1 0 中三级评定中的最初级，是一种简化的评定方法，评定结果的保守度较大。在评定中使用对外加应力，残余应力和断裂天津大学硕士学位论文第二章安全评估方法简介韧性的