加氢裂化装置设备及类似设备的问题及检验.ppt

2019 12 19 1 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 12 19 2 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 12 19 3 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 一次通过法 所产尾油不参加循环 部分循环法 所产尾油一部分参加循环 一部分排出装置 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 12 19 4 图1加氢裂化装置流程简图 带循环尾油 2019 12 19 5 图2大连热壁加氢反应器 2019 12 19 6 图3高温高压临氢管线 2019 12 19 7 图4热高分 2019 12 19 8 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 12 19 9 加氢反应器发展简况 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 12 19 10 加氢反应器发展简况 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 12 19 11 图5热壁加氢反应器 2019 12 19 12 加氢反应器产生的缺陷及部位 2019 12 19 13 加氢裂化装置常用材料 2019 12 19 14 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 电炉精炼 真空脱氧 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 nelson抗氢曲线 评定材料的回火脆化敏感性 制造时机械性能破坏性评价 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 12 19 15 材料选择 纯净化 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 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 12 19 16 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 12 19 17 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 12 19 18 图8典型阶梯冷却线图 2019 12 19 19 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 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 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 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 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 12 19 20 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 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 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 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 12 19 21 制造要求 5 在400 以上的高温条件下 尽量避免采用异种钢的焊接接头 铬钼钢之间的焊接应采用珠光体焊条 焊后需进行热处理 一般不推荐用奥氏体焊条焊接及焊后不热处理 在制造上采取的措施是 根据操作条件的苛刻程度可以选用双层衬里堆焊 309 347 或单层衬堆焊 347 双层抗剥离性能要优于单层 如选用单层浅熔深堆焊 pz法 为提高其抗剥离性能要适当加大堆焊金属的稀释率 最近国内采用抗剥离性能好的高速度大电流堆焊法 为防止堆焊层焊接热裂纹和操作中产生 相 应控制堆焊层焊后状态铁素体的含量在3 10 范围 堆焊层的铁素体含量可以采用谢菲尔图 schaeffler 估算或采用铁素体测量仪直接在堆焊层上测量 一般情况下后者测量值偏高 尤其是单层堆焊 2019 12 19 22 石化系统中高温压力容器概况 在介质和工艺环境作用下 中高温压力容器面临着防止应力腐蚀 腐蚀疲劳 氢损伤等破坏方式的新课题 如加氢裂化 加氢重整 加氢精制压力容器的氢损伤与回火脆化 催化再生器的露点腐蚀 延迟焦碳塔热疲劳开裂等等 石化企业中典型炼油过程的主要工艺温度范围在200 550 之间 但在催化裂化和焦化的部分工序中 也有达到700 800 典型化肥 合成氨 尿素 生产过程的工艺温度范围在200 300 之间 乙烯裂解的主要工艺温度范围在700 800 之间 甲醇合成的主要工艺温度范围在240 270 之间 环氧乙烷直接氧化法的主要工艺温度范围在260 苯酚合成的主要工艺温度范围在110 200 之间 合成纤维 涤纶 装置的主要工艺温度范围在115 300 之间 顺丁橡胶装置的主要工艺温度范围在230 左右 煤化工 2019 12 19 23 高温压力容器的主要失效模式 高温损伤 许多失效事例都与高温环境的损伤有关 在高温下长期运行所发生的组织性能变化和损伤形式主要有 珠光体球化 石墨化 蠕变损伤 蠕变脆化等 珠光体球化 碳钢和低合金钢管件在常温下主要为铁素体 珠光体组织 在高温下长期使用后珠光体组织中的片状渗碳体会逐渐形成球状渗碳体 并缓慢长大 导致材料常温强度显著降低 引起管件破裂 石墨化 碳钢管件在500 高温下长期使用后 钢中的碳化物分解 析出球状石墨 并导致材料发生不同程度的脆化 引起管件破裂 蠕变损伤 碳钢管件使用温度超过400 低合金钢管件使用温度超过500 时 随时间的变化会发生变形 在结晶晶间生成空隙并开裂 由于蠕变延性降低引起的开裂 2019 12 19 24 高温压力容器的主要失效模式 高温临氢损伤 炼油二次加工装置均有直接加入或产出氢气的高温 450 650 高压 2 20mpa 的临氢反应过程 氢在高温高压或是初生氢状态时 可能以原子氢的形式向钢材渗透 导致钢材脆化 腐蚀部位发生于加氢精制 加氢裂化及催化重整装置中高温高压临氢设备及管线中 腐蚀形态为表面脱碳及内部脱碳 氢腐蚀 这些腐蚀发生在碳钢 c 0 5mo钢及铬钼钢中 其主要失效形式如下 氢脆 由于氢残留在钢中所表现出的脆性 氢脆现象是可逆的 表面脱碳 钢中的氢在高温下移到表面 在表面形成ch4 其强度和硬度下降 但一般不形成裂纹 内部脱碳 氢腐蚀 高温高压下的氢渗入钢材后 和不稳定碳化物形成ch4 在晶界或夹杂物附近形成很高压力使钢材产生裂纹和鼓泡 氢腐蚀是不可逆的 2019 12 19 25 高温压力容器的主要失效模式 高温介质腐蚀 高温硫腐蚀 高温硫腐蚀部位主要为焦化装置 常减压装置 催化裂化装置的加热炉 分馏塔底部及相应的管线 换热器等 腐蚀机理为化学腐蚀 腐蚀形态为均匀腐蚀 其腐蚀过程分为活性硫及非活性硫两部分 所谓活性硫化物 就是它们能与金属直接发生反应 非活性硫化物则是不能直接同金属反应的 高温环烷酸腐蚀 环烷酸 rcooh r为环烷基 是石油中一些有机酸的总称 环烷酸的腐蚀起始于220 随温度上升而腐蚀逐渐增加 在270 280 时腐蚀最大 温度再提高 腐蚀又下降 可是到350 附近又急骤增加 400 以上就没有腐蚀了 腐蚀部位主要为常压炉和减压炉出口 减压炉和减压塔进料段 焦化分馏塔等 一般以原油中的酸值来判断环烷酸的含量 原油酸值大于0 5mgkoh g 原油 时即能引起设备腐蚀 高温硫化氢腐蚀 在富氢的环境中90 98 的有机硫将转化为硫化氢 在氢的促时下可使h2s加速对钢材的腐蚀 其腐蚀产物不像在无氢环境生成物那样致密 附着牢固 具有一定保护性 在富氢环境中 原子氢能不断侵入硫化物垢层中 造成垢的疏松多孔 使金属原子和h2s介质得以互相扩散渗透 因而h2s的腐蚀就不断进行 腐蚀部位主要存在于加氢精制及加氢裂化装置高温 300 420 的反应器容器 加热炉管及工艺管线 腐蚀形态为h2s对钢的化学腐蚀 2019 12 19 26 高温压力容器的主要失效模式 高温使用设备停工时常温条件下的失效 石化企业中的中高温容器存在着各种各样的腐蚀形态 开停车时 容易出现应力腐蚀裂纹和氢致裂纹 当设备运行温度在露点以下时 可能产生各类露点腐蚀开裂 连多硫酸腐蚀连多硫酸应力腐蚀开裂是在停工和检修期间发生的 产生连多硫酸应力腐蚀开裂 往往与奥氏体不锈钢的晶间腐蚀密切相关 这种腐蚀首先是引起连多硫酸晶间腐蚀 接着引起连多硫酸应力腐蚀开裂 所以在形貌上开裂往往是晶间型的 露点腐蚀 硝酸盐露点腐蚀 催化裂化装置掺炼的常渣油 减渣油及焦化蜡油中的高含量n s 在催化裂化反应中沉积于待生催化剂表面 在催化再生过程中 成为nox和sox等酸性气体且通过设备隔热衬里的缝隙进入到设备金属器壁内壁 当烟气露点温度高于壁温时 烟气中的水蒸汽凝结成水 在内壁与nox sox等形成含有硝酸盐的酸性水溶液 产生硝酸盐露点腐蚀 硫酸露点腐蚀 以重油或含硫瓦斯为燃料的装置 常由于烟气中生成的硫酸在温度较低处凝聚而引起腐蚀 通常称为硫酸露点腐蚀 硫酸露点腐蚀一般发生在制氢 催化裂化等装置的加热炉 余热锅炉 空气预热器及烟道 烟囱等部位 主要形态为硫酸露点腐蚀穿孔失效 腐蚀产物主要为硫化亚铁 硫酸亚铁 二氧化三铁 氧化亚铁约占80 2019 12 19 27 加氢裂化装置损伤形态 1 氢损伤 高温高压条件下扩散侵入钢中的氢 氢原子 新生氢 与钢中不稳定的碳化物起反应生成甲烷 因此引起钢材的内部脱碳 即fe3c 2h2 3fe ch4 甲烷不能从钢中逸出 聚集在晶界及其附近的空隙 夹杂物等不连续处 以此为起点形成甲烷空隙 形成微小裂缝和鼓泡 随着空隙压力不断升高 就有可能导致钢材的延性和韧性显著下降 在反应器中引起亚临界裂纹扩展 甚至引起脆性破坏 逐渐变成较大的缝隙和裂纹 氢的腐蚀是不可逆的 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 堆焊层的表面裂纹一般出现在可能存在的三相应力的内件支撑表面 通常有以下特征 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 扩展较为严重表面裂纹会穿透347堆焊层 大部分中止在347与309堆焊层的界面上 也有极少数裂纹会穿透309过渡层 2019 12 19 28 照片1堆焊层裂纹宏观形貌3 照片2堆焊层裂纹微观形貌200 3 连多硫酸应力腐蚀开裂在临氢设备中 由连多硫酸 h2sxo6 x 3 6 引起不锈钢应力腐蚀开裂更具危险性 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 加氢裂化装置损伤形态 2019 12 19 29 照片3人孔顶盖密封槽底裂纹形貌60 照片4人孔顶盖密封槽底裂纹微观形貌200 4 鉻钼钢的回火脆化cr mo钢长时间地保持在325 575 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奥氏体晶界偏析 使晶界凝集力下降 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 强度大小 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 将脆化的材料加热到600 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 加氢裂化装置损伤形态 2019 12 19 30 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二侧多得多的氢 停工冷却时来不及逸出被冻在界面上 且冷却后的反应器氢不断往界面处浓缩 产生很大的垂直应力 有人测试过大约有14kg mm2的垂直应力 加上两者金属的热膨胀系数之差 在冷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 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粗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 加氢裂化装置损伤形态 2019 12 19 31 安全评估与寿命预测技术进展 七十年代 合肥通用所 北京钢铁研究总院 浙江大学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 进行了大量的试验研究和国外规范的消化 并编制了我国第一部压力容器缺陷评定规范cvda 1984 该规范与国外同期的缺陷评定规范 如日本wes 2805 英国bs pd6493 国际焊接学会iiw x 749 74等 一样都是建立在以d m模型和宽板试验为基础的cod设计曲线基础之上 只是在应变水平接近材料屈服应变值时 cvda的设计曲线更加安全 cvda主要针对非高应变区的裂纹状缺陷 对体积型缺陷如气孔 夹渣以及接管高应变区缺陷的评估显得过于保守 七五 攻关期间 劳动部锅检中心与合肥通用所共同对含凹坑 气孔 夹渣等体积型缺陷的压力容器安全性进行了重点研究 八五 攻关期间 劳动部锅检中心 合肥通用所 华东理工大学 北京航天大学 清华大学等单位在j积分失效评定曲线和通用失效评定曲线为基础的断裂评定方法研究方面 体积型缺陷极限载荷与安定性分析评估技术研究方面 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重大突破 制定新国标 为管检规及容检规奠定技术基础 gb t19624 04 在用含缺陷压力容器安全评定 对体积性缺陷评定采用了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采用三级技术路线 1级评定也称初级评定或筛选评定 2级评定又称常规评定 3级评定又称高级评定 采用epri工程优化方法 直接采用j积分为撕裂参量 可以实现从起裂 至有限量撕裂 直至撕裂失稳的全过程断裂分析 三级评定中评定级别越低 则越保守 但是由于 八五 攻关课题没有开展对压力容器材料损伤 高温和介质腐蚀环境影响的研究 因此大大限制了解决实际问题的能力 2019 12 19 32 安全评估与寿命预测技术进展 4 九五 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 在用压力容器抗应力腐蚀开裂技术研究 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 典型临氢装置的氢损伤评定与寿命预测技术 应变疲劳剩余寿命技术研究 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 1998 2000年 合肥通用机械研究所 锅检中心 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千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h2s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 目前安全评估与寿命预测技术进展已不单纯是缺陷安全评价的概念 和过去处理问题的性质不同 是目前在用锅炉 压力容器和压力管道在用检验的基础 承压设备检验周期和安全状况等级评定等内容已经深深地溶合在一起 管检规 容检规 2019 12 19 33 在用检验的意义 1 随着我国炼制原油含硫 含氮 酸值的增高加重了对设备的腐蚀 压力容器面临着防止应力腐蚀 腐蚀疲劳 氢损伤等破坏方式的新课题 如加氢裂化 加氢重整 加氢精制容器的氢损伤与回火脆化 催化再生器的露点腐蚀 延迟焦碳塔热疲劳开裂 湿h2s对低合金高强钢设备的应力腐蚀 冷换设备的cl 腐蚀 尿素设备的晶间腐蚀 化纤设备的醋酸腐蚀等等 2 石化企业存在着相当数量的业已达到设计寿命 30年 的超期服役压力容器 超期服役的 类容器中 安全状况为3级 4级的容器占50 以上 其安全性与延寿是目前石化企业一个十分重要的课题 3 石化装置与单体设备的大型化必然导致低合金高强钢的广泛应用 但同时会引起裂纹敏感性增强 目前高强钢压力容器占石化企业全部在用压力容器的1 97 其中10 发现有各种原因造成的裂纹 因此如何提高压力容器管理和在用检验水平是石化企业目前的一个重要任务 2019 12 19 34 高温压力容器的定期检验 1 找出危险源 缺陷 损伤 针对苛刻介质和工艺环境 预测高温压力容器可能的失效模式 短期加载下的韧性断裂 长期加载下的蠕变断裂和蠕变疲劳失效 材料回火脆化以及由于不断增长的塑性变形引起的变形失效 泄漏 失稳等 分析主要缺陷种类及其破坏速率 a 体积型缺陷 死缺陷 埋藏缺陷 活缺陷如冲刷 点蚀 腐蚀等 主要考虑腐蚀与冲刷速率 b 平面型缺陷 应力腐蚀裂纹 氢致开裂 再热裂纹 疲劳裂纹 主要考虑亚临界扩展速率 c 弥散型损伤 白点 蠕变开裂 材质劣化 氢腐蚀 主要考虑材料损伤速率 根据高温压力容器特点 选用合适的无损检测 rt ut mt pt et 和理化检验方法 化学成份 金相检验 硬度 铁素体含量检验 晶间腐蚀试验 能谱试验 光谱试验 x j系数测定 裂纹断口取样等等 探讨高温压力容器无损检测结果的可靠性 一是指不漏掉危险性缺陷的几率 二是指检出结果的真实性 2 判断和综合评价 根据实际检测结果 对高温容器进行综合评价 质量控制标准 检规 断裂力学为主的缺陷评定 安全性分析 包括材料损伤的扩展速率和腐蚀性环境的影响 高温装置系统的风险评估 高温压力容器使用寿命 检验周期判断及安全定级 2019 12 19 35 检验方案 设备的基本参数 主要包括设计压力 使用压力 设计温度 使用温度 容器结构规格 材质 使用介质 容器类别 保温层 检验依据 压力容器标准体系 有关的压力容器安全法规 检验准备 检验质保体系 质保体系人员情况 质保体系有效运转 原始资料审查 设计文件图纸 材料质保书 制造质保书 安装质保书 使用工况 实际工艺参数 历次检验报告 修理改造记录和历次事故处理报告 宏观检验 2019 12 19 36 检验方案 超声测厚 高温定点测厚 无损检测 目前压力容器行业强制性使用jb4730 94标准 包括五大常规检测方法 目前正在修订 拟包括锅炉 压力容器和压力管道部分 材料检验 化学成份 金相检验 硬度 铁素体含量检验 晶间腐蚀试验 能谱试验 光谱试验 x j系数测定 裂纹断口取样等 强度校核 gb150 jb4732标准等产品标准 缺陷评定 缺陷处理 水压试验 耐压试验是利用水或其他的加压介质 采用比设计压力高的试验压力对压力容器的焊缝 接管和母材进行一次综合性评价 以验证其整体强度是否满足设计要求 对2 25cr 1mo和3cr 1mo材料制容器要特别慎重 气密性试验 安全附件检验 检验单位校验或是用户自行处理 安全状况等级和检验周期的确定 容检规 2019 12 19 37 不锈钢堆焊层表面裂纹的检验 1 对于不锈钢堆焊金属表面裂纹的检验 主要采用目视和渗透检测 首先应找出返修部位 并对返修部位和其它典型部位进行铁素体含量分析 3 10 2 对于铁素体含量较高和返修部位应作为渗透检测的重点 渗透检测最好使用核级渗透剂 首先要去掉堆焊层表面的硬垢 然后做pt 有时一般的着色检查无法发现 只有用荧光检查才比较有效 3 如果裂纹较小 则用一般的pt检查方法检不出来 除非等到下个检验周期裂纹扩展了才能发现 因此在反应器投用前仔细检查有无制造遗留缺陷 在以后历次检查应以宏观目测检查和pt检查为主 发现裂纹之后应轻轻打磨去除 不要用硬砂轮打磨 以防止产生新的裂纹 4 如有必要可利用金相检验检出渗透检测无法发现的微裂纹 对于较深的裂纹可采用超声方法确定裂纹的深度 扩展到界面的裂纹应重点予以核查 并进行安全分析 5 由于焊接返修工艺比较难控制 一般不进行返修 2019 12 19 38 不锈钢堆焊层剥离裂纹的检验 1 堆焊层检验国内已有成熟的经验 堆焊层下可能进入母材的裂纹探伤技术也在不断的改进 2mm深的裂纹可以较准确地探出 剥离裂纹的检验主要采用超声波方法 一般从筒体外壁采用单晶直探头 也可以从堆焊层一侧采用双晶直探头来检测 但需要精确定位定量时 应从堆焊层一侧采用双晶直探头来测定 2 对于剥离缺陷通常应记录缺陷面积 长 宽 和缺陷的准确位置 以便在使用时进行监控和与以后的开罐检验结果进行对比 3 检测堆焊层和基板的未结合 采用jb4730标准的t3型试块 4 检测应从基板或堆焊层一侧进行 如对检测结果有怀疑时 也可从另一侧进行补充检测 采用双晶直探头检测时应在工件表面按90 方向进行两次扫查 2019 12 19 39 热壁加氢反应器主焊缝的检验 1 对于主焊缝来说 由于筒体母材和焊缝的回火脆化 造成韧性降低 一些较小的缺陷就有可能得到较快的扩展而引起反应器失效 而热壁加氢反应器的强度主要是由筒体母材和主焊缝来保证的 因此对反应器主焊缝的检测要求相应就比较高 2 对于主焊缝的检验主要从外壁进行 通常首先应对焊缝进行100 的磁探 再对超声扫查区域进行100 直探头扫查 然后利用k1 k1 5探头进行两次重复扫查 必要时还应采用手工串列扫查 以检出垂直表面的缺陷 现场实际检测时应适当提高检测灵敏度以保证不放过较小的缺陷 3 由于锻焊结构热壁加氢反应器的壁厚比较大一般在200mm左右 一般的超声波检测试块已不能满足要求 因此需采用jb t4730标准的csk a asme jis的rb 4 试块 2019 12 19 40 堆焊层开裂和皮下裂纹的检验 1 在降低氢浓度的基础上 将检验重点放在堆焊层缺陷检验方面 以防止较小缺陷在氢脆的环境下快速扩展 2 通常利用超声检测来达到该要求 利用纵波斜探头由外壁检测堆焊层皮下裂纹 利用双斜探头由内壁进行补充检验 同时利用双晶直探头由内壁检测堆焊层内缺陷 以消除氢脆开裂和皮下裂纹的危险性 2019 12 19 41 堆焊层开裂和皮下裂纹的检验 3 从堆焊层侧进行检测 用于堆焊层缺陷检测的试块采用jb4730标准的t1型试块 基板厚度t可以适量减小 但至少应为堆焊层厚度的两倍 t1型试块如图所示 4 从基板侧进行检测 用于堆焊层缺陷检测的试块采用t2型试块 试块基板厚度t与被检基板的厚度差不得超过10 t2型试块如图所示 2019 12 19 42 硫化物应力腐蚀开裂检验 奥氏体不锈钢硫化物应力腐蚀开裂的检验一般说可采用荧光着色检测和涡流检测 对于渗透检测很难发现的一些微细裂纹 也可以利用金相检验来发现和评价 2019 12 19 43 321不锈钢焊管 相脆化检验 tp321材料的焊接直缝管 规格8 16英寸 厚度26 40mm 由于现场焊接环缝需要做900 稳定化处理 采用局部保温加热的办法 在临近环缝的管子原来的直缝焊接区上有一个500 850 的温度梯度 正好落在347焊缝材料的 相生成敏感区 相是由焊缝中的 相铁素体转化来的 从取样的试件中发现 温度在300 800 范围的焊接金属韧性下降显著 但长期处于临氢条件下 有可能在管子吸氢量较大的内壁产生 相脆化 而一旦冷却速度过快 一般大于反应器的冷却速度 在应力集中处产生氢致裂纹或腐蚀 一般说可采用荧光着色检测和涡流检测 对于渗透检测很难发现的一些微细裂纹 也可以利用金相检验来发现和评价 2019 12 19 44 加氢反应器铸造不锈钢脆化检验 1 长期服役在316 到594 的奥氏体不锈钢铸件 会引起脆化 其特征是硬度增加 在等于或低于使用温度时延伸率和韧性下降 夏比v型缺口冲击韧性值会显著降低 2 铸态的不锈钢阀门采用1cr18ni9材料 奥氏体组织 20 左右的铁素体 属于亚稳态奥氏体不锈钢 当使用中有氢扩散到钢中至晶格膨胀 带来很大的附加应力 且氢有上坡扩散规律 导致部分奥氏体向马氏体转变 使材料的磁性量增加 当马氏体相变量到某一临界值时 便产生应力腐蚀破裂 3 对已经铁磁量增加的材料 可以通过热处理的办法恢复 4 应以宏观目测检查为主 辅以局部pt检查 发现裂纹之后应轻轻打磨去除 不要用硬砂轮打磨 以防止产生新的裂纹 如有必要可利用金相检验检出渗透检测无法发现的微裂纹 发现的表面裂纹一般应打磨消除 对于较深的裂纹可采用超声方法确定裂纹的深度并进行安全性分析 2019 12 19 45 梯形槽法兰槽底园角处裂纹检验 1 早期反应器破坏事例中不少涉及主法兰梯形槽法兰裂纹 裂纹均发生在梯形槽底园角处 严重的可以深入母材 分析原因可以归纳为堆焊层 相脆化和不锈钢母材的氢脆联合作用 在槽底应力集中的地方开裂 加大槽底园角之后解决了这个问题 但是长期运行的反应器仍有开裂的危险 除反应器以外 其它设备及工艺管线大量采用这种刚性密封的梯形垫 2 不少公司采用缠绕式的平垫用于cl1500和cl2500等级的法兰取得了很好的效果 3 停工检修对密封面进行pt检查和法兰侧面用ut检查裂纹 在条件许可时用膨胀石墨缠绕垫片取代现有的梯形垫密封结构 一旦出现密封面裂纹应立即处理 轻微的裂纹可以用砂纸去除 严重的 不可修复的应在法兰槽上堆焊金属再进行加工 2019 12 19 46 热壁加氢反应器安全分析 1 不锈钢堆焊层表面裂纹的扩展模式及安全分析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347堆焊层 大部分中止在347与309堆焊层的界面上 比较浅的表面裂纹打磨消除 深的表面裂纹测定深度 对于接近穿透309堆焊层的表面裂纹应监控 对接近母材的裂纹扩展模式进行分析研究 提高反应器的最低升压温度 和采用合理的开 停工程序 2 不锈钢堆焊层剥离裂纹的安全分析 不锈钢堆焊层剥离是使用中内壁不锈钢堆焊层产生的主要缺陷 国内 外对剥离现象进行了研究 确认剥离使裂纹不会向母材扩展 而是平行于二者的表面 由于堆焊层仅仅解决设备的腐蚀而不承受材料的强度 因而不会对反应器强度构成威胁 剥离性能和扩展速率进行研究 2019 12 19 47 热壁加氢反应器安全分析 3 热壁加氢反应器回火脆化的安全分析热壁加氢反应器制造时就应减少杂质元素 降低x j系数 制造时应测定 vtr40 2 5 vtr40数值 使其 38 100 f 使用中应进行挂片 定期检验其回火脆化程度 没有挂片的可与相同或类似的产品比较 4 氢脆开裂的安全分析研究资料报导 拉伸强度为550 650mpa的材料 临氢环境中的断裂韧性kiscc 100 当2 25cr 1mo钢产生回火脆化之后 抵御氢致开裂的能力将会明显降低 在应力高度集中的部位 开 停工时容易产生氢致开裂 使用中应进行挂片 定期检验其回火脆化程度 没有挂片的可与相同或类似的产品比较 2019 12 19 48 检验实例 福建炼油化工有限公司r 4001加氢精制反应器1 主要技术参数 容器规格 2600 110 5 19716 容器类别 三类 设计压力 8 63mpa设计温度 435 操作压力 7 55mpa 操作温度 409 投用日期 1993年9月 主体材质 2 25cr 1mo 309l 347l介质 催化柴油 焦化柴油 h2 h2s 1 2 公称壁厚 封头90mm 筒体104mm 堆焊层厚度7 8mm 本次检验为首次开罐检验 2 检验内容 检验前准备工作 宏观检验 壁厚测定 磁粉检测 渗透检测 上 下封头及人孔内壁堆焊层表面进行20 的抽查 筒体内壁凸台部位100 检测 人孔法兰密封面及金属密封垫100 接管法兰密封面100 超声检测 对接焊缝100 超声检测 用直探头 k1和k1 5斜探头进行多方向扫查 凸台超声检测 用直探头确定凸台的位置 用直探头 k1 k1 5斜探头进行多方向扫查 重点是检查凸台拐角部位 堆焊层内和界面超声检测 从反应器外壁检测时应采用直探头 窄脉冲探头 如有必要应从反应器内壁采用双晶探头进行验证 堆焊层层下缺陷的超声检测 从反应器外壁检测时应采用k1斜探头和k1纵波斜探头进行检测 人孔主螺栓的超声检测 材料检验 硬度测定 堆焊层铁素体含量测定 x j系数分析测定 金相组织分析 2019 12 19 49 检验实例 大连wepec重油加氢高压分离器 1 v 01 检验 主要技术参数 该压力容器系1988年由日本引进的旧设备 1974年由日本制造 在国外已运行 包括停用 计16年 容器规格 3084 186 3 5 111 3 5 13292mm 主体材质 sa387 dn tp347l 堆焊层 设计压力 16 47mpa 设计温度 427 操作压力 13 62mpa 操作温度 380 介质 重油 h2 h2s 1 2 公称壁厚 封头90mm 筒体104mm 堆焊层厚度约为7 8mm 历次检验情况1989年吉林化学工业公司检验 1989年中石化总公司北京院重新设计 1993年大连锅检所进行安全性能检验 1994年大连在用压力容器技术鉴定委员会将安全状况等级定为3级 检验周期两年 1996年中国石化工程公司设备质量检测中心进行检验 1998年4月抚顺石化设备所进行检验 无损探伤检测结果 除下封头与筒体连接焊缝被裙座遮挡无法检测外 容器对接焊缝外表面和内部均未发现有超标缺陷和按标准规定需要记录的缺陷 也未发现堆焊层层下裂纹和剥离超标缺陷 壳体实测壁厚均大于图纸名义厚度 内壁堆焊层厚度3 8 6 8mm 总体质量较好 能有效地保护基材不受高温h2s的腐蚀和减弱高温氢向2 25cr 1mo钢的渗透 在上封头与筒体连接部位存在局部均匀腐蚀 点蚀孔和7处表面裂纹等严重缺陷 深度不超过3mm 对基材的承载强度尚未构成损伤 2019 12 19 50 检验实例 容器主体基材为2 25cr 1mo钢 板材和锻件的化学成份分别符合asme的sa387dn和sa336f22标准要求 基材对接焊缝化学成份与母材基本一致 母材 板和锻件 的硬度 符合标准要求 焊缝金属及其热影响区的硬度 在200 249hb 多数测试点偏高 这对抗回火脆化性能不利 母材和焊缝的显微组织 均为回火脆化敏感性较低的贝氏体组织 按化学成份和微量元素含量判定回火脆化敏感性系数j x符合要求 但与九十年代的设计要求相比 有较大差距 见表 在经历近20年运行以后 无论母材或焊缝金属的回火脆化量 目前尚无法定量检测 因此在今后使用过程中 应对焊缝金属及基材材质的回火脆性问题予以重视 内壁堆焊层为sus43 tp347 不锈钢 化学成份符合标准要求 堆焊层的 铁素体含量 绝大多数在2 4 96年发现内壁堆焊层裂纹以来 已有近三年时间 此次检验未发现有明显的变化 据以上分析 该1 v 01热高压分离器可以继续使用 允许操作参数为 操作压力 13 62mpa 操作温度 380 工作介质 生成油 h2 h2s安全状况等级为3级 下次检验日期 2002年9月 2019 12 19 51 检验实例 大连wepec催化重整反应器 r204 检验 主要技术参数 该压力容器系1988年由日本引进的旧设备 1974年由日本制造 在国外已运行 包括停用 计16年 容器规格 s 3232 30 2mm 容器类别 三类 主体材质 sa204a 设计压力 2 2mpa 设计壁温 350 操作压力 2 0mpa 介质温度 530 隔热层 150mm 介质 油汽 h2 检验结论球壳0 5mo钢 包括对接焊缝和接管母材 sa387c 的材质 出现局部劣化 钢显微组织珠光体内碳化物球化并有碳化物在晶界聚集 有的部位珠光体形态基本已消失 有的部位渗碳体分解出现了石墨化倾向 在r 204球壳上 查出球壳对接焊缝c4和b1的焊缝区 发现渗碳体分解有石墨化倾向的材质劣化现象 由于缺乏材料劣化后性能数据 因此在焊缝中查出的超标缺陷已失去进一步断裂力学分析评定的材质基础 此外 据美国石油学会提供的经验 这四台反应器的操作温度和压力正处于nelson曲线的事故多发区范围 因此高温氢腐蚀对0 5mo钢的内部损伤必须引起重视 在对球壳板的抽查中 超声波检测发现了钢板内部的许多缺陷反射波 是钢板内的冶金缺陷还是伴有氢腐蚀损伤的冶金缺陷 目前从技术上还难以分辨 根据以上从容器外部检验后的初步评定结论 安全状况等级暂定为4级 待2001年对内壁检验结果出来后 再正式评定安全状况等级 2019 12 19 52 检验实例 齐鲁石化公司r 1360热壁加氢反应器的检验 主要技术参数规格 4000 251 7 5 28300 容器类别 三类 主体材质 封头锻件3cr 1mo 1 4v ti b 309l 347l sa336 f3vw 137 7 5 筒体钢板3cr 1mo 1 4v ti b 309l 347l sa542c cl 4aw 251 7 5 设计压力 18 94mpa 设计温度 454 操作压力 18 0mpa 操作温度 445 投用日期 1993年9月 介质 催化柴油 焦化柴油 h2 h2s 1 2 保温层 微孔硅酸钙 厚度为180mm 本次检验为首次开罐检验 变化情况 使用温度高出50 增加v元素焊接性能降低 筒体钢板 sa542c cl 4aw 和封头锻件 sa336 f3vw 的化学成分不一致 p s含量 2019 12 19 53 检验实例 中石化金陵分公司联合柴油加氢反应器 r101 于99年9月出厂 2000年7月28日投入使用 主要技术参数 容器类别 三类 设计压力 6 4mpa 最高工作压力 6 0mpa 设计温度 435 最高工作温度 420 耐压试验压力 8 3mpa 卧 工作介质 柴油 h2s h2等 材质 sa387mgr11cl2 ub309l ub347l堆焊 规格 3600 104 70 6 5 27448 制造单位 南京大化机 2004年6月进行首次内外部检验 在反应器外壁h6环缝mt发现裂纹15处 单个裂纹长度2 570mm 处在焊缝上下熔合线区域 打磨最深2 5mm 并圆滑过渡 h6环焊缝与其它环焊缝相比较热影响区 haz 较宽 粗晶区晶粒度大1 2级 裂纹产生于热影响区的粗晶区和细晶区交接处 走向大体平行焊道 微观曲折 断续交替 边缘光滑 穿 沿晶并存 h6环缝为合拢缝 是采用远红外板局部加热进行中间消应力热处理的 此外在h4环缝ut发现内部埋藏超标缺陷1处 处理情况 主体材料和焊接材料符合要求 裂纹是制造工艺控制不严等因素产生的 安全状况等级定为3级 下次全面检验周期定3年 运行一年后进行高温在线磁粉检测 2019 12 19 54 检验实例 换热器是石化行业使用十分广泛的热量交换设备 一般地说重量在石化装置中约占设备总重量的30 管壳式换热器在换热设备中约占70 其余30 主要为各类高效紧凑式换热器 新型热管热泵和蓄热器 福建炼化加氢装置e 4003 1反应物与混氢原料油换热器主要技术参数 容器规格 1000 56 8197 设计压力 管程9 3mpa 壳程10 3mpa 设计温度 管程430 壳程400 操作压力 管程7 26mpa 壳程8 44mpa 操作温度 管程252 壳程190 公称壁厚 封头60mm 筒体56mm 材质 管程2 25cr 1mo 00cr25ni13 00cr20ni10nb 壳程 sa387gr22cl2 设计单位 北京设计院 制造单位 金重 93年9月投用 介质 壳程 混氢原料油 管程 反应物 检验 磁粉检测发现马鞍式支座垫板因制造时没有留出气孔 板与母材有大片撕裂 经打磨深3 8mm 渗透检测发现管箱内壁不锈钢隔板有网状裂纹 x j系数分析测定数值合格 对检查出的裂纹部位进行金相组织分析 根据检验结果 对换热器进行综合分析 评定 确定该设备安全状况等级为3级 下次检验周期为3年 2019 12 19 55 检验实例 福建炼化公司加氢重整装置进料 产物立式换热器 主要技术参数 进口温度540 485 出口温度200 左右 材质sa387gr22cl2 最高压力为1 57 2 06mpa 壁厚为16mm 介质为油气 h2 汽油 91年抚顺机械厂制造 93年投用 2004年在使用中发现泄漏现象 2005年2月开罐渗透检测发现换热器下管板有十几处管束部位的母材开裂 下管板厚度为63mm 材质为15crmo 根据操作工艺该处温度200 左右 经壳体处加水测试 有好几处管子与管子相联部位母材已裂穿 无法再使用 定购新设备需用11个月 现场处理 下管板有多根管穿入 15crmo材