论文加氢主反应器风险评估报告.doc

第III类压力容器加氢主反应器风险评估报告王建初 施水华 摘 要：按照固定式压力容器安全技术监察规程（TSGR00042009）第3.6条和GB150固定式压力容器征求意见稿附录G要求，对加氢主反应器可能发生的危害、损伤机理及主要特征进行分析，并提出预防损伤的措施。关键词：加氢主反应器；风险评估；损伤机理；预防措施1基本设计参数1.1 介质：轻苯，H2（氢分压1.92.0MPa），H2S1.2 介质特性：中度危害，易爆1.3 工作压力（MPa）：生产工况：2.7 / 3.0（初期/末期）；再生工况：0.21.4 工作温度（）：生产工况：入口280 / 341（初期/末期），出口310 / 370（初期/末期）；再生工况：4801.5 设计压力（MPa）：生产工况：4.0；再生工况：0.381.6 设计温度（）：生产工况：400；再生工况：4901.7 主要受压元件材料：15CrMoR+0Cr18Ni10Ti1.8 容器类别：III类1.9 品种及结构型式：反应，塔器（填料塔），立式1.10 结构尺寸：170011800（T.L）（32+3）1.11 容积（m3）：281.12 图号：XXXXXXXX2. 操作工况条件的描述由加氢预反应器出来的预反应产物与主反应产物换热，再进入主反应器进料加热炉升温至主反应温度280341后，进入加氢主反应器顶部进料口，物料气体通过CoMo催化剂床层进行加氢处理。在此，硫醇、噻吩、氧化物及氮化物被加氢转化成烃类、硫化氢、水及氨气。由于是放热反应，加氢主反应器出口温度为310370，进出口温差约2030。在物料操作过程中，反应产生的聚合物和结焦物聚集在催化剂的表面。随着反应的持续，聚集物的增加，催化剂活性会逐渐降低，从而影响加氢主反应器的工作效率。提高催化剂活性主要由适当提高主反应器入口温度及氢分压来实现。当催化剂活性降低到一定程度，加氢主反应器出口温度达到约370，或者压降超过允许值时，催化剂必须再生。再生操作时，先将干燥的氮气加热到230送入加氢主反应器，再切换成230饱和蒸汽，并将其加热到375的过热蒸汽。此时，送入空气助燃，以去除催化剂床层上的聚集物。再生操作温度应控制在480。如果再生前催化剂床层压差过大，再生后应将催化剂从卸料口卸出，筛除粉末、杂质并添加新催化剂再重新加入主反应器。经过再生处理，催化剂活性可以恢复。再生后的催化剂必须同新催化剂一样进行硫化处理。3. 设计工况条件下可能发生的危害：腐蚀、开裂、变形、泄漏。4. 损伤模式和预防措施4.1 母材及焊缝金属的高温氢腐蚀4.1.1损伤机理及主要特征在高温、高压氢环境下操作，可能导致：一是表面脱碳。表面脱碳不产生裂纹，一般影响较轻。二是内部脱碳和开裂。它是由于氢侵入扩散到钢中与固溶碳或不稳定的碳化物发生化学反应，生成甲烷，而甲烷不能逸出钢外，就聚集在晶界空隙和/或夹杂物附近，形成很高的局部应力，导致钢材产生龟裂、裂纹或鼓泡，并使强度、延性和韧性显著下降，变脆。此脆性具有不可逆性质，也称永久脆化现象。高温、高压氢引起钢的损伤一般要经过一段时间才能发现，在此段时间内，材料的力学性能没有明显的变化；而经过这段时间以后，钢材强度、延性和韧性就会遭到严重的损伤。此段时间称为潜伏期。潜伏期的长短取决于包括钢种、冷作程度、杂质元素含量、作用应力，氢压和温度等许多因素。4.1.2 影响损伤的关键因素：选材、制造、生产操作。4.1.3 预防损伤的措施4.1.3.1 依据新版的纳尔逊曲线正确选择能抵抗高温氢腐蚀的材料。4.1.3.2 尽量减少钢材中对高温氢腐蚀产生不利影响的杂质元素（如Sn、Sb）含量。4.1.3.3 制造中或在役中的返修补焊后必须进行焊后热处理。4.1.3.4 操作中严防设备超温，并控制外加应力。4.2 氢脆，易发部位：内件支持圈连接部位；法兰金属环垫片密封槽；不锈钢堆焊层。4.2.1 损伤机理及主要特征氢脆是氢残留在钢中所引起的脆化现象。产生了氢脆的钢材，其延伸率和断面收缩率显著下降，这是由于侵入钢种的原子氢，使结晶的原子结合力变弱，或者作为分子状在晶界或夹杂物周边上析出的结果。但是，对于已产生氢脆的材料，当给予特定的条件，氢仍然可以从钢中释放出来，使钢的性能得到恢复。奥氏体不锈钢焊缝或堆焊金属产生氢脆损伤的同时还伴有相脆化。4.2.2 影响损伤的关键因素：4.2.2.1 焊材选择不当，焊接工艺欠妥。4.2.2.1使用中的停工过程，如冷却速度太快，使吸藏在钢材中的氢来不及散逸出来，就会造成过饱和氢残留其中，使氢诱起裂纹临界应力强度因子K1H降低，从而，在温度低于150时可能引起亚临界裂纹扩展，对设备的安全使用带来威胁。 4.2.3 预防损伤的措施4.2.3.1 制造时，应尽量保持TP347堆焊金属或焊接金属有较高的延性。为此，一要控制TP347中-铁素体含量在38%；二是对易于发生氢脆的部位，尽量减少TP347堆焊金属。4.2.3.2装置停工时冷却速度不应太快，而且，停工过程中宜有一段能使钢中吸藏的氢尽可能释放出去的工艺过程，以减少金属中的残留氢含量。4.2.3.3 尽量避免非计划的紧急停车。4.2.3.4 减少应变幅度。这对保证使用寿命很有帮助。4.3 奥氏体不锈钢构件焊缝处和不锈钢堆焊层的连多硫酸应力腐蚀开裂4.3.1 损伤机理及主要特征应力腐蚀开裂是特定（敏感）金属在拉应力和特定腐蚀介质共同作用下所发生的脆性开裂现象。奥氏体不锈钢对于硫化物应力腐蚀开裂比较敏感。连多硫酸（H2SXO6, x=3）引起的应力腐蚀开裂也属于硫化物应力腐蚀开裂，一般为晶间裂纹。这种开裂与在高温条件下由于碳化铬析出在晶界上，使晶界附近的铬浓度减少形成贫铬区有关。所出现的连多硫酸是由于设备在含有高温硫化氢的气氛下操作时生成了硫化铁，在装置停工的冷却过程和打开设备暴露于大气中时，与出现的水分和进入设备内空气中的氧发生反应所生成。4.3.2 影响损伤的关键因素：选材，制造，使用。4.3.3 预防损伤的措施4.3.3.1 选用含有稳定化元素的不锈钢，如0Cr18Ni10Ti。4.3.3.2 尽量消除或减少由于冷加工和焊接引起的残余应力，减少应力集中。4.3.3.3设备使用过程应采取措施抑制连多硫酸的生成，比如，采用干燥的氮气对系统进行吹扫或在停工时向系统提供一定热量，以除去空气和防止水汽析出；采用碱洗措施，以中和可能生成的连多硫酸（碱洗后不能再用水冲洗）。4.4 不锈钢堆焊层与基层界面处的氢致剥离裂纹4.4.1损伤机理及主要特征操作于高温高压氢介质环境下的加氢主反应器，氢会侵入到器壁中。在停工过程氢又可能从器壁中逸出。由于相同温度下氢在基材和堆焊层中的溶解度和扩散系数不相同（基材溶解度小，扩散系数大；而堆焊层溶解度大，扩散系数小），而且溶解度和扩散系数又都是温度的函数，因此，当加氢主反应器由正常运转转入停工时，将会造成基材与堆焊层中的固溶氢过饱和度存在明显的差异，使在焊接过渡区附近所吸收的氢将从基材侧向堆焊层侧扩散移动，导致在焊接过渡区界面上的堆焊层侧聚集大量的氢。同时，因两种材质的热膨胀系数不同，使界面上存在较大的残余应力。这样，就可能在界面上发生剥离。它属于氢致延迟开裂的一种形式。4.4.2影响损伤的关键因素：影响堆焊层氢致剥离开裂的主要因素有基材和堆焊层的化学成分及其特性，焊接方法、焊接条件、焊后热处理等制造工艺，以及操作温度、冷却速度、反复加热、冷却循环次数等环境条件。4.4.3预防损伤的措施：凡是能够降低界面上的氢浓度、减轻残余应力、使熔合线附近的堆焊金属具有较低氢脆敏感性的措施，对于防止堆焊层的剥离都是有效的。比如：a) 堆焊时设法避免生成粗大晶粒，宜采用大电流高速堆焊；b) 选择合适的焊后热处理工艺，使在熔合线附近和奥氏体晶界上少析出碳化铬；c) 在正常停工时宜采取使氢尽可能释放出去的措施，以减少残留氢量；d) 严格遵守操作规程，尽量避免非计划的紧急停车。4.5 超温引起法兰变形、泄漏及设备烧损4.5.1 损伤机理及主要特征生产工况下，如因操作不当超温，可能造成法兰密封处变形，使有毒易爆气体泄漏，从而导致在场人员身体伤害，甚至引起火灾。再生工况下，如果助燃空气加入过量，会导致加氢主反应器内剧烈燃烧，产生很高的温度，从而烧损设备及反应器内的催化剂和瓷球。再生温度高于550，催化剂活性明显降低；高于800，催化剂活性将完全丧失。4.5.2 影响损伤的关键因素：工艺，操作，管理，安全装置4.5.3 预防损伤的措施4.5.3.1制定合理、完善的工艺流程和操作规程，配备必要的安全装置和应急装备，做好各级人员上岗前的培训、考核和安全教育，严格生产操作中的管理，定期检查、检验相关系统的安全装置和应急装备。4.5.3.2生产工况：设置出口超温指示、控制、反馈及连锁装置，一旦超过最高允许工作温度，立即关闭加氢进料泵、加热炉、循环氢压缩机，停止进料并紧急排放。4.5.3.3再生工况：严格控制空气（氧气）进气量及进气速度，严格控制过热蒸汽进汽量及进汽速度；操作中，通过加氢主反应器内热电阻严密监视催化剂各床层温度，监视反应器内压力；一旦超过