洛阳院加氢反应器技术.ppt

加氢反应器技术,黎国磊2009年2月,一.加氢反应器概述,*加氢反应器是各种加氢工艺过程或加氢装置的核心关键设备。其操作条件相当苛刻。技术难度大，制造技术要求高，造价昂贵。所以人们对它备无论在设计上还是使用上都给予极大的重视。反应器的设计和制造成功，在某种意义上说是体现一个国家总体技术水平的重要标志之一。,一.加氢反应器概述（续）,*所谓加氢过程是催化加氢过程的总称，其种类品牌繁多，API曾将其划分为三大类：加氢处理加氢精制加氢裂化,一.加氢反应器概述（续）,*加氢反应器的分类按工艺过程特点分类有：固定床反应器移动床反应器流化床反应器按反应器使用状态分类有：冷壁结构反应器热壁结构反应器,加氢反应器的分类(续),按反应器本体结构特征分类有：单层结构钢板卷焊结构锻焊结构多层结构，一般有：绕带式热套式等,一.加氢反应器概述（续）,*对于这样重要、使用条件又很苛刻的设备设计，应该至少要满足以下几点要求：满足工艺过程各种运作方案的需要。使用可靠性高。具体应体现在：满足力学强度要求具有可靠的密封性能有较好的环境强度适应性便于维护和检修，所需时间短。尽可能降低投资费用。,二.反应器技术发展梗概,*随着加氢工艺技术的广泛应用，加氢工艺设备特别是加氢反应器技术相应得到很快的发展，并取得显著的进步。主要表现:(1)加氢反应器使用安全性不断提高:(2)为了获得较佳的经济效益，装置日趋大型化，同时也带来了反应设备的大型化。具体表现如下：,二.反应器技术发展梗概（续）,(一)加氢反应器使用安全性不断提高*这是加氢反应器技术发展过程中始终围绕的核心问题。使用安全性不断提高的主要表现：设计方法的更新由“常规设计”即“规则设计”以“应力分析为基础的设计”，即“分析设计”设计结构的改进本体结构：单层多层更高级的单层使用状态：冷壁结构热壁结构细部结构的改进（见后）,(一)加氢反应器使用安全性不断提高（续）,材料生产技术的发展，质量明显提高体现在冶炼技术、锻造技术、热处理技术、分析技术等等方面。最终体现在材料的内质特性(纯洁性、致密性、均质性)非常优越。制造技术与装备水平的进步与提高如制造技巧与经验以及包括焊接、堆焊、热处理、无损检测等领域的技术与装备水平都有很大进步与提高。例如：,(一)加氢反应器使用安全性不断提高（续）,单层堆焊技术双丝焊接技术多头堆焊技术有堆焊层的反应器上下部90度弯管整体成形技术无损检测上采用的“TOFD”（TimeofFlightDiffraction）技术超声波衍射时差法大型（如150、160MN）自由锻造水压机，可锻造最大毛坯外径达6500mm以上等等装备的建成投用,二.反应器技术发展梗概（续）,(二)设备向大型化发展为了获取较佳的经济效益，装置日趋大型化,如：美国建造了325万t/a加氢裂化装置和480t/a加氢脱硫装置；我国建造了360t/a加氢裂化装置和300t/a加氢脱硫装置。设备的大型化带来了反应设备的大型化。,(二)设备向大型化发展（续）,*（国外大型化进展例）,(二)设备向大型化发展（续）,*（国内大型化进展例）,(二)设备向大型化发展（续）,*为适应设备大型化的需要，高压加氢设备的现场组焊制造技术应运而生。国外：很早就开发了此项技术；国内：从1996年开始实施。特别是2002年在条件很艰苦的内蒙古现场组焊制造了当今世界上最重的2100吨反应器。积累了很宝贵的在现场组焊制造大型反应器的经验。,(二)设备向大型化发展（续）,二.反应器技术发展梗概（续）,*热壁加氢反应器技术的演变热壁加氢反应器技术的演变可划分为四个历史时期。如：热壁加氢反应器技术的进展历程热壁加氢反应器技术的进展历程,热壁加氢反应器技术演变内容概况,热壁加氢反应器技术演变内容概况（续）,热壁加氢反应器技术演变内容概况（续）,热壁加氢反应器技术演变内容概况（续）,第三个历史时期综合应用改进的研究成果,通过冶炼工艺的改进和管理，严格控制钢中有害的杂质元素和气体含量，提高了钢材的纯净度（如J-系数在100以下；有害气体含量大为降低等）。改善和提高焊材的质量和纯净度，使焊缝的性能与质量较好。焊缝金属的X系数一般都在11ppm以下。尽量省略堆焊层Tp.347的PWHT，以提高其韧性。堆焊工艺有了改进，堆焊层抗剥离性能有较大提高。,第三个历史时期综合应用改进的研究成果（续）,*反应器细部结构改进改进之一：支持圈结构的改进,第三个历史时期综合应用改进的研究成果（续）,*反应器细部结构改进之二：法兰密封槽的改进,第三个历史时期综合应用改进的研究成果（续）,*反应器细部结构改进之三：裙座结构的改进,第三个历史时期综合应用改进的研究成果（续）,*反应器细部结构改进之三：裙座结构的改进（续）,第三个历史时期综合应用改进的研究成果（续）,*反应器细部结构改进之四：增设热箱,第三个历史时期综合应用改进的研究成果（续）,*反应器细部结构改进之五：保温结构的改进,热壁加氢反应器技术演变内容概况（续）,三.反应器本体结构特征,*根据不同年代的技术水平与需求，曾使用了不同形式的本体结构，如：单层结构钢板卷焊结构锻焊结构多层结构绕带式热套式等等*结构形式选取取决于设备操作条件与规格、制造厂加工装备与能力、制造周期、经济合理性和用户需要与经验等。,三.反应器本体结构特征（续）,*单层结构中的钢板卷焊结构和锻焊结构的选择，主要取决于制造厂的加工能力、经验和条件以及经济上的合理性和用户的需要。在选用锻焊结构时，一般有如下优点：锻件的内质特性(纯净性、致密性、均质性)好；焊缝少，特别是没有纵焊缝，从而提高了反应器耐周向应力的可靠性；制造装配易保证；可设计和制造成对于防止某些脆性损伤很有好处的结构；使用过程中对焊缝检查维护的工作量少，无损检测容易。锻造结构材料利用率低，当壁厚较薄时，其制造费用相对较高。一般，厚度大于180mm或更大时采用较合适，厚度越厚，锻造结构的经济性更显优越。,三.反应器本体结构特征（续）,三.反应器本体结构特征（续）,三.反应器本体结构特征（续）,三.反应器本体结构特征（续）,四.反应器内件型式及作用,*反应器内件设计性能的优劣将与催化剂性能一道体现出所采用加氢工艺的先进性。*对于固定床气液并流下流式反应器的内件,通常都设有入口扩散器、气液分配器、积垢篮、冷氢箱、热电偶和出口收集器等。*主要内件的作用、典型结构及注意要点如下：,四.反应器内件型式及作用（续）,四.反应器内件型式及作用（续）,四.反应器内件型式及作用（续）,四.反应器内件型式及作用（续）,四.反应器内件型式及作用（续）,四.反应器内件型式及作用（续）,四.反应器内件型式及作用（续）,四.反应器内件型式及作用（续）,(注)：近多年来采用在顶部装填大孔隙惰性多孔球或脱金属催化剂措施而替代积垢篮。,四.反应器内件型式及作用（续）,四.反应器内件型式及作用（续）,四.反应器内件型式及作用（续）,四.反应器内件型式及作用（续）,四.反应器内件型式及作用（续）,四.反应器内件型式及作用（续）,四.反应器内件型式及作用（续）,四.反应器内件型式及作用（续）,四.反应器内件型式及作用（续）,*内件设计中的主要考虑：从工艺角度说：最关键的一点是要使反应进料(气液相)与催化剂颗粒(固相)三相间有效地接触，在催化剂床层内不发生流体偏流现象。从设备设计角度说：在保证内件能具有高效和稳定操作的前提下，应将内件结构设计得更加紧凑，尽量缩小空间所占高度，以最大限度地利用反应器容积。,五.反应器主要损伤型式与材料选择,*加氢装置由于操作条件的特殊性，所以反应器有可能发生一些特殊的损伤现象。为防止这些破坏性的损伤发生，不仅要有正确的设计与选材，而且与正确的制造工艺和正确的操作维护关系极大。*下面介绍热壁加氢反应器可能发生的主要损伤型式及其对策。高温氢腐蚀氢脆高温硫化氢氢腐蚀铬-钼钢的回火脆性损伤连多硫酸应力腐蚀开裂奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离,五.反应器主要损伤型式与材料选（续）,（一）高温氢腐蚀(HAHydrogenAttack)1.高温氢腐蚀形式*表面脱碳*内部脱碳与开裂*表面脱碳：表面脱炭不产生裂纹，表面脱碳的影响一般很轻，只是钢材的强度和硬度局部有所下降而延性提高。,（一）高温氢腐蚀（续）,*内部脱碳：Fe3C+2H2CH4+3Fe使钢材产生龟裂、裂纹或鼓泡，导致钢材强度、延性和韧性显著下降。具有不可逆的性质，也称永久脆化现象。进展过程：甲烷气泡形核成长气泡串通产生晶间微裂纹连通形成断裂通道。高温氢腐蚀要经过一段时间。即，有一个“孕育期”（或称潜伏期）。,（一）高温氢腐蚀（续）,“孕育期”的特征：在此阶段，甲烷气泡形成，成长慢，未串通，钢材力学性能不发生明显改变。“孕育期”概念的应用：在工程上可利用“孕育期”的概念来确定设备和管道所选用钢材能安全使用的大致时间。影响“孕育期”的因素：包括钢种、氢压、温度、冷作程度、杂质元素含量和作用应力等因素。,（一）高温氢腐蚀（续）,2.影响高温氢腐蚀的主要因素（1）温度、压力和暴露时间的影响温度和压力对氢腐蚀的影响很大。温度越高或者压力越大,发生高温氢腐蚀的起始时间就越早。（2）合金元素和杂质元素的影响从高温氢腐蚀机理可知，凡是添加能形成稳定碳化物的元素（如铬、钼、钒、钛、钨等），就可提高钢材抗高温氢腐蚀的能力。,（一）高温氢腐蚀（续）,(a)下图是不同合金元素对抗氢腐蚀的效应,（一）高温氢腐蚀（续）,(a)下图是不同合金元素对抗氢腐蚀的效应,（一）高温氢腐蚀（续）,(b)关于杂质元素的影响在针对21/4Cr-1Mo钢的研究中已发现，锡、锑会增加甲烷气泡的密度，且锡还会使气泡直径增大，从而对钢材的抗氢腐蚀性能产生不利影响.（3）热处理的影响(a)不同显微组织的影响(b)淬火后不同回火温度的影响(c)PWHT的影响,（一）高温氢腐蚀（续）,(a)不同显微组织的影响淬火回火：回火贝氏体正火回火：铁素体回火贝氏体Q+T和N+T材经氢腐蚀后的力学性能变化（材料：1.5Cr-0.5Mo,PH2:24.5MPa,加热温度:550）,（一）高温氢腐蚀（续）,(b)淬火后不同回火温度的影响淬火后回火温度对氢腐蚀的影响（材料：21/4Cr-1Mo）,（一）高温氢腐蚀（续）,(c)PWHT的影响：铬-钼钢设备，是否施行焊后热处理其高抗氢腐蚀效果大不一样。曾有试验证明，21/4Cr-1Mo钢焊缝若不进行焊后热处理，则发生氢腐蚀的温度将比纳尔逊（Nelson）曲线表示的温度低100以上。（4）应力的影响应力存在会产生不利影响。特别是二次应力的存在会加速高温氢腐蚀。,（一）高温氢腐蚀（续）,3.高温高压氢环境的材料选用及注意要点(1)选材依据：*通常都按原称为的“纳尔逊(Nelson)曲线来选择。*“纳尔逊曲线”最早由G.A.Nelson于1949年提出。*1970年首次由API作为API出版物941(第1版)发行。*“纳尔逊曲线”曾经多次修订，从1997年起改为APIRP(推荐准则)941（第5版）。*API941一直是最有用的抗高温氢腐蚀选材的一个指导性文件。,（一）高温氢腐蚀（续）,临氢作业用钢防止脱碳和微裂的操作极限（第6版）,（一）高温氢腐蚀（续）,(2)注意要点：*本图线只涉及到材料抗高温氢腐蚀，不考虑在高温时其它重要因素引起的损伤。*使用时务必选用最新版的曲线，以保证使用的可靠性（现最新版为第6版2006年）*在实际应用中，焊接接头处的氢腐蚀行为更不可忽视。*在依据此图线进行选材时，应尽量减少不利影响的杂质元素含量，控制非金属夹杂物的含量和降低作用应力水平以及充分回火和施行焊后热处理等。*选材时要留有适当裕量。,五.反应器主要损伤型式与材料选（续）,（二）氢脆(HEHydrogenEmbrittlement)1.氢脆现象特征*是氢残留在钢中所引起的脆化现象。*产生氢脆的钢材，其延伸率和断面收缩率显著下降。*当给予特定条件时氢又可从钢中释放出来，使钢的性能得到恢复。所以氢脆是可逆的，也称作一次脆化现象。*氢脆发生的温度从室温约150的范围。随温度升高，氢脆效应下降，当温度超过7182时不太容易发生。所以,实际装置中氢脆损伤往往发生在装置开、停工过程的低温阶段。,（二）氢脆(续),2.影响氢脆的有关因素：*氢脆敏感性随钢材强度提高而增加。*显微组织对氢脆有影响，如未回火的材料和珠光体组织对氢脆更敏感。*钢材的氢脆化程度与钢中的氢含量密切相关。*钢材的强度越高，只要吸收少量的氢，就可引起严重的氢脆现象。*在发生氢脆温度下，存在着亚临界裂纹不扩展的氢浓度，称为安全氢浓度。（它与钢材的强度水平、裂纹尖端的拉应力大小以及裂纹的几何尺寸有关）。,（二）氢脆(续),K1H与抗拉强度和氢含量的关系,（二）氢脆(续),3.加氢设备的氢脆损伤*操作在高温高压氢环境中的反应器，器壁中吸收一定量的氢。*停工过程冷却速度太快，氢来不及扩散出去，造成过饱和氢残留器壁内，可能引起亚临界裂纹扩展，对设备安全使用带来威胁。*已有氢脆的材料，一旦再产生回火脆化，则影响更大。,（二）氢脆(续),氢脆与回火脆化叠加的影响,（二）氢脆(续),*加氢反应器中发生氢脆的现状(a)近期已很少看到反应器母材发生氢脆损伤的报道。原因:冶炼技术进步；钢材质量明显提高（S、P含量与有害气体含量低，非金属夹杂物少）。(b)但，反应器内部的奥氏体不锈钢焊接金属时有发生氢脆开裂的现象，并伴有相脆化。,（二）氢脆(续),奥氏体不锈钢氢脆裂纹特征*裂纹沿着奥氏体晶界上的铁素体/相网状组织传播。*普遍发生在TP.347焊缝金属上，通常扩展到TP.347和TP.309的界面处就停止。但是，也有裂纹穿透TP.309堆焊层而进入到母材的实例。裂纹发生的主要部位反应器催化剂格栅支持圈拐角焊缝上以及法兰梯型槽密封面的槽底拐角处等。,（二）氢脆(续),（二）氢脆(续),4.防止氢脆损伤的措施(1)对常规21/4Cr-1Mo钢的防护措施*抗拉强度Rm690MPa*屈服强度Rel620MPa*硬度220HB(2)对奥氏体不锈钢焊接金属的防护措施*从结构设计上应尽量减少应变幅度（如构件与母材作成一体结构，降低热应力，避免应力集中等）；,（二）氢脆(续),*从制造上应尽量保持TP.347堆焊或焊接金属有较高的延性。其办法：(a)要控制TP.347中-铁素体含量(目标值FN9,但不应0.5%时，回火脆性现象就可发生。Cu的有害影响，只限于贝氏体组织和杂质元素含量较多的情况（见右图）。,（五）铬-钼钢的回火脆性损伤（续）,纯Ni钢没有回火脆性敏感性，但有P、Sn等元素存在时，回火脆性敏感性就增加。C，降低其含量，可使回火脆性减少，但不会消除。*由于化学成分对回火脆性影响很大，在工程应用上为方便起见，经试验研究归纳出相关的经验式,用以描述回火脆性的大小。主要有：,5.铬-钼钢的回火脆性损伤（续）,Cu的影响,（五）铬-钼钢的回火脆性损伤（续）,J-系数用于2Cr-1Mo等钢母材；(X)系数，也称Bruscato系数用于2Cr-1Mo等钢焊缝金属。J-系数=(Si+Mn)(P+Sn)104(%)(X)系数=(10P+5Sb+4Sn+As)10-2ppm另外，研究还表明，对于2Cr-1Mo等钢再控制(P+Sn)的含量是有效的。,（五）铬-钼钢的回火脆性损伤（续）,(b)热处理工艺的影响*主要是奥氏体化温度及其奥氏体化后的冷却速度对回火脆性敏感性影响很大。提高奥氏体化温度，容易产生回火脆化。,（五）铬-钼钢的回火脆性损伤（续）,从奥氏体化温度的冷却速度加快，回火脆化量就增加。,（五）铬-钼钢的回火脆性损伤（续）,*由上可知，热处理工艺对回火脆性的影响往往与所要求的力学性能是相互矛盾的，如：降低奥氏体化温度，可使回火脆性减少，但，钢材强度，特别是屈服强度却明显下降。降低从奥氏体化的冷却速度，回火脆性敏感性可降低，但，钢材强度、韧性都下降。为此，必须探索一个综合性能优越的热处理工艺。,（五）铬-钼钢的回火脆性损伤（续）,3.回火脆化度的评价*等温时效（Isothermalaging）处理，也即等温脆化处理。*阶梯冷却或步冷法（StepCooling）处理，是一种加速模拟处理方法。在工程上被广泛地采用。所谓阶梯冷却法就是将试验材料的试样置于回火脆化温度范围内阶梯式地进行加热、保温与冷却(一般多是采用5个阶梯)，使它发生回火脆化的方法。,（五）铬-钼钢的回火脆性损伤（续）,阶冷处理工艺,（五）铬-钼钢的回火脆性损伤（续）,*脆化度的定量表示采用2毫米V型缺口夏比冲击试验获得的韧-脆性转变温度的变化量来评价。一般以vTrs的变化量vTrs或是以54J(相当于40英尺-磅)夏比冲击吸收功的转变温度vTr54的变化量vTr54来考核。vTrs或vTr54越大，说明回火脆化度就越大。通常按下式评定钢材(或焊缝)的回火脆化倾向：vTr54+vTr54,（五）铬-钼钢的回火脆性损伤（续）,式中：vTr54：脆化处理前V型缺口夏比冲击功为54焦耳所对应的温度，；vTr54：按阶梯冷却工艺进行脆化处理后与处理前的V型缺口夏比冲击功为54焦耳所对应温度的增量，；：系数，原来为1.5，由于要求越来越严，逐步增大到2.5或3.0；：规定满足的温度值，最早为38，现已变为10或0等。,（五）铬-钼钢的回火脆性损伤（续）,4.防止2Cr-1Mo钢设备发生回火脆性破坏的若干措施*加氢裂化反应器所选用的铬-钼钢，以2Cr-1Mo钢为多，而它又是几种铬-钼钢中回火脆性敏感性较大的钢种。,（五）铬-钼钢的回火脆性损伤（续）,（五）铬-钼钢的回火脆性损伤（续）,*现以2Cr-1Mo钢作为代表提出防止产生回火脆性的一些措施：尽量减少钢中能增加脆性敏感性的化学元素，如控制好Si、Mn含量，尽量降低P、Sn、Sb、As的含量。满足对母材的（P+Sn）的控制要求。满足对母材的J-系数和对焊缝的(X)系数的要求，以及对二者的回火脆化敏感性评定要求。制造中要选择合适的热处理工艺，以期获得优越的力学和抗回火脆化的综合性能。,（五）铬-钼钢的回火脆性损伤（续）,采用“热态型”的开停工方案。即开工时先升温后升压；停工时先降压后降温。为此，要确定一个合适的最低升压温度（MPT）。当操作温度低于MPT时，应限制系统压力大约不超过最高设计压力的25。控制应力水平和采用合适的开停工升降温速度，建议当温度小于150时，升降温速度以不超过25/h为宜。,（六）奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离（Disbonding）,1.堆焊层氢致剥离现象的特征*堆焊层剥离现象也是氢致延迟开裂的一种形式。*从宏观上看，剥离的路径是沿着堆焊层和母材的界面扩展的，在不锈钢堆焊层与母材之间呈剥离状态，故称剥离现象。*从微观上看，剥离裂纹发生的典型状态有两大类：沿着熔合线上所形成的碳化铬析出区沿着长大的奥氏体晶界扩展。,（六）奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离（续）,2.剥离现象产生的主要原因*由于制作反应器本体材料的Cr-Mo钢和堆焊层用的奥氏体不锈钢具有不同的氢溶解度和扩散速度,导致使用过程在堆焊层过渡区的堆焊层侧出现很高的氢浓度。,（六）奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离（续）,*由于母材和堆焊层材料的线膨胀系数差别较大，造成界面上存在着相当可观的残余应力；*堆焊层界面处的冶金因素影响（由于制造中焊后热处理，在境界层上受到析出的碳化物形态及可能形成沿融合层生长的粗大结晶的影响等）。3.影响堆焊层氢致剥离的主要因素*除金属材料本身的因素外，环境条件和制造工艺都将对堆焊层氢致剥离产生影响。,（六）奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离（续）,(1)环境条件：*操作温度和氢分压是最重要的影响参数。,（六）奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离（续）,*冷却速度的影响：冷却速度越快越容易剥离。*反复加热冷却的循环次数影响：反复加热冷却次数越多越容易引起剥离和促进剥离的进展。,（六）奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离（续）,(2)制造工艺：*焊后热处理的影响:焊后热处理温度越高，材料抗剥离能力就更差。,（六）奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离（续）,*焊接条件的影响:曾有实验证明，采用高焊速大电流可获得良好的抗剥离能力。,（六）奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离（续）,4.防止堆焊层氢致剥离的对策：*降低界面上的氢浓度；*减轻残余应力；*设法使堆焊层熔合线附近的组织具有较低的氢脆敏感性；*严格遵守操作规程，尽量避免非计划的紧急停车；*在正常停工时应采取能使氢尽可能从器壁内释放出去的停工条件。,六.新Cr-Mo钢的开发与应用,（一）国外的开发应用从20世纪80年代初开始，美国石油学会的材料性能委员会(MPC)和日本几乎是同时进行了高温高压加氢反应器用新钢种的开发，相继取得成功。并很快地在工业装置的设备上应用，将加氢反应器技术推进到了一个新阶段。1.开发背景*由于重质或超重质油裂化和煤液化等新工艺的出现使加氢反应器操作条件更趋高温高压化，原来所采用的Cr-Mo钢难以适应。,（一）国外的开发应用（续）,*随着装置大型化引起设备的大型化，原来使用的Cr-Mo钢强度显偏低，使设备壁厚很厚，给制造、运输和吊装带来难，希望能有更高强度的钢材。原2Cr-1Mo钢强度随温度的变化,（一）国外的开发应用（续）,*热壁反应器在长期使用中曾发生的一些损伤,虽已有许多改进，但仍有某些问题未完全解决。(2)开发目标*提高钢材的设计应力强度值，以适应大型化的需要。*对环境强度有更好的适应性，以满足更趋高温高压化的氢环境的使用条件。*具有良好的加工工艺性能。*成本较低。,（一）国外的开发应用（续）,3.实施方法*通过改变原钢号的热处理条件，以提高强度。如将原2Cr-1Mo钢的回火温度由675降低到620，从而使抗拉强度由原515690MPa提高到585760MPa。*在原钢号的基础上添加V，以实现高强度化,同时为了改善钢的其他性能，配套添加了某些合金元素，如Cb、Ti、B、Ca等。,（一）国外的开发应用（续）,4.开发成功的钢种*增强型(Enhanced)Cr-Mo钢Enh.2Cr-1Mo钢*改进型(Modified)Cr-Mo钢3Cr-1Mo-V-Ti-B钢3Cr-1Mo-V-Cb-Ca2Cr-1Mo-V钢2Cr-1Mo-V-Cb-Ca钢,（一）国外的开发应用（续）,5.加钒Cr-Mo钢的优点*除增强型2Cr-1Mo钢是依靠降低原钢号的回火或焊后热处理温度来达到高强度化，因而它的抗氢脆敏感性和氢致裂纹扩展的能力都不及2Cr-1Mo钢，且抗氢腐蚀的极限温度也相对较低(被限制在440以下)外，加钒的改进型Cr-Mo钢具有以下突出的优点：(1)强度高在室温下,标准规定的抗拉强度为585760MPa，,5.加钒Cr-Mo钢的优点（续）,而原来的2Cr-1Mo钢仅为515690MPa，可见标准规定的最小抗拉强度值就提高约13%。不同Cr-Mo钢强度的对比,5.加钒Cr-Mo钢的优点（续）,高强Cr-Mo钢的蠕变断裂强度对比,5.加钒Cr-Mo钢的优点（续）,再看设计应力值，与当时2001年版ASME规范第卷第二册中给出的3Cr-1Mo-V钢和2Cr-1Mo-V钢在454下的设计应力强度就分别比2Cr-1Mo钢提高9.2%和12.4%以上（按现在最新的2007版提高的就更多，分别达到18.8%和33.1%）。这可使设备轻量化，从而将相关的工程建设投资费用降低。(2)抗高温氢腐蚀性能大幅度提高因钢中形成了热稳定性很高的碳化钒。因而使它,5.加钒Cr-Mo钢的优点（续）,具有很好的抗高温氢腐蚀性能。从1997年第5版的APIRP941（推荐作法）开始，就将2Cr-1Mo-V钢正式列入该标准中的纳尔逊曲线图里。从此图线中可查到2Cr-1Mo-V钢的使用极限温度为510，比原2Cr-1Mo钢提高了56。(3)抗氢脆性能明显改善*氢脆的机理虽有各种理论，但因所形成的碳化钒即使在常温下仍具有较强的捕集氢能力，由此所,5.加钒Cr-Mo钢的优点（续）,能提供给引发开裂部位的氢量比起2Cr-1Mo钢就少,所以氢脆敏感性低,抗氢致裂纹扩展能力强。不同Cr-Mo钢捕捉氢能力,5.加钒Cr-Mo钢的优点（续）,*试验还表明，加钒钢在氢环境中的门槛应力强度因子K1H值比2Cr-1Mo钢高许多。从断口情况看，2Cr-1Mo钢已为晶间型裂纹时,加钒改进型Cr-Mo钢仍呈准解理型。,5.加钒Cr-Mo钢的优点（续）,(4)抗回火脆化性能更好国外曾对板材、锻件和焊缝金属进行过“阶冷”处理试验，其结果表明，试验前后的转变温度增量都很小，说明没有明显的回火脆化现象。改进型3Cr-1Mo钢和焊缝阶冷前后的vTr54,5.加钒Cr-Mo钢的优点（续）,(5)抗氢致剥离裂纹能力优越加钒Cr-Mo钢，不仅使钢中的碳化物组成、形态、分布状况发生了变化，而且可使界面上对氢致剥离敏感的显微组织也得到改善；同时还改变了氢在钢中的扩散速度和溶解度特性，从而使装置在停工过程当温度降至常温附近时，其堆焊层界面上的氢浓度大大减少。显示出了非常优越的抗氢致剥离裂纹能力。,5.加钒Cr-Mo钢的优点（续）,*抗氢致剥离能力的对比情况：,（一）国外的开发应用（续）,6.标准化情况新Cr-Mo钢开发成功后，首先都先向美国机械工程师学会(ASME)申请，以规范案例(CodeCase)的形式认可，如增强型2Cr-1Mo钢为CodeCase1960；2Cr-1Mo-V钢为CodeCase2098；3Cr-1Mo-V-Ti-B钢为CodeCase1961；3Cr-1Mo-V-Cb-Ca钢为CodeCase2151。过了一段时间以后，才相继地被美国的ASME、ASTM，日本的JIS，英国的BS5500及德国的VdTV等一些国家标准所列入。,（一）国外的开发应用（续）,7.应用情况增强型Cr-Mo钢在20世纪80年代中期已开始应用；3Cr-1Mo-1/4V-Ti-B钢开发成功较早，1987年就用于实验装置上，1989年正式在工业装置上使用；3Cr-1Mo-1/4V-Cb-Ca钢在1995年用于工业装置。并于1997年制造出单台质量1500t的3Cr-1Mo-1/4V钢反应器；21/4Cr-1Mo-1/4V钢，由于配套焊材研究成功较晚，直到20世纪90年代初才开始应用。但是由于标准规定的设计应力强度值比3Cr-1Mo-1/4V钢还高。所以应用势头更好。,7.应用情况（续）,截止1999年8月统计，世界上（不含中国,下同）采用改进型3Cr-1Mo-1/4V钢制造的设备有51台,而比3Cr-1Mo-1/4V钢推广应用相对晚约5年的改进型21/4Cr-1Mo-1/4V钢制造的反应器就有43台。到了2004年2月国外又有报导,世界上总共制造加钒Cr-Mo钢反应器143台，其中采用3Cr-1Mo-1/4V钢制造的仍是51台，采用21/4Cr-1Mo-1/4V钢制造的为92台。经过四年半净增49台反应器的材质均为21/4Cr-1Mo-1/4V钢。且在2003年制造出单台质量为1485t的21/4Cr-1Mo-1/4V钢反应器。在投入使用的反应器中，已有经过了在役检验，包括采用超声、磁粉、渗透和声发射等无损检测方法与手段在内的检测，还未见有发现任何异常或缺陷的报道。,六.新Cr-Mo钢的开发与应用（续）,（二）国内的开发应用为能在此领域内继续保持与国外接近或相当的技术水平，国家有关主管部门组织科研、设计、制造和使用单位从20世纪90年代初开始进行各种准备之后，于1994年正式纳入国家重大装备的开发计划。先后研制成功了3Cr-1Mo-V和2Cr-1Mo-V两种材料及其反应器。,（二）国内的开发应用（续）,1.国内加钒Cr-Mo钢（锻）的开发,1.国内加钒Cr-Mo钢（锻）的开发（续）,1.国内加钒Cr-Mo钢（锻）的开发（续）,1.国内加钒Cr-Mo钢（锻）的开发（续）,1.国内加钒Cr-Mo钢（锻）的开发（续）,1.国内加钒Cr-Mo钢（锻）的开发（续）,1.国内加钒Cr-Mo钢（锻）的开发（续）,（二）国内的开发应用（续）,2.国内加钒Cr-Mo钢（锻）的推广应用(1)开发成功的两种加钒材料，如国外一样很快地在国内加氢装置的反应器上推广应用。而且还用于制造出口的加氢反应器。(2)主要推广应用情况：*3Cr-1Mo-1/4V钢反应器共制造了8台*2Cr-1Mo-V钢加氢反应器的研制成功，更为我国的加氢反应器技术奠定了坚固的基础,成果显著：为我国有资格参加神华煤直接液化两台单台质量约2100t的大型2Cr-1Mo-V钢煤液化反应器的国际招标,并一举中标；,（二）国内的开发应用（续）,为近年国内大量建造2Cr-1Mo-V钢反应器提供了有力的物质保证。截止2008年5月的统计，仅中国一重制造的2Cr-1Mo-V钢反应器就有57台，其金属总重已达41280t之多；更可喜的是，从2006年起，我国制造的加氢反应器已打入国外市场。中国一重与中国石油技术开发公司共同与印度石油公司签订了第一个按照ASME规范第卷，第2册并要求打U2钢印的2台2Cr-1Mo-V钢加氢反应器设计、制造合同，反应器已于2008年4月按时交货。,（二）国内的开发应用（续）,至今，中国一重已签约国外加氢反应器制造合同4个，共有加氢反应器14台，材质绝大多数为2Cr-1Mo-V钢。其中，最大的反应器内直径4800mm，最大厚度328mm。(2)国内加钒Cr-Mo钢板开发应用情况*舞阳钢铁公司于2006年也试炼和轧制成功了2Cr-1Mo-V钢板，至今轧出的最厚板网120mm。已有用于加氢设备上。,七.加氢反应器的制造(锻焊结构),（一）制造程序,七.加氢反应器的制造(锻焊结构)(续),（二）制造过程的监控1.针对加氢反应器的特点，从保证安全使用的角度出发,对于制造过程除了常规的检验项目外，要特别注意对下表所列的相关点进行严格的监控。加氢反应器制造过程的监控要点,（二）制造过程的监控（续）,（二）制造过程的监控（续）,（二）制造过程的监控（续）,（二）制造过程的监控（续）,冷氢管喷气试验,八.加氢反应器使用中的保护与在役检验,（一）加氢反应器使用中的保护1.为防止加氢反应器可能发生的各种脆性损伤，在使用、开停工或停工卸剂时所进行的在役检验，采取以下几点措施很有效果：*对于采用回火脆性敏感性较强的钢材（如2Cr-1Mo钢）制造的反应器，在初次开工运行后的重新开停工时，应采用“热态型”的开停工方案。*在停工过程中宜有一段300350的保持时间,让操作时所吸藏的氢尽可能地散逸出器壁外，以最大限度地减少器壁中的残余氢含量。,八.加氢反应器使用中的保护与在役检验（续）,*为防止形成较大的热应力，开停工时必须严格执行操作手册的要求。推荐开工和停工时的升温和降温速度分别不要超过2530/h和25/