加氢设备与选材

1、加氢设备与选材加氢设备与选材中国石化集团洛阳石油化工工程公司中国石化集团洛阳石油化工工程公司黎国磊黎国磊2004中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司序言序言加氢装置的临氢设备操作条件相当苛刻。加氢装置的临氢设备操作条件相当苛刻。从损伤角度说，可能会发生一些全体装从损伤角度说，可能会发生一些全体装置设备不会有或不容易有的腐蚀或损伤置设备不会有或不容易有的腐蚀或损伤现象。另外，由于有氢气存在，一旦泄现象。另外，由于有氢气存在，一旦泄露易引起爆炸及发生二次灾害。露易引起爆炸及发生二次灾害。制造条件要求高，造价昂贵，一般动、制造条件要求高，造价昂贵，一般动、静高压设备费用约占整个装置建设投资静高压设备

2、费用约占整个装置建设投资的的30%40%。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司序言序言所以对这些设备的设计和制造都很重所以对这些设备的设计和制造都很重视，提出至少要满足以下几点要求：视，提出至少要满足以下几点要求：1. 满足工艺过程各种运行方案的需满足工艺过程各种运行方案的需要；要； 2. 使用可靠性高使用可靠性高 ； 3. 维护检修方便，所需时间短；维护检修方便，所需时间短； 4. 投资费用较低。投资费用较低。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司一一. 加氢裂化装置主要设备结构与加氢裂化装置主要设备结构与特点特点(一一) 反应器反应器加氢反应器是加氢装置的核心设备。操作条加氢反应器是加氢装

3、置的核心设备。操作条件苛刻，技术难度大。所以，反应器的设计件苛刻，技术难度大。所以，反应器的设计和制造成功，在某种意义上说体现一个国家和制造成功，在某种意义上说体现一个国家总体技术水平的重要标志之一。总体技术水平的重要标志之一。1. 反应器技术发展梗概反应器技术发展梗概随着加氢工艺技术的广泛应用，加氢工艺设随着加氢工艺技术的广泛应用，加氢工艺设备特别是反应器技术相应得到很快的发展与备特别是反应器技术相应得到很快的发展与显著的进步。主要表现：显著的进步。主要表现：中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司1. 反应器技术发展梗概反应器技术发展梗概(1) 安全使用性能越来越高。这也是整个技术安全使用性能

4、越来越高。这也是整个技术发展过程所围绕的核心问题发展过程所围绕的核心问题* 设计方法的更新设计方法的更新n由由“常规设计常规设计”即即“规则设计规则设计” 以以“应力应力分析为基础的设计分析为基础的设计”，即，即“分析设计分析设计”* 设计结构的改进设计结构的改进n本体结构：单层本体结构：单层 多层多层 更高级的单层更高级的单层n使用状态：冷壁结构使用状态：冷壁结构 热壁结构热壁结构n细部结构的改进细部结构的改进中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司1. 反应器技术发展梗概反应器技术发展梗概* 材料制造技术的发展，质量明显提高材料制造技术的发展，质量明显提高n体现在冶炼技术、热处理技术、分析体现

5、在冶炼技术、热处理技术、分析技术等等方面。最终反映在材料的内技术等等方面。最终反映在材料的内质特性质特性(纯洁性、致密性、均质性纯洁性、致密性、均质性)非非常优越常优越* 制造技术的进步制造技术的进步n如制造装备、制造工艺、焊接技术如制造装备、制造工艺、焊接技术(含含堆焊技术堆焊技术)、热处理技术、检测技术等、热处理技术、检测技术等等都有很大进步。等都有很大进步。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司(2) 为了获得较佳的经济效益，装置日为了获得较佳的经济效益，装置日趋大型化带来了反应设备的大型化。趋大型化带来了反应设备的大型化。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 时时 期

6、期 技术特征技术特征 备备 注注 第一代第一代 1972年以前年以前 开发初期开发初期 第二代第二代 19731980 改进期改进期 第三代第三代 19811987 成熟期成熟期 第四代第四代 1988现在现在 更新期更新期 以开发成功新的以开发成功新的Cr-Mo钢为标志钢为标志 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司热壁加氢反应器技术演变热壁加氢反应器技术演变阶段阶段起止起止时间时间技术技术特征特征技术进步内涵与存在问题技术进步内涵与存在问题第第一一阶阶段段19721972年年以以前前开发开发初期初期设计：由常规设计设计：由常规设计分析设计。设计对材料只提分析设计。设计对材料只提出满足力学性能

7、及抗氢腐蚀和硫化氢腐蚀的出满足力学性能及抗氢腐蚀和硫化氢腐蚀的要求；要求；材料：冶炼由平炉材料：冶炼由平炉电炉，材料纯净度和均质性电炉，材料纯净度和均质性较差；堆焊：采用较差；堆焊：采用SAWSAW工艺（末期开发出浅工艺（末期开发出浅熔深堆焊工艺）；使用中层出现过熔深堆焊工艺）；使用中层出现过Cr-MoCr-Mo钢钢的回火脆化现象和不锈钢的氢脆损伤问题。的回火脆化现象和不锈钢的氢脆损伤问题。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司热壁加氢反应器技术演变热壁加氢反应器技术演变阶段阶段起止起止时间时间技术技术特征特征技术进步内涵与存在问题技术进步内涵与存在问题第第二二阶阶段段1973197319801

8、980改改进进期期 设计：分析设计应用较普遍。设计对材料已提出控制回火脆化设计：分析设计应用较普遍。设计对材料已提出控制回火脆化的要求的要求( (如控制如控制J J系数和系数和X X系数系数) )。结构设计已有所改进，一。结构设计已有所改进，一是尽量减小应力集中，二是方便在役检测；材料：冶炼由是尽量减小应力集中，二是方便在役检测；材料：冶炼由电炉电炉(+(+保温炉保温炉) ) 电炉电炉+ +炉外精炼技术炉外精炼技术( (如真空碳脱氧工艺如真空碳脱氧工艺及其它新的冶炼工艺的应用及其它新的冶炼工艺的应用) )可以冶炼出低可以冶炼出低SiSi或低或低P P，甚至，甚至超低超低P P的钢；的钢；焊接：

9、由常规的焊接焊接：由常规的焊接窄间隙焊接。窄间隙焊接。堆焊：由较普遍采用的浅熔深堆焊堆焊：由较普遍采用的浅熔深堆焊改进的单层或双层改进的单层或双层( (带极带极) )堆焊。而且在有关部位采取了堆焊。而且在有关部位采取了PWHTPWHT后才堆焊后才堆焊Tp.347Tp.347的方法；的方法；制造：可制造出大型反应器用整体封头，锻造筒体的缩口技术制造：可制造出大型反应器用整体封头，锻造筒体的缩口技术开发。这一阶段的反应器，回火脆化问题已基本得到解决。开发。这一阶段的反应器，回火脆化问题已基本得到解决。但在此阶段末发现了堆焊层氢致剥离现象。但在此阶段末发现了堆焊层氢致剥离现象。 中国石化集团公司洛阳

10、石油化工工程公司热壁加氢反应器技术演变热壁加氢反应器技术演变阶段阶段起止起止时间时间技术技术特征特征技术进步内涵与存在问题技术进步内涵与存在问题第第三三阶阶段段1981198119871987成成熟熟期期 综合应用针对使用中出现的各种损伤所开展的多项研究成综合应用针对使用中出现的各种损伤所开展的多项研究成果，在反应器的细部结构果，在反应器的细部结构( (如保温结构如保温结构) )上又有进一步上又有进一步改进，材料的纯净度进一步提高，改进，材料的纯净度进一步提高，J-J-系数和系数和X X系数的控系数的控制不断趋严；焊接方面，由于焊接设备、焊接材料和制不断趋严；焊接方面，由于焊接设备、焊接材料和

11、焊接结构的改进，焊缝质量大有提高。堆焊技术由于焊接结构的改进，焊缝质量大有提高。堆焊技术由于采用了高焊速、大电流的堆焊工艺，提高了堆焊层金采用了高焊速、大电流的堆焊工艺，提高了堆焊层金属的韧性。其结果各种损伤发生极少。但由于有更加属的韧性。其结果各种损伤发生极少。但由于有更加高温高压加氢新工艺的出现，存在着现用的反应器材高温高压加氢新工艺的出现，存在着现用的反应器材料难以适应的问题。料难以适应的问题。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司热壁加氢反应器技术演变热壁加氢反应器技术演变阶段阶段起止起止时间时间技术技术特征特征技术进步内涵与存在问题技术进步内涵与存在问题第第四四阶阶段段1988198

12、8现在现在更更新新期期 以开发新的以开发新的Cr-MoCr-Mo钢，并很快得到推广应用将加氢反应器技钢，并很快得到推广应用将加氢反应器技术推进到一个新的阶段。术推进到一个新的阶段。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司2. 反应器本体结构特征反应器本体结构特征单层结构单层结构n钢板卷焊结构钢板卷焊结构n锻焊结构锻焊结构多层结构多层结构n绕带式绕带式n热套式热套式等等等等中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司2. 反应器本体结构特征反应器本体结构特征我国华南工大针对国外我国华南工大针对国外80年代初所开发的年代初所开发的一种多层结构存在的某些缺点开发出了多层一种多层结构存在的某些缺点开发出了多层夹

13、紧式结构。夹紧式结构。结构形式的选择一般是依据使用条件、反应结构形式的选择一般是依据使用条件、反应器尺寸、经济性和制造周期等诸因素来确定。器尺寸、经济性和制造周期等诸因素来确定。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司2. 反应器本体结构特征反应器本体结构特征单层结构中的钢板卷焊结构和锻焊结构的选择，主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与条件以及经济上的合要取决于制造厂的加工能力与条件以及经济上的合理性和用户的需要。但锻焊结构优点更多。理性和用户的需要。但锻焊结构优点更多。n锻件的内质特性锻件的内质特性(纯洁性、致密性、均质性纯洁性、致密性、均质性)好；好；n焊缝

14、少，特别是没有纵焊缝，从而提高了反应器耐周向焊缝少，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；应力的可靠性；n制造装配易保证，制造周期短；制造装配易保证，制造周期短；n可设计和制造成对于防止某些脆性损伤很有好处的结构；可设计和制造成对于防止某些脆性损伤很有好处的结构；n使用过程中对焊缝检查维护的工作量少，无损检测容易。使用过程中对焊缝检查维护的工作量少，无损检测容易。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司2. 反应器本体结构特征反应器本体结构特征锻造结构的材料利用率比板焊结构低，当壁锻造结构的材料利用率比板焊结构低，当壁厚较薄时，其制造费用相对较高。一般，厚厚较薄时，其制造费用相对较

15、高。一般，厚度大于度大于150mm时采用较合适，壁厚越时采用较合适，壁厚越厚，锻造结构的经济性更显优越。厚，锻造结构的经济性更显优越。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司3. 反应器内件型式及作用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。一道体现出所采用加氢工艺的先进性。对于气液并流下流式反应器的内件，通常都对于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。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

16、要点主要内件的作用、典型结构及注意要点内件内件名称名称 设置目的及有关说明设置目的及有关说明 典型典型结构型式结构型式 注意要点注意要点 入入口口扩扩散散器器或或称称预预分分配配器器 防止高速流体直接冲击液防止高速流体直接冲击液体分配盘，影响分配效果，体分配盘，影响分配效果，从而起到预分配的作用。从而起到预分配的作用。对于图示的对于图示的(b)型，还可型，还可起到积存进料中的一些锈起到积存进料中的一些锈垢的作用。垢的作用。 见图见图5(a)(b) (a)型：型：进料方向应垂直于入口扩进料方向应垂直于入口扩散器上的两条开孔；散器上的两条开孔；两层水平档板上的开孔应两层水平档板上的开孔应对中；对中

17、；水平挡板上的开孔应垂直水平挡板上的开孔应垂直于板面。于板面。(b)型：型：根据液体及沉积物量确定根据液体及沉积物量确定长槽孔的大小、数量和位长槽孔的大小、数量和位置置 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司内件内件名称名称 设置目的及有关说明设置目的及有关说明 典型典型结构型式结构型式 注意要点注意要点 气气液液分分配配盘盘 使进入反应器的物料均匀使进入反应器的物料均匀分散，与催化剂颗粒有效分散，与催化剂颗粒有效地接触，充分发挥催化剂地接触，充分发挥催化剂的作用。的作用。目前国内外所用的分配器目前国内外所用的分配器按其作用机理大致可分为按其作用机理大致可分为溢流型和溢流型和(抽吸抽吸)喷射型两

18、喷射型两类或二者机理兼有的综合类或二者机理兼有的综合型。型。 见图见图6(a)(b) 应保证分配盘上不漏夜应保证分配盘上不漏夜,可采用可采用有关填料垫密。安装后充水有关填料垫密。安装后充水100mm高，在高，在5分钟内液位降分钟内液位降低小于低小于25mm为合格；为合格；控制安装水平度。对于喷射型，控制安装水平度。对于喷射型，包括制造公差和梁在荷载作用包括制造公差和梁在荷载作用下的挠度在内可按下的挠度在内可按5mm6mm控制，对于控制，对于溢流型，要求还应稍严；溢流型，要求还应稍严；配盘的设计荷载，应包括通过配盘的设计荷载，应包括通过分配盘的压力降分配盘的压力降P、盘上的液、盘上的液量及分配盘

19、自重量及分配盘自重(按最大的操作按最大的操作温度考虑温度考虑)。此外，还要考虑到检修的工况，此外，还要考虑到检修的工况，其支承件至少同时要满足常温其支承件至少同时要满足常温下承受下承受120kg集中荷载的要求。集中荷载的要求。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司内件内件名称名称 设置目的及有关说明设置目的及有关说明 典型典型结构型式结构型式 注意要点注意要点 积积垢垢篮篮积垢篮置于催化剂床层的顶积垢篮置于催化剂床层的顶部，系由各种规格不锈钢金部，系由各种规格不锈钢金属丝网与骨架构成的篮框。属丝网与骨架构成的篮框。它为反应器进入物料提供更它为反应器进入物料提供更多的流通面积，使催化剂床多的流通

20、面积，使催化剂床层可聚集更多的锈垢和沉积层可聚集更多的锈垢和沉积物而不致引起床层压降过分物而不致引起床层压降过分地增加。地增加。现已不太采用。现已不太采用。 见图见图7积垢篮在装入反应器内时，积垢篮在装入反应器内时，其篮内应是空的。在装填催其篮内应是空的。在装填催化剂时一定要注意这一点；化剂时一定要注意这一点；积垢篮按三角形排列，安装积垢篮按三角形排列，安装时用链条将其连在一起，并时用链条将其连在一起，并栓到上面的分配器支承梁上，栓到上面的分配器支承梁上，其栓紧链条要有足够的长度其栓紧链条要有足够的长度裕量以适应催化剂床层的下裕量以适应催化剂床层的下沉沉(按下沉按下沉5考虑考虑)。 中国石化集

21、团公司洛阳石油化工工程公司内件内件名称名称 设置目的及有关说明设置目的及有关说明 典型典型结构型式结构型式 注意要点注意要点 冷冷氢氢箱箱用以控制加氢放热反应引起用以控制加氢放热反应引起的催化剂床层温升，图示的的催化剂床层温升，图示的冷氢箱结构由冷氢管、冷氢冷氢箱结构由冷氢管、冷氢盘、再分配盘组成，可使来盘、再分配盘组成，可使来自上面床层的反应物料和起自上面床层的反应物料和起冷却作用的冷氢充分混合，冷却作用的冷氢充分混合，而又将具有均匀温度的气液而又将具有均匀温度的气液混合物再均匀分配到下部的混合物再均匀分配到下部的催化剂床层上。催化剂床层上。 见图见图8冷氢管内设置的隔档板应使冷氢管内设置的

22、隔档板应使从两个开孔中喷出的氢气量从两个开孔中喷出的氢气量是相当的；是相当的；为发挥冷氢的作用效果，冷为发挥冷氢的作用效果，冷氢盘和冷氢箱部分应用填料氢盘和冷氢箱部分应用填料填密，以保证不漏液，可按填密，以保证不漏液，可按气液分配盘的试漏标准验收；气液分配盘的试漏标准验收；冷氢盘和喷射盘的安装水平冷氢盘和喷射盘的安装水平度，包括制造公差、荷载作度，包括制造公差、荷载作用下的挠度等在内，可按用下的挠度等在内，可按6mm控制。再分配盘的控制。再分配盘的要求与气液分配盘同。要求与气液分配盘同。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司内件内件名称名称 设置目的及有关说明设置目的及有关说明 典型典型结构型

23、式结构型式 注意要点注意要点 热热电电偶偶 为监视加氢放热反应引起床为监视加氢放热反应引起床层温度升高及床层截面温度层温度升高及床层截面温度分布状况等而对操作温度进分布状况等而对操作温度进行管理。热电偶的安装有从行管理。热电偶的安装有从筒体上径向插入和从反应器筒体上径向插入和从反应器顶封头上垂直方向插入。径顶封头上垂直方向插入。径向水平插入的有横跨整个截向水平插入的有横跨整个截面的和仅插入一定长度的。面的和仅插入一定长度的。 见图见图9(a)(b)(c) 对径向水平插入的热电偶套对径向水平插入的热电偶套管要注意由于操作过程催化管要注意由于操作过程催化剂下沉和检修卸出催化剂时剂下沉和检修卸出催化

24、剂时可能引起被压弯的问题；可能引起被压弯的问题；顶部垂直插入的热电偶套管，顶部垂直插入的热电偶套管，当长度较长时，要适当设置当长度较长时，要适当设置导向结构，以利操作受热时导向结构，以利操作受热时伸长不受阻碍。伸长不受阻碍。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司内件内件名称名称 设置目的及有关说明设置目的及有关说明 典型典型结构型式结构型式 注意要点注意要点 出出口口收收集集器器 用于支承下部的催化剂床层，用于支承下部的催化剂床层，以减轻床层的压降和改善反以减轻床层的压降和改善反应物料的分配。应物料的分配。 见图见图10 出口收集器与下封头的下沿出口收集器与下封头的下沿或与其连接的定心环圆周上

25、或与其连接的定心环圆周上应设数个缺口，以便停工时应设数个缺口，以便停工时排液用。排液用。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司3. 反应器内件型式及作用反应器内件型式及作用在反应器内件设计中最关键的一点是要使反在反应器内件设计中最关键的一点是要使反应进料应进料(气液相气液相)与催化剂颗粒与催化剂颗粒(固相固相)有效地有效地接触，在催化剂床层内不发生流体偏流现象。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，有两点是特别值得注意从设备设计角度说，有两点是特别值得注意的：的：n内件要具有高效和稳定操作的性能；内件要具有高效和稳定操作的性能；n最大限度地利用反应器容积。最大限度地利用反应

26、器容积。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司（二）高压换热器（二）高压换热器1. 加氢装置常用的高压换热器型式加氢装置常用的高压换热器型式 通常有以下通常有以下3种型式：种型式： * 普通大法兰型换热器普通大法兰型换热器 * 密封盖板封焊式换热器密封盖板封焊式换热器 * 螺纹环锁紧式换热器螺纹环锁紧式换热器应该根据不同的使用条件合理地进行选择。应该根据不同的使用条件合理地进行选择。对于高温高压场合，选用后对于高温高压场合，选用后2种型式较为合种型式较为合理。一般大致按压力大于理。一般大致按压力大于8010MPa时选时选用后用后2种。种。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司2. 螺纹环锁紧式高压

27、换热器结构及使用注意要点螺纹环锁紧式高压换热器结构及使用注意要点： （1）主要结构特点）主要结构特点 （a） 密封性能可靠 * 螺栓载荷小，故螺栓小，便于拧紧。 不同结构换热器螺栓大小的对比情况如下： 不同型式换热器用螺栓比较不同型式换热器用螺栓比较设计条件 压力：17.65MPa 温度：430 内径：900mm螺栓规格数量 法法 兰兰 型型 ：M8520根 螺纹环锁紧式：螺纹环锁紧式：M3840根中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司* 在运转中如管壳程间发生串漏有消除泄漏的手段* 法兰联接点少，减少了许多可泄漏点。 (b) 拆装方便 可在短时间内完成，所需时间比法可在短时间内完成，所需时间比

28、法兰型少三分之一以上。兰型少三分之一以上。 (c) 金属用量少 (d) 结构紧凑，占地面积小。缺点缺点：结构比较复杂，公差与配合要求较严。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 （2）设计、使用中应注意的问题）设计、使用中应注意的问题(a) 由于它的结构复杂，在设计中务必进行仔细的计算。 (b) 要保证有足够的管箱端部螺纹啮合高度（不小于毫米）及尽量限制螺纹啮合高度的变化。 (c) 管束拆装要使用专门工夹具，以保护好管箱大螺纹。 (d) 使用过程务必保证管壳程间的压差不超过设计规定值。( 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司(e) 在检修中，发现有关零件的变形或损伤在检修中，发现有关零件的变形或

29、损伤超过规定值时，务必及时更换。超过规定值时，务必及时更换。（三）高压空冷器1. 高压空冷器的结构型式与优缺点 * 一般采用的管箱结构有： (a) 丝堵式管箱 （应用较多） 0 锻造式结构 0 板焊式结构(b) 集合管式管箱中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司* 传热管用翅片型式：传热管用翅片型式：L 型 LL 型 KL 型 G 型 DR 型应根据操作温度、使用环境及经济性能等要求来选择。下表是几种翅片管的适用温度与有关性能的对比情况：中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司主要翅片管型式对比主要翅片管型式对比 L LL KL G DR最高使 150 170 250 350 280用温度抗大气 可

30、可 中等中等 中等中等 差差 好好腐蚀性能传热 差差 略好略好 好好 很好很好 很好很好性能价格 低低 略高略高 略高略高 较高较高 高高中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司2.高压空冷器使用注意要点高压空冷器使用注意要点 此类空冷器过去使用中曾发生过的突此类空冷器过去使用中曾发生过的突出损伤问题是管子的腐蚀穿孔（因有出损伤问题是管子的腐蚀穿孔（因有NH4HSNH4HS水溶液存在）。这是设计、使用中水溶液存在）。这是设计、使用中最值得注意的问题。最值得注意的问题。 可从选材、控制工艺条件、结构可从选材、控制工艺条件、结构设计和空冷器与管线的布置上采取一些设计和空冷器与管线的布置上采取一些相应措

31、施使腐蚀减至最小相应措施使腐蚀减至最小。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司（四）（四） 高压分离器高压分离器加氢装置设置高压分离器（高分），是为将加氢装置设置高压分离器（高分），是为将反应器流出物中的气液相进行分离。为此，反应器流出物中的气液相进行分离。为此，需要有合适的气相分离空间和充分的液相停需要有合适的气相分离空间和充分的液相停留时间。留时间。随着装置所采用的高分流程的不同，高分也随着装置所采用的高分流程的不同，高分也相应地分为热高分和冷高分两类。相应地分为热高分和冷高分两类。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司四、加氢反应器主要损伤型式与材料选择四、加氢反应器主要损伤型式与材料选择

32、加氢装置由于操作条件的特殊性，所以反应器有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。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。及其对策。n高温氢腐蚀高温氢腐蚀n氢脆氢脆n高温硫化氢腐蚀高温硫化氢腐蚀n铬铬-钼钢的回火脆性损伤钼钢的回火脆性损伤n连多硫酸应力腐蚀开裂连多硫酸应力腐蚀开裂n奥

33、氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司高温氢腐蚀高温氢腐蚀(HAHydoqgen Attack)(1) 高温氢腐蚀形式高温氢腐蚀形式n表面脱碳表面脱碳n内部脱碳与开裂内部脱碳与开裂中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司表面脱碳不产生裂纹，表面脱碳的影响一般表面脱碳不产生裂纹，表面脱碳的影响一般很轻，其钢材的强度和硬度局部有所下降而很轻，其钢材的强度和硬度局部有所下降而延性提高。延性提高。高温氢腐蚀高温氢腐蚀(HAHydoqgen Attack)中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司内部脱碳是由于氢扩散侵入到钢中发生反应内部脱碳是由于氢扩散侵入到钢

34、中发生反应生成甲烷，即生成甲烷，即Fe3C+2H2CH4+ 3Fe 。甲烷聚集于晶界空穴和夹杂物附近，形成很甲烷聚集于晶界空穴和夹杂物附近，形成很高的局部应力，使钢材产生龟裂、裂纹或鼓高的局部应力，使钢材产生龟裂、裂纹或鼓泡，并使钢材强度和韧性显著下降。由于这泡，并使钢材强度和韧性显著下降。由于这种损伤是发生化学反应的结果，所以它具有种损伤是发生化学反应的结果，所以它具有不可逆的性质，也称不可逆的性质，也称永久脆化现象永久脆化现象。其实际。其实际的进展是甲烷气泡在晶界形核、成长及气泡的进展是甲烷气泡在晶界形核、成长及气泡串通产生晶间微裂纹，最终这些微裂纹能够串通产生晶间微裂纹，最终这些微裂纹能

35、够连通而形成断裂通道。连通而形成断裂通道。 高温氢腐蚀高温氢腐蚀(HAHydoqgen Attack)中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司高温氢腐蚀高温氢腐蚀(HAHydoqgen Attack)这里要引出一个这里要引出一个“孕育期孕育期”(或称或称潜伏期潜伏期)的概念。的概念。就是对于处在形成甲烷气泡，但成长速度缓慢且没就是对于处在形成甲烷气泡，但成长速度缓慢且没有串通的阶段，钢材的力学性能不发生明显改变的有串通的阶段，钢材的力学性能不发生明显改变的这段时间称为这段时间称为“孕育期孕育期”。 “孕育期孕育期”的概念对于工程上的应用是非常重要的概念对于工程上的应用是非常重要的。它可被用来确定设

36、备和管道所采用的钢材的大的。它可被用来确定设备和管道所采用的钢材的大致安全使用时间。致安全使用时间。“孕育期孕育期”的长短取决于许多因的长短取决于许多因素，包括钢种、氢压、温度、冷作程度、杂质元素素，包括钢种、氢压、温度、冷作程度、杂质元素含量和作用应力等。含量和作用应力等。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司(2) 影响高温氢腐蚀的主要因素影响高温氢腐蚀的主要因素n温度、压力和暴露时间的影响温度、压力和暴露时间的影响n合金元素和杂质元素的影响合金元素和杂质元素的影响n热处理的影响热处理的影响n应力的影响应力的影响高温氢腐蚀高温氢腐蚀(HAHydoqgen Attack)中国石化集团公司洛阳石

37、油化工工程公司(3) 抗高温氢腐蚀的材料选用及注意要点抗高温氢腐蚀的材料选用及注意要点多少年来都是按照原称为多少年来都是按照原称为“纳尔逊纳尔逊(Nelson)曲线来选择抗氢材料。现为曲线来选择抗氢材料。现为API RP(推荐准则推荐准则)941(第第5版版)“炼油厂和石油炼油厂和石油化工厂用高温高压临氢作业用钢化工厂用高温高压临氢作业用钢”标准上的标准上的一个图线。一个图线。 高温氢腐蚀高温氢腐蚀(HAHydoqgen Attack)中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司在应用这个图线进行选材时，还应该注意以下几点：在应用这个图线进行选材时，还应该注意以下几点：n本图线只涉及到材料抗高温氢腐蚀

38、的性能，它并不本图线只涉及到材料抗高温氢腐蚀的性能，它并不考虑在高温时其它重要因素引起的损伤。考虑在高温时其它重要因素引起的损伤。n 由于纳尔逊曲线已经过多次修订，使用时务必按照由于纳尔逊曲线已经过多次修订，使用时务必按照最新版的曲线选用，才能保证使用的可靠性。最新版的曲线选用，才能保证使用的可靠性。n在实际应用中，焊缝部位的氢腐蚀更是不可忽视的。在实际应用中，焊缝部位的氢腐蚀更是不可忽视的。n在依据此图线进行选材时，应尽量减少不利影响的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，注意控制非金属夹杂物的含量和作杂质元素含量，注意控制非金属夹杂物的含量和作用应力水平以及进行充分的回

39、火和焊后热处理等对用应力水平以及进行充分的回火和焊后热处理等对提高钢材抗高温氢腐蚀都是有好处的。提高钢材抗高温氢腐蚀都是有好处的。 高温氢腐蚀高温氢腐蚀(HAHydoqgen Attack)中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司氢脆氢脆(HEHydrogen mbrittlement) (1) 氢脆现象的特征氢脆现象的特征n所谓所谓氢脆氢脆，是由于氢残留在钢中所引起的脆化，是由于氢残留在钢中所引起的脆化现象。产生了氢脆的钢材，其延伸率和断面收现象。产生了氢脆的钢材，其延伸率和断面收缩率显著下降。氢脆是可逆的，也称作一次脆缩率显著下降。氢脆是可逆的，也称作一次脆化现象。氢脆发生的温度一般在化现象。

40、氢脆发生的温度一般在150以下。以下。所以，实际装置中氢脆损伤往往都是发生在装所以，实际装置中氢脆损伤往往都是发生在装置停工过程的低温阶段。置停工过程的低温阶段。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司氢脆氢脆(HEHydrogen mbrittlement) (2) 防止产生氢脆的有关要点防止产生氢脆的有关要点 n氢脆的敏感性一般是随钢材强度的提高而增加氢脆的敏感性一般是随钢材强度的提高而增加n 钢的显微组织对氢脆也有影响钢的显微组织对氢脆也有影响n 钢材的氢脆化程度与钢中的氢含量密切相关钢材的氢脆化程度与钢中的氢含量密切相关(可以认为，在可能发生氢脆的温度下，会存在可以认为，在可能发生氢脆的温

41、度下，会存在着不引起亚临界裂纹扩展的氢浓度，称之为安着不引起亚临界裂纹扩展的氢浓度，称之为安全氢浓度。它与钢材的强度水平、裂纹尖端的全氢浓度。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拉应力大小以及裂纹的几何尺寸有关)中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司氢脆氢脆(HEHydrogen mbrittlement) 对于操作在高温高压氢环境下的反应器，在操作状态对于操作在高温高压氢环境下的反应器，在操作状态下，器壁中会吸收一定量的氢。在停工的过程中，若下，器壁中会吸收一定量的氢。在停工的过程中，若冷却速度太快，使吸藏的氢来不及扩散出来，造成过冷却速度太快，使吸藏的氢来不及扩散出

42、来，造成过饱和氢残留在器壁内，就有可能引起亚临界裂纹扩展，饱和氢残留在器壁内，就有可能引起亚临界裂纹扩展，对设备的安全使用带来威胁。对设备的安全使用带来威胁。为避免氢脆发生，可注意以下要点：为避免氢脆发生，可注意以下要点：n钢材强度不要超过设计规定值。且要注意降低焊接钢材强度不要超过设计规定值。且要注意降低焊接热影响区的硬度热影响区的硬度(2Cr-1Mo钢应控制钢应控制220HB)n通过无损检测消除宏观缺陷通过无损检测消除宏观缺陷n消除残余应力使负荷应力降低消除残余应力使负荷应力降低中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司氢脆氢脆(HEHydrogen mbrittlement) 在加氢反应器等临

43、氢设备中还存在不锈钢氢脆损在加氢反应器等临氢设备中还存在不锈钢氢脆损伤的现象伤的现象(有的还兼有有的还兼有相脆化相脆化)，其部位多发生在，其部位多发生在反应器催化剂支持圈的角焊缝上以及法兰梯型槽反应器催化剂支持圈的角焊缝上以及法兰梯型槽密封面的槽底拐角处。防止此类损伤的发生，主密封面的槽底拐角处。防止此类损伤的发生，主要应从结构设计上、制造过程中和生产操作方面要应从结构设计上、制造过程中和生产操作方面采取如下措施：采取如下措施：n尽量减少应变幅度，降低热应力和避免应力集中；尽量减少应变幅度，降低热应力和避免应力集中；n尽量保持尽量保持Tp.347堆焊金属或焊接金属有较高的延性。堆焊金属或焊接金

44、属有较高的延性。n装置停工时尽量使钢中吸藏的氢释放出去。装置停工时尽量使钢中吸藏的氢释放出去。n尽量避免非计划的紧急停工。尽量避免非计划的紧急停工。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司高温硫化氢腐蚀高温硫化氢腐蚀(H2+ H2S腐蚀腐蚀) 加氢装置中的高温硫化氢腐蚀是指加氢装置中的高温硫化氢腐蚀是指H2S在氢在氢气流中对设备和管道的腐蚀。硫化氢和氢共气流中对设备和管道的腐蚀。硫化氢和氢共存条件下，比硫化氢单独存在时对钢材产生存条件下，比硫化氢单独存在时对钢材产生的腐蚀还要更为剧烈和严重。其腐蚀速度一的腐蚀还要更为剧烈和严重。其腐蚀速度一般随着温度的升高而增加。般随着温度的升高而增加。中国石化集

45、团公司洛阳石油化工工程公司高温硫化氢腐蚀高温硫化氢腐蚀(H2+ H2S腐蚀腐蚀) 影响高温硫化氢腐蚀的主要因素是温度和影响高温硫化氢腐蚀的主要因素是温度和H2S浓度。浓度。一般来说，温度是影响腐蚀速率的主要因素。不过，一般来说，温度是影响腐蚀速率的主要因素。不过，在较低的在较低的H2S浓度下，浓度比起温度来更显突出。浓度下，浓度比起温度来更显突出。H2S浓度与腐蚀程度的关系大致如下：浓度与腐蚀程度的关系大致如下：H2S 浓度，浓度，%(体体) 腐腐 蚀蚀 速速 度度 0.01 0.1 急剧地增加急剧地增加0.1 1.0 增加的程度稍为减慢增加的程度稍为减慢1.0 10.0 提高的程度很小提高的

46、程度很小中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司高温硫化氢腐蚀高温硫化氢腐蚀(H2+ H2S腐蚀腐蚀) 硫化氢和氢共存条件下的材料选择硫化氢和氢共存条件下的材料选择n按经验数据按经验数据n按照柯珀按照柯珀(Couper)曲线估算曲线估算n另外，作为抗高温硫化氢腐蚀的有效措施之一另外，作为抗高温硫化氢腐蚀的有效措施之一是采用渗铝钢。但要注意的是，不同的渗铝工是采用渗铝钢。但要注意的是，不同的渗铝工艺，其抗腐蚀的性能是大不一样的。艺，其抗腐蚀的性能是大不一样的。(最好采用最好采用高温扩散渗透法高温扩散渗透法)。湿硫化氢环境损伤湿硫化氢环境损伤（1）湿硫化氢环境的定义）湿硫化氢环境的定义按NACE MR

47、O175-97D的定义为：有水存在下，对于酸性气来说，总压总压 0.4MPa气体中的硫化氢分压气体中的硫化氢分压0.0003MPa (2) 湿硫化氢环境的损伤形式湿硫化氢环境的损伤形式(a) 氢鼓泡(HB)中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司(b) 氢致开裂 (HIC)(C) 硫化物应力腐蚀开裂 (SSCC) (d) 应力导向氢致开裂 (SOHIC)（3）防止对策与选材）防止对策与选材因因4种损伤形式发生的机理不完全相同，种损伤形式发生的机理不完全相同，所以影响因素和防止对策也不完全一样。所以影响因素和防止对策也不完全一样。但实际上又难以严格分开，甚至几种损但实际上又难以严格分开，甚至几种损伤

48、同时存在伤同时存在。一般的看法：a)为抗SSCC，选材时要控制钢材的强度（2）防止对策与选材（续）防止对策与选材（续）水平，水平，应避免屈服强度超过618MPa。设备制造后应进行PWHT，碳钢：硬度200HB;Cr-Mo钢：硬度220HB。b)为抗HB和HIC，对于湿硫化氢环境不太严重者，可选用普通的碳钢（镇静钢）；湿硫化氢环境较严重时，应采用专门的抗HIC钢；环境条件很苛刻的，可采用“隔绝”的方法（衬里、堆焊或涂层）。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司4 连多硫酸应力腐蚀开裂连多硫酸应力腐蚀开裂(1) 连多硫酸应力腐蚀开裂特征与起因连多硫酸应力腐蚀开裂特征与起因连多硫酸连多硫酸(H2SxO

49、6，X=36)应力腐蚀开应力腐蚀开裂也属硫化物应力腐蚀开裂，一般为晶间裂裂也属硫化物应力腐蚀开裂，一般为晶间裂纹。连多硫酸的形成是由于设备在含有高温纹。连多硫酸的形成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，而当硫化氢的气氛下操作时生成了硫化铁，而当设备停止运转或停工检修时，它与出现的水设备停止运转或停工检修时，它与出现的水份和进入设备内的空气中的氧发生反应的结份和进入设备内的空气中的氧发生反应的结果。果。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司4 连多硫酸应力腐蚀开裂连多硫酸应力腐蚀开裂3FeS+5O2Fe2O3FeO+3SO2SO2+H2OH2SO3H2SO3+O2H2SO4FeS

50、+H2SO3mH2SxO6+nFe+FeS+H2SO4FeSO4+H2SH2SO3+H2SmH2SxO6+nS中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司4 连多硫酸应力腐蚀开裂连多硫酸应力腐蚀开裂(2) 防止对策防止对策在设计上要选用合适的材料。同时结构设计在设计上要选用合适的材料。同时结构设计上应尽量避免有应力集中的结构。上应尽量避免有应力集中的结构。制造上要尽量消除或减轻由于冷加工和焊接制造上要尽量消除或减轻由于冷加工和焊接引起的残余应力，并注意加工成不形成应力引起的残余应力，并注意加工成不形成应力集中或应力集中尽可能小的结构。集中或应力集中尽可能小的结构。使用上主要是缓和环境条件。使用上主要是

51、缓和环境条件。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司铬铬-钼钢的回火脆性损伤钼钢的回火脆性损伤(TE)(1) 铬铬-钼钢回火脆性现象及其特征钼钢回火脆性现象及其特征铬铬-钼钢的回火脆性是将钢材长时间地保持在钼钢的回火脆性是将钢材长时间地保持在325575或者从这温度范围缓慢地冷却时，或者从这温度范围缓慢地冷却时，其材料的断裂韧性就引起劣化损伤的现象。它产生其材料的断裂韧性就引起劣化损伤的现象。它产生的原因是由于钢中的杂质元素和某些合金元素向原的原因是由于钢中的杂质元素和某些合金元素向原奥氏体晶界偏析，使晶界凝集力下降所至。奥氏体晶界偏析，使晶界凝集力下降所至。回火脆性对于抗拉强度和延伸率来说，几

52、乎没有反回火脆性对于抗拉强度和延伸率来说，几乎没有反映，主要是在进行冲击性能试验时才能观测到很大映，主要是在进行冲击性能试验时才能观测到很大的变化。材料一旦发生回火脆性，就使延脆性转变的变化。材料一旦发生回火脆性，就使延脆性转变温度向高温侧迁移。温度向高温侧迁移。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司铬铬-钼钢的回火脆性损伤钼钢的回火脆性损伤(TE)(2) 影响回火脆性的主要因素影响回火脆性的主要因素 影响回火脆性的主要因素很多，如化学成分、影响回火脆性的主要因素很多，如化学成分、制造时的热处理条件、加工时的热状态、强制造时的热处理条件、加工时的热状态、强度大小、塑性变形、碳化物的形态、使用时度

53、大小、塑性变形、碳化物的形态、使用时所保持的温度等等。而且有些因素相互间还所保持的温度等等。而且有些因素相互间还有关连，情况较为复杂。有关连，情况较为复杂。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司铬铬-钼钢的回火脆性损伤钼钢的回火脆性损伤(TE)化学成分的影响化学成分的影响n化学成分中的杂质元素化学成分中的杂质元素(如如P、Sn、As、Sb)和某些合和某些合金元素金元素(如如Si、Mn等等)对回火脆性影响很大。对回火脆性影响很大。n在工程应用上通常采用两个与化学元素有关的经验式来在工程应用上通常采用两个与化学元素有关的经验式来描述回火脆性的大小。描述回火脆性的大小。 J-系数系数，J=(Si+M

54、n)(P+Sn)104 (%)nJ-系数中化学成分按重量百分比计；系数中化学成分按重量百分比计； (X)系数系数，也称，也称Bruscato系数，即系数，即(X)=(10P+5Sb+4Sn+As)10-2 ppmn(X)系数中化学成分按系数中化学成分按ppm计。计。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司铬铬-钼钢的回火脆性损伤钼钢的回火脆性损伤(TE)热处理工艺的影响热处理工艺的影响n热处理工艺，主要是奥氏体化温度及其奥氏体热处理工艺，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有很大的影化后的冷却速度对回火脆性敏感性有很大的影响。响。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司铬铬-钼

55、钢的回火脆性损伤钼钢的回火脆性损伤(TE)(3) 回火脆化度的评价回火脆化度的评价 等温时效等温时效(Isothermal aging)处理，也处理，也即等温脆化处理。即等温脆化处理。 阶梯冷却或步冷法阶梯冷却或步冷法(Step Cooling)处理，处理，它在工程上被广泛地采用。它在工程上被广泛地采用。n所谓阶梯冷却法就是将试验材料的试样置于回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保温与冷却火脆化温度范围内阶梯式地进行保温与冷却(一一般多是采用般多是采用5个阶梯个阶梯)，使它发生回火脆化的方，使它发生回火脆化的方法。法。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司铬铬-

56、钼钢的回火脆性损伤钼钢的回火脆性损伤(TE)作为脆化度的定量表示，通常是通过采用作为脆化度的定量表示，通常是通过采用2毫米毫米V型缺口夏比试验获型缺口夏比试验获得的延性得的延性-脆性转变温度脆性转变温度vTrs的变化量的变化量vTrs或是以或是以54J(相当于相当于40英尺英尺-磅磅)夏比冲击吸收功的转变温度夏比冲击吸收功的转变温度vTr54的变化量的变化量vTr54来表来表示。示。vTrs或或vTr54越大，说明回火脆化度就越大。而且通常按越大，说明回火脆化度就越大。而且通常按下式来评定钢材下式来评定钢材(或焊缝或焊缝)的回火脆化倾向。的回火脆化倾向。式中：式中：nvTr54：脆化处理前：脆

57、化处理前V型缺口夏比冲击功为型缺口夏比冲击功为54焦耳时的对应温度，焦耳时的对应温度，；nvTr54：按阶梯冷却工艺进行脆化处理后与处理前的：按阶梯冷却工艺进行脆化处理后与处理前的V型缺口夏比冲型缺口夏比冲击功为击功为54焦耳时对应温度的增量，焦耳时对应温度的增量，；n：系数，原来为：系数，原来为1.5，由于要求越来越严，逐步增大到，由于要求越来越严，逐步增大到2.5或或3.0；n：规定满足的温度值，最早为：规定满足的温度值，最早为38，现已变为低于，现已变为低于38，如，如10或或0等。等。中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司铬铬-钼钢的回火脆性损伤钼钢的回火脆性损伤(TE)(4) 防止防止

58、2Cr-1Mo钢设备发生回火脆性破坏的若钢设备发生回火脆性破坏的若干措施干措施加氢裂化装置所选用的铬加氢裂化装置所选用的铬-钼钢，以钼钢，以2Cr-1Mo钢为多，而它又是几种铬钢为多，而它又是几种铬-钼钢中回火脆性敏感性钼钢中回火脆性敏感性较大的钢种，下面以它作为代表提出防止产生回火较大的钢种，下面以它作为代表提出防止产生回火脆性的一些措施。脆性的一些措施。n尽量减少钢中能增加脆性敏感性的元素尽量减少钢中能增加脆性敏感性的元素n制造中要选择合适的热处理工艺制造中要选择合适的热处理工艺n采用热态型的开停工方案采用热态型的开停工方案n采用合适的开停工升降温速度采用合适的开停工升降温速度中国石化集团

59、公司洛阳石油化工工程公司6 奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离(1) 堆焊层氢致剥离现象的特征堆焊层氢致剥离现象的特征从宏观上看，剥离的路径是沿着堆焊层和从宏观上看，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沿着观上看，剥离裂纹发生的典型状态有沿着熔合线上所形成的碳化铬析出区和沿着长熔合线上所形成的碳化铬析出区和沿着长大的奥氏体晶界扩展的两大类。大的奥氏体晶界扩展的两大类。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司6 奥

60、氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离剥离现象产生的主要原因：剥离现象产生的主要原因：n由于制作反应器本体材料的由于制作反应器本体材料的Cr-Mo钢和堆焊层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用的奥氏体不锈钢具有不同的氢溶解度和扩散速度，使堆焊层过渡区的堆焊层侧出现了很高速度，使堆焊层过渡区的堆焊层侧出现了很高的氢浓度；的氢浓度；n由于母材和堆焊层材料的线膨胀系数差别较大，由于母材和堆焊层材料的线膨胀系数差别较大，在界面上存在着相当可观的残余应力；在界面上存在着相当可观的残余应力；n由于制造中进行焊后热处理，在境界层上可能由于制造中进行焊后热处理，在境界层上可能会