洛阳院加氢反应器技术

1、加氢反应器加氢反应器技术技术黎黎 国国 磊磊2009年年2月月一一. 加氢反应器概述加氢反应器概述* * 加氢反应器是各种加氢工艺过程或加氢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，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是体现一个国家总体技术水平的重要标志之一。志之一。一

2、一. 加氢反应器概述（续）加氢反应器概述（续） * * 所谓加氢过程是催化加氢过程的总称，所谓加氢过程是催化加氢过程的总称， 其种类品牌繁多，其种类品牌繁多，API曾将其划分为三曾将其划分为三 大类：大类： 加氢处理加氢处理 加氢精制加氢精制 加氢裂化加氢裂化 一一. 加氢反应器概述（续）加氢反应器概述（续） * * 加氢反应器的分类加氢反应器的分类 按工艺过程特点分类有：按工艺过程特点分类有： 固定床反应器固定床反应器 移动床反应器移动床反应器 流化床反应器流化床反应器 按反应器使用状态分类有：按反应器使用状态分类有： 冷壁结构反应器冷壁结构反应器 热壁结构反应器热壁结构反应器加氢反应器的分

3、类加氢反应器的分类( (续续) ) 按反应器本体结构特征分类有：按反应器本体结构特征分类有： 单层结构单层结构 钢板卷焊结构钢板卷焊结构 锻焊结构锻焊结构 多层结构，多层结构，一般有：一般有： 绕带式绕带式 热套式等热套式等一一. 加氢反应器概述（续）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：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。满足工艺过程各种运作方案的需要。 使用可靠性高。使用可靠性高。 具体应体现在：具体应体现在： 满足力学强度要求满足力学强度要求 具有可靠的密封

4、性能具有可靠的密封性能 有较好的环境强度适应性有较好的环境强度适应性 便于维护和检修，所需时间短。便于维护和检修，所需时间短。 尽可能降低尽可能降低投资费用。投资费用。二二. 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。主要很快的发展，并取得显著的进步。主要 表现表现: :(1) 加氢反应器使用安全性不断提加氢反应器使用安全性不断提 高高: :(2) 为了获得较佳的经济效益，装置为了获得较佳的经济效益，装置 日趋大型化，同时

5、也带来了反应设备的日趋大型化，同时也带来了反应设备的 大型化。大型化。 具体表现如下：具体表现如下：二二. 反应器技术发展梗概（续）反应器技术发展梗概（续） ( (一一) )加氢反应器使用安全性不断提高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核心问题。使用安全性不断提高的主要表现主要表现： 设计方法的更新设计方法的更新由由“常规设计常规设计”即即“规则设计规则设计” ” 以以“应应力分析为基础的设计力分析为基础的设计”，即，即“分析设计分析设计” 设计结构的改进设计结构的改进本体结构：单层

6、本体结构：单层 多层多层 更高级的单层更高级的单层使用状态：冷壁结构使用状态：冷壁结构 热壁结构热壁结构细部结构的改进（见后）细部结构的改进（见后） ( (一一) )加氢反应器使用安全性不断提高（续）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。最终体现在材术、分析技术等等方面。最终体现在材料的内质特性料的内质特性( (纯洁性、致密性、均质纯洁性、致密性、均质性性) )非常优越。非常优越。 制造技术与装备水平的进步与提高制造技术与装备水平的进步与提高如

7、制造技巧与经验以及包括焊接、堆焊、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。水平都有很大进步与提高。 例如：例如：( (一一) )加氢反应器使用安全性不断提高加氢反应器使用安全性不断提高（续）（续） 单层堆焊技术单层堆焊技术 双丝焊接技术双丝焊接技术 多头堆焊技术多头堆焊技术 有堆焊层的反应器上下部有堆焊层的反应器上下部9090度弯管整体成形度弯管整体成形 技术技术 无损检测上采用的无损检测上采用的“TOFD”（Time of Flight Diffraction）技术）技术超声波衍射时差超声波衍射时差 法法

8、 大型（如大型（如150、160MN）自由锻造水压机，可自由锻造水压机，可 锻造最大毛坯外径达锻造最大毛坯外径达6500mm以上等以上等等装备的等装备的 建成投用建成投用二二. 反应器技术发展梗概（续）反应器技术发展梗概（续）( (二二) )设备向大型化发展设备向大型化发展 为了获取较佳的经济效益，装置日趋大型为了获取较佳的经济效益，装置日趋大型 化化, ,如：如： 美国建造了美国建造了325325万万t/a t/a 加氢裂化装置和加氢裂化装置和 480t/a480t/a加氢脱硫装置；加氢脱硫装置； 我国建造了我国建造了360t/a 360t/a 加氢裂化装置和加氢裂化装置和300t/a300

9、t/a 加氢脱硫装置。加氢脱硫装置。 设备的大型化带来了反应设备的大型化。设备的大型化带来了反应设备的大型化。( (二二) )设备向大型化发展设备向大型化发展 （续）（续） * *（国外大型化进展例）（国外大型化进展例）( (二二) )设备向大型化发展设备向大型化发展 （续）（续） * * （国内大型化进展例）（国内大型化进展例）( (二二) )设备向大型化发展设备向大型化发展 （续）（续）* * 为适应设备大型化的需要，高压加氢设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。备的现场组焊制造技术应运而生。 国外：国外：很早就开发了此项技术；很早就开发了此项技术； 国内：国

10、内：从从19961996年开始实施。特别是年开始实施。特别是2002 年年在条件很艰苦的内蒙古现场组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焊制造了当今世界上最重的21002100 吨反应器。积累了很宝贵的在现吨反应器。积累了很宝贵的在现 场组焊制造大型反应器的经验。场组焊制造大型反应器的经验。( (二二) )设备向大型化发展设备向大型化发展 （续）（续）二二. 反应器技术发展梗概（续）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 热壁加氢反应器技术的演变可划分为四个历史时期。热壁加氢反应器技术的演变可划分为四个历史时期。 如：如： 热壁加氢反

11、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的进展历程热壁加氢反应器技术的进展历程 时时 期期 技术特征技术特征 备备 注注第一个历史时期第一个历史时期 1972年以前年以前 开发初期开发初期第二个历史时期第二个历史时期 19731980 改进期改进期第三个历史时期第三个历史时期 19811987 成熟期成熟期第四个历史时期第四个历史时期 1988现在现在 更新期更新期 以开发成功新以开发成功新Cr-Mo钢为标志钢为标志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阶阶段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个个

12、历历史史时时期期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。分析设计。 设计对材料只提出满足力学性能及设计对材料只提出满足力学性能及 抗氢腐蚀和硫化氢腐蚀的要求；抗氢腐蚀和硫化氢腐蚀的要求；材料：冶炼由平炉材料：冶炼由平炉电炉，开始材电炉，开始材 料纯净度和均质性较差；堆焊：采料纯净度和均质性较差；堆焊：采 用用SAW工艺工艺( (末期开发出浅熔深堆末期开发出浅熔深堆 焊工艺）；使用中曾出现过焊工艺）；使用中曾出现过Cr-Mo 钢的回火脆化现象和不锈钢的氢脆钢的回火脆化现象和不锈钢的氢脆 损伤问题。损伤问题。热壁加氢反应器技术演变内容概况（续）热壁加氢

13、反应器技术演变内容概况（续）阶阶段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个个历历史史时时期期19731980改改进进期期设计：分析设计应用较普遍。设计对设计：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材料已提出控制回火脆化的要求( (如控如控 制制J-系数系数和和X系数系数) )。结构设计已有所。结构设计已有所 改进，一是尽量减小应力集中，二是改进，一是尽量减小应力集中，二是 方便在役检测；材料：冶炼由电炉方便在役检测；材料：冶炼由电炉( (或或 + +保温炉保温炉) ) 电炉电炉+ +炉外精炼技术炉外精炼技术( (如真如真 空碳脱

14、氧工艺及其它新的冶炼工艺的空碳脱氧工艺及其它新的冶炼工艺的 应用应用) )可以冶炼出低可以冶炼出低SiSi或低或低S S、P P，甚至，甚至 超低超低S S、P P且微量杂质元素含量很低的且微量杂质元素含量很低的 钢；钢；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）阶阶段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个个历历史史时时期期19731980改改进进期期焊接：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

15、极) )堆焊。而且堆焊。而且 在有关部位采取了在有关部位采取了PWHT后才堆焊后才堆焊 Tp.347的方法；的方法；制造：可制造出大型反应器用整体封制造：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阶段的反应器，回火脆化问题已基本 得到解决。得到解决。 但在此阶段末但在此阶段末发现了堆焊层氢致剥离发现了堆焊层氢致剥离 现象现象。 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）阶阶段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个个历历史史时时期期1

16、9811987成成熟熟期期综合应用针对使用中出现的各种损伤所综合应用针对使用中出现的各种损伤所开展的预防对策的多项研究成果，包括开展的预防对策的多项研究成果，包括在反应器的细部结构在反应器的细部结构( (如保温结构如保温结构) )上又上又有进一步改进，材料的纯净度进一步提有进一步改进，材料的纯净度进一步提高，高，J-系数和系数和X系数的控制不断趋严；系数的控制不断趋严；焊接方面，由于焊接设备、焊接材料和焊接方面，由于焊接设备、焊接材料和焊接结构的改进，焊缝质量大有提高。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

17、属的韧性。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。但由于有更其结果各种损伤发生极少。但由于有更加高温高压加高温高压加氢新工艺的出现，现有加氢新工艺的出现，现有反反应器用材料又存在难以满足要求的问题。应器用材料又存在难以满足要求的问题。 第三个历史时期综合应用改进的研究成果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的杂质元素和气体含量，提高了钢材的纯净度（如（如J-系数在系数在100以下；有害气体含量大为降低以下；有害气体含量大为降低等）。等）。 改善和提高焊

18、材的质量和纯净度，使焊缝的性能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。焊缝金属的与质量较好。焊缝金属的X系数一般都在系数一般都在11ppm以下。以下。 尽量省略堆焊层尽量省略堆焊层Tp.347的的PWHT，以提高其韧性。，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堆焊工艺有了改进，堆焊层抗剥离性能有较大提高。高。第三个历史时期综合应用改进的研究成果（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改进之一：反应器细部结构改进改进之一： 支持圈结构的改进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）第三个历史时期综合应用改进的研究

19、成果（续）* *反应器细部结构改进之二：反应器细部结构改进之二： 法兰密封槽法兰密封槽 的改进的改进 第三个历史时期综合应用改进的研究成果（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三：反应器细部结构改进之三： 裙座结构裙座结构 的改进的改进第三个历史时期综合应用改进的研究成果（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三：反应器细部结构改进之三： 裙座结构的改进（续）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）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：反应器细部结构改进之四： 增

20、设热箱增设热箱 第三个历史时期综合应用改进的研究成果（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反应器细部结构改进 之五：之五： 保温结构的改进保温结构的改进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）阶阶段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个个历历史史时时期期19881988现在现在更更新新期期 以开发新的以开发新的Cr-Mo钢，并很快得钢，并很快得 到推广应用，将加氢反应器技术到推广应用，将加氢反应器技术 推进到一个新的阶段。推进到一个新的阶段。 三三. 反应器本体结构特征反应器本

21、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：形式的本体结构，如： 单层结构单层结构 钢板卷焊结构钢板卷焊结构 锻焊结构锻焊结构 多层结构多层结构 绕带式绕带式 热套式热套式 等等等等 * * 结构形式选取取决于设备操作条件与规格、制造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。户需要与经验等。三三. 反应器本体结构特征（续）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，主要单层结构中的

22、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，一般有如下优理性和用户的需要。在选用锻焊结构时，一般有如下优 点：点：锻件的内质特性锻件的内质特性( (纯净性、致密性、均质性纯净性、致密性、均质性) )好；好；焊缝少，特别是没有纵焊缝，从而提高了反应器耐周焊缝少，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；向应力的可靠性；制造装配易保证；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可设计和制造成对于防止某些脆性损伤很有好处的 结构；结构；使用过程中

23、对焊缝检查维护的工作量少，无损检测容使用过程中对焊缝检查维护的工作量少，无损检测容易。易。锻造结构材料利用率低，当壁厚较薄时，其制造费用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，厚度大于相对较高。一般，厚度大于180mm180mm或更大时采用较或更大时采用较合适，合适，厚度越厚，厚度越厚，锻造结构的经济性更显优越。锻造结构的经济性更显优越。三三. 反应器本体结构特征（续）反应器本体结构特征（续）锻焊结构锻焊结构板焊结构板焊结构多层结构多层结构适适用用范范围围条件条件可用于高温可用于高温高压场合，高压场合，其最高使用其最高使用温度取决于温度取决于所用材料的所用材料的性能（如抗

24、性能（如抗氢腐蚀性能氢腐蚀性能等）。一般等）。一般宜用于厚度宜用于厚度大于大于180mm的场合的场合可用于高可用于高温高压场温高压场合，其最合，其最高使用温高使用温度取决于度取决于所用材料所用材料的性能的性能（如抗氢（如抗氢腐蚀性能腐蚀性能等）等）可用于高压，但温度可用于高压，但温度不宜太高。因为它存不宜太高。因为它存在结构上不连续性的在结构上不连续性的缺点，会造成较大的缺点，会造成较大的热应力和因缺口效应热应力和因缺口效应而使疲劳强度下降等。而使疲劳强度下降等。所以对于温度大于所以对于温度大于350和温度、压力和温度、压力有急剧波动的场合，有急剧波动的场合，选用应谨慎选用应谨慎最大厚最大厚度

25、度mm约约500约约300总厚约总厚约600。内筒厚。内筒厚约约20，层板厚，层板厚48三三. 反应器本体结构特征（续）反应器本体结构特征（续）锻焊结构锻焊结构板焊结构板焊结构多层结构多层结构设计时设计时的应力的应力分析分析可采用有限元法可采用有限元法等进行等进行 可采用有限元法可采用有限元法 等进行等进行 对层间和焊缝对层间和焊缝 部位的应力状部位的应力状 况需要根据实况需要根据实 验来分析验来分析材料材料选用选用1.须选择能满足须选择能满足力学性能和抗环力学性能和抗环境脆裂（如氢腐境脆裂（如氢腐蚀）性能的材料。蚀）性能的材料。2.为防止为防止H2S腐腐蚀要在内表面堆蚀要在内表面堆焊不锈钢堆

26、焊层。焊不锈钢堆焊层。1.须选择能满足力须选择能满足力 学性能和抗环境学性能和抗环境 脆裂脆裂( (如氢腐蚀如氢腐蚀) ) 性能的材料。性能的材料。2.为防止为防止H2S腐蚀腐蚀 要在内表面堆焊要在内表面堆焊 不锈钢不锈钢堆焊层堆焊层。1.内筒选用能抗内筒选用能抗氢腐蚀和氢腐蚀和H2S腐腐蚀的材料蚀的材料(如不如不锈钢锈钢)。2.层板可采用高层板可采用高强钢，以利设强钢，以利设备轻量化。备轻量化。三三. 反应器本体结构特征（续）反应器本体结构特征（续）锻焊结构锻焊结构板焊结构板焊结构多层结构多层结构材料内质材料内质特性（致特性（致密性、纯密性、纯净性、均净性、均质性）及质性）及材料利用材料利用

27、率率 筒节锻坯由于需经墩筒节锻坯由于需经墩粗、拔长、墩粗、冲粗、拔长、墩粗、冲孔的锻造加工过程，孔的锻造加工过程，可冲掉中心部位的偏可冲掉中心部位的偏析与夹杂，使筒节材析与夹杂，使筒节材料的内质特性得到改料的内质特性得到改善，从而提高反应器善，从而提高反应器的抗氢损伤能力。材的抗氢损伤能力。材料利用率相对较低。料利用率相对较低。在合适厚度在合适厚度范围内，采范围内，采用合适的冶用合适的冶炼工艺方法炼工艺方法钢板也能获钢板也能获得与锻件相得与锻件相近的特性。近的特性。材料利用率材料利用率相对较高。相对较高。 由于钢板较薄，其由于钢板较薄，其内在质量较容易保内在质量较容易保证。材料利用率相证。材料

28、利用率相对较高。对较高。 焊焊 缝缝仅有环焊缝，对提仅有环焊缝，对提高反应器耐周向应高反应器耐周向应力的可靠性有利。力的可靠性有利。而且焊缝少。而且焊缝少。有纵有纵, ,环焊环焊缝缝, ,焊缝多焊缝多焊接工作焊接工作量大。量大。有纵、环焊缝，焊有纵、环焊缝，焊缝多。但焊缝系薄缝多。但焊缝系薄( (或较薄或较薄) )板焊接，板焊接，其质量易保证。其质量易保证。三三. 反应器本体结构特征（续）反应器本体结构特征（续）锻焊结构锻焊结构板焊结构板焊结构多层结构多层结构 射线或超声射线或超声 检测检测易易易易难难声发射检测声发射检测易易较易较易较易较易焊后热处理焊后热处理必需必需必需必需一般不进行一般不

29、进行破坏行为破坏行为 超过临界裂超过临界裂 纹后迅速扩纹后迅速扩 展展 超过临界裂超过临界裂 纹后迅速扩纹后迅速扩 展展 缓慢地、阶缓慢地、阶 段地扩展段地扩展四四. 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。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。垢篮、冷氢箱、热电偶和出口收集器等。 *

30、* 主要内件的作用、典型结构及注意要点如下：主要内件的作用、典型结构及注意要点如下：四四. 反应器内件型式及作用（续）反应器内件型式及作用（续） 四四. 反应器内件型式及作用（续）反应器内件型式及作用（续）内件内件名称名称设置目的及有关设置目的及有关说明说明典型结典型结构型式构型式注注 意意 要要 点点 入口入口扩散扩散器器（或（或称预称预分配分配器）器）对于图示的对于图示的(b)(b)型，还可起到积型，还可起到积存进料中的一些存进料中的一些锈垢的作用。锈垢的作用。防止高速流体防止高速流体直接冲击液体分直接冲击液体分配盘，影响分配配盘，影响分配效果，从而起到效果，从而起到预分配的作用。预分配的

31、作用。见图见图5 5(a)(b)(a)(b)(a)(a)型：型：进料方向应垂直于入口扩散进料方向应垂直于入口扩散 器上的两条开孔；器上的两条开孔；两层水平档板上的开孔应对两层水平档板上的开孔应对 中；中；水平挡板上的开孔应垂直于水平挡板上的开孔应垂直于 板面。板面。(b)(b)型：型：根据液体及沉积物量确定长根据液体及沉积物量确定长 槽孔的大小、数量和位置。槽孔的大小、数量和位置。四四. 反应器内件型式及作用（续）反应器内件型式及作用（续）四四. 反应器内件型式及作用（续）反应器内件型式及作用（续）内件内件名称名称设置目的设置目的及有关说及有关说明明典型典型结构结构型式型式注注 意意 要要 点

32、点 气液气液分配分配盘盘使进入使进入反应器的反应器的物料均匀物料均匀分散，与分散，与催化剂颗催化剂颗有效触，有效触，充分发挥充分发挥催化剂的催化剂的作用。作用。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 合适填料垫密。安装后充水合适填料垫密。安装后充水100 mm高，在高，在5分钟内液位降低小分钟内液位降低小 于于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5mm 6 mm控制，对于溢流型，控制公控制，对于溢流型，控制公 差应稍严

33、；差应稍严；四四. 反应器内件型式及作用（续）反应器内件型式及作用（续）内件内件名称名称设置目的及设置目的及有关说明有关说明典型典型结构结构型式型式注注 意意 要要 点点 气液气液分配分配 盘盘目前国内目前国内外所用的分外所用的分配器按其作配器按其作用机理大致用机理大致可分为溢流可分为溢流型和型和( (抽吸抽吸) )喷射型两类喷射型两类或二者机理或二者机理兼有的综合兼有的综合型型。 见图见图6(a)(b)配盘的设计荷载，应包括通配盘的设计荷载，应包括通 过分配盘的压力降过分配盘的压力降P、盘上、盘上 的液量及分配盘自重的液量及分配盘自重( (按最大按最大 的操作温度考虑的操作温度考虑) )。此

34、外，还要考虑到检修的工此外，还要考虑到检修的工 况，其支承件至少同时也要况，其支承件至少同时也要 满足常温下承受满足常温下承受90120kg集集 中荷载的要求。中荷载的要求。 四四. 反应器内件型式及作用（续）反应器内件型式及作用（续）四四. 反应器内件型式及作用（续）反应器内件型式及作用（续）内件内件名称名称设置目的及有关说设置目的及有关说明明典型典型结构结构型式型式注注 意意 要要 点点积积垢垢篮篮( (注注) )积垢篮置于催化剂积垢篮置于催化剂 床层的顶部，系由床层的顶部，系由各种规格不锈钢金各种规格不锈钢金属丝网与骨架构成属丝网与骨架构成的篮筐。它为反应的篮筐。它为反应器进料提供更多的

35、器进料提供更多的径向方向的流通面径向方向的流通面积积, ,使催化剂床层可使催化剂床层可聚集更多的锈垢和聚集更多的锈垢和沉积物而不致引起沉积物而不致引起床层压降过分地增床层压降过分地增加。加。见下见下图图积垢篮在装入反应器内时积垢篮在装入反应器内时, , 其篮筐内应是空的。在装其篮筐内应是空的。在装 填催化剂时一定要注意这填催化剂时一定要注意这一点；一点；积垢篮按三角形排列，安积垢篮按三角形排列，安 装时用链条将其连在一起装时用链条将其连在一起, , 并栓到上面的分配器支承并栓到上面的分配器支承 梁上，其栓紧链条要有足梁上，其栓紧链条要有足 够的长度裕量以适应催化够的长度裕量以适应催化 剂床层的

36、下沉剂床层的下沉( (按下沉按下沉5 5 考虑考虑) )。 四四. 反应器内件型式及作用（续）反应器内件型式及作用（续）(注注)： 近多年来近多年来 采用在顶采用在顶 部装填大部装填大 孔隙惰性孔隙惰性 多孔球或多孔球或 脱金属催脱金属催 化剂措施化剂措施 而替代积而替代积 垢篮。垢篮。四四. 反应器内件型式及作用（续）反应器内件型式及作用（续）内件内件名称名称设置目的及有关设置目的及有关 说明说明典型结典型结构型式构型式注注 意意 要要 点点冷冷氢氢箱箱用以控制加氢放用以控制加氢放 热反应引起的催热反应引起的催 化剂床层温升，化剂床层温升， 图示的冷氢箱结图示的冷氢箱结 构由冷氢管、冷构由冷

37、氢管、冷 氢盘、再分配盘氢盘、再分配盘 组成，可使来自组成，可使来自 上面床层的反应上面床层的反应 物料和起冷却作物料和起冷却作 用的冷氢充分混用的冷氢充分混见图见图8冷氢管内设置的隔档板冷氢管内设置的隔档板应使从两个开孔中喷出应使从两个开孔中喷出的氢气量是相当的；的氢气量是相当的；为发挥冷氢的作用效果，为发挥冷氢的作用效果，冷氢盘和冷氢箱部分应冷氢盘和冷氢箱部分应用填料填密，以保证不用填料填密，以保证不漏液，可按气液分配盘漏液，可按气液分配盘的试漏标准验收；的试漏标准验收；冷氢盘和喷射盘的安装冷氢盘和喷射盘的安装四四. 反应器内件型式及作用（续）反应器内件型式及作用（续）内件内件名称名称设置

38、目的及设置目的及有关说明有关说明典型结典型结构型式构型式注注 意意 要要 点点冷冷氢氢箱箱混合，而又将具混合，而又将具有均匀温度的气有均匀温度的气液混合物再均匀液混合物再均匀分配到下部的催分配到下部的催化剂床层上。化剂床层上。见图见图8水平度，包括制造公差、水平度，包括制造公差、荷载作用下的挠度等在荷载作用下的挠度等在内，可按内，可按6mm6mm控制。再控制。再分配盘的要求与气液分分配盘的要求与气液分配盘同。配盘同。四四. 反应器内件型式及作用（续）反应器内件型式及作用（续）四四. 反应器内件型式及作用（续）反应器内件型式及作用（续）内件内件名称名称设置目的及设置目的及有关说明有关说明典型结典

39、型结构型式构型式注注 意意 要要 点点热热电电偶偶为监视加氢放热反应引起床层为监视加氢放热反应引起床层温度升高及床层截面温度分布温度升高及床层截面温度分布状况而对操作温度进行监测。状况而对操作温度进行监测。热电偶的安装有从筒体上径向热电偶的安装有从筒体上径向插入和从反应器顶封头上垂直插入和从反应器顶封头上垂直方向插入的方式。在径向水平方向插入的方式。在径向水平插入的形式中又有插入的形式中又有横跨整个截横跨整个截面的和仅插入一定长度的两种面的和仅插入一定长度的两种情况。以往床层测温基本采用情况。以往床层测温基本采用铠装热电偶。近年多数在采用铠装热电偶。近年多数在采用铠装热电偶的同时，还采用了铠装

40、热电偶的同时，还采用了一种称为柔性热电偶一种称为柔性热电偶 (flexible见图见图9(a)(b) (c) () 对径向水平插入对径向水平插入的热电偶套管要注意的热电偶套管要注意由于操作过程催化剂由于操作过程催化剂下沉和停工检修卸出下沉和停工检修卸出催化剂时被压弯的可催化剂时被压弯的可能性能性, ,特别是当反应特别是当反应器直接较大时更不可器直接较大时更不可忽视；忽视；（）径向水平插入径向水平插入一定长度的热电偶，一定长度的热电偶，其套管与反应器筒体其套管与反应器筒体在现场焊接的焊缝曾在现场焊接的焊缝曾四四. 反应器内件型式及作用（续）反应器内件型式及作用（续）内件内件名称名称设置目的及设置

41、目的及有关说明有关说明典型结典型结构型式构型式注注 意意 要要 点点热热电电偶偶 thermocouples）的结构，它可的结构，它可在一个热电偶开口接管上设置高在一个热电偶开口接管上设置高密度的测点，并具有快速反应时密度的测点，并具有快速反应时间（间（48s）和对床层温度飘移能）和对床层温度飘移能迅速反应等特性，可对床层截面迅速反应等特性，可对床层截面温度进行许多点测量，因而可对温度进行许多点测量，因而可对工艺过程进行有效的控制。工艺过程进行有效的控制。另外，为了监控反应器器壁金属另外，为了监控反应器器壁金属的温度情况，也往往在反应器外的温度情况，也往往在反应器外表面的筒体圆周上或封头和开口

42、表面的筒体圆周上或封头和开口接管的相关部位设置一定数量的接管的相关部位设置一定数量的表面热电偶。表面热电偶。见图见图9(a)(b) (c) 有发生裂纹的实例，有发生裂纹的实例，因此在设计时对于确因此在设计时对于确定的设置位置应尽可定的设置位置应尽可能为现场施焊创造较能为现场施焊创造较为方便的条件，同时为方便的条件，同时施焊操作也要更加细施焊操作也要更加细心；心；()()顶部垂直插入的顶部垂直插入的热电偶套管，当长度热电偶套管，当长度较长时，要适当设置较长时，要适当设置导向结构，以利套管导向结构，以利套管在操作状态下因受热在操作状态下因受热伸长时而不受到阻碍。伸长时而不受到阻碍。 四四. 反应器

43、内件型式及作用（续）反应器内件型式及作用（续）四四. 反应器内件型式及作用（续）反应器内件型式及作用（续）内件内件名称名称设置目的及设置目的及有关说明有关说明典型结典型结构型式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用于支承下部的催化剂床层，以催化剂床层，以减轻床层的压降减轻床层的压降和改善反应物料和改善反应物料的分配。的分配。 见图见图10出口收集器与下封出口收集器与下封头的下沿或与其连头的下沿或与其连接的定心环圆周上接的定心环圆周上应设数个缺口，以应设数个缺口，以便停工时排液用。便停工时排液用。 四四. 反应器内件型式及作用（续）反应器内件型式及作用（续）四四. 反应器内件

44、型式及作用（续）反应器内件型式及作用（续） * * 内件设计中的主要考虑：内件设计中的主要考虑： 从工艺角度说：从工艺角度说： 最关键的一点是要使反应进料最关键的一点是要使反应进料( (气液相气液相) )与催化与催化 剂颗粒剂颗粒( (固相固相) )三相间有效地接触，在催化剂三相间有效地接触，在催化剂床床 层内不发生流体偏流现象。层内不发生流体偏流现象。 从设备设计角度说：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，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。所

45、占高度，以最大限度地利用反应器容积。五五. 反应器主要损伤型式与材料选择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。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。式及其对策。高温氢腐蚀高温氢腐蚀氢脆

46、氢脆高温硫化氢氢腐蚀高温硫化氢氢腐蚀铬铬- -钼钢的回火脆性损伤钼钢的回火脆性损伤连多硫酸应力腐蚀开裂连多硫酸应力腐蚀开裂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五五. 反应器主要损伤型式与材料选（续）反应器主要损伤型式与材料选（续）（一）（一） 高温氢腐蚀高温氢腐蚀 (HAHydrogen Attack)1. 高温氢腐蚀形式高温氢腐蚀形式 * 表面脱碳表面脱碳 * 内部脱碳与开裂内部脱碳与开裂 * 表面脱碳：表面脱碳： 表面脱炭不产生裂纹，表面脱碳的影响一般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很轻，只是钢材的强度和硬度局部有所下降 而

47、延性提高。而延性提高。（一）（一） 高温氢腐蚀（续）高温氢腐蚀（续） * 内部脱碳：内部脱碳： Fe3C+2H2CH4+ 3Fe 使钢材产生龟裂、裂纹或鼓泡，导致钢材使钢材产生龟裂、裂纹或鼓泡，导致钢材 强度、延性和韧性显著下降。强度、延性和韧性显著下降。 具有不可逆的性质，也称具有不可逆的性质，也称永久脆化现象永久脆化现象。 进展过程：甲烷气泡形核进展过程：甲烷气泡形核成长成长气泡气泡 串通产生晶间微裂纹串通产生晶间微裂纹连通形成断裂通道。连通形成断裂通道。 高温氢腐蚀要经过一段时间。即，有一个高温氢腐蚀要经过一段时间。即，有一个 “孕育期孕育期”（或称潜伏期）。（或称潜伏期）。（一）（一）

48、 高温氢腐蚀（续）高温氢腐蚀（续） “孕育期孕育期”的特征：的特征： 在此阶段，甲烷气泡形成，成长慢，未串通，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。钢材力学性能不发生明显改变。 “孕育期孕育期”概念的应用：概念的应用： 在工程上可利用在工程上可利用“孕育期孕育期”的概念来的概念来确定设备确定设备 和管道所选用钢材能安全使用的大致时间。和管道所选用钢材能安全使用的大致时间。 影响影响“孕育期孕育期”的因素：的因素： 包括钢种、氢压、温度、冷作程度、杂质元素含量包括钢种、氢压、温度、冷作程度、杂质元素含量 和作用应力等因素。和作用应力等因素。（一）（一） 高温氢腐蚀

49、（续）高温氢腐蚀（续） 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（1）温度、压力和暴露时间的影响温度、压力和暴露时间的影响 温度和压力对氢腐蚀的影响很大。温度和压力对氢腐蚀的影响很大。 温度越高或者压力越大温度越高或者压力越大, ,发生高温氢腐蚀的发生高温氢腐蚀的 起始时间就越早。起始时间就越早。 （2）合金元素和杂质元素的影响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等），就可提高钢材抗高温氢腐蚀的能力 。（

50、一）（一） 高温氢腐蚀（续）高温氢腐蚀（续）(a) 下图是不同合金元素对抗氢腐蚀的效应下图是不同合金元素对抗氢腐蚀的效应（一）（一） 高温氢腐蚀（续）高温氢腐蚀（续）(a)下图是不同合金元素对抗氢腐蚀的效应下图是不同合金元素对抗氢腐蚀的效应（一）（一） 高温氢腐蚀（续）高温氢腐蚀（续） (b) 关于杂质元素的影响关于杂质元素的影响 在针对在针对21/4Cr-1Mo钢的研究中已发现，钢的研究中已发现，锡锡、锑锑 会增加甲烷气泡的密度，且会增加甲烷气泡的密度，且锡锡还会使气泡直径还会使气泡直径 增大，从而对钢材的抗氢腐蚀性能产生不利影增大，从而对钢材的抗氢腐蚀性能产生不利影 响响. .（3）热处理

51、的影响热处理的影响 (a) 不同显微组织的影响不同显微组织的影响 (b) 淬火后不同回火温度的影响淬火后不同回火温度的影响 (c) PWHT的影响的影响 （一）（一） 高温氢腐蚀（续）高温氢腐蚀（续）(a) 不同显微组织的影响不同显微组织的影响 淬火回火：淬火回火： 回火贝氏体回火贝氏体 正火回火：正火回火： 铁素体铁素体 回火贝氏体回火贝氏体 Q+T和和N+T材经氢腐蚀后的力学性能变化材经氢腐蚀后的力学性能变化 （材料：（材料：1.5Cr-0.5Mo,PH2:24.5MPa,加热温度加热温度:550） （一）（一） 高温氢腐蚀（续）高温氢腐蚀（续）(b) 淬火后不同淬火后不同 回火温度的回火

52、温度的 影响影响 淬火后回火温度对氢腐蚀的影响淬火后回火温度对氢腐蚀的影响 （材料：（材料：21/4Cr-1Mo）（一）（一） 高温氢腐蚀（续）高温氢腐蚀（续）(c) PWHT的影响：的影响： 铬铬- -钼钢设备，是否施行焊后热处理其高抗氢腐钼钢设备，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，蚀效果大不一样。曾有试验证明，21/4Cr-1Mo钢钢焊缝若不进行焊后热处理，则发生氢腐蚀的温度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将比纳尔逊（Nelson）曲线表示的温度曲线表示的温度低低100以上以上。（4）应力的影响应力的影响 应力存在会产生不利影响。特别是二次应力应

53、力存在会产生不利影响。特别是二次应力 的存在会加速高温的存在会加速高温氢腐蚀。氢腐蚀。（一）（一） 高温氢腐蚀（续）高温氢腐蚀（续） 3. 高温高压氢环境的材料选用及注意要点高温高压氢环境的材料选用及注意要点 (1) 选材依据：选材依据： * * 通常都按原称为的通常都按原称为的“纳尔逊纳尔逊(Nelson)(Nelson)曲线来选择。曲线来选择。 * *“纳尔逊曲线纳尔逊曲线”最早由最早由G.A.Nelson于于1949年提出。年提出。 * * 1970年首次由年首次由API作为作为API出版物出版物 941(第第1版版)发行。发行。 * * “ “纳尔逊曲线纳尔逊曲线”曾经多次修订，从曾经

54、多次修订，从19971997年起改为年起改为 API RP(推荐准则推荐准则) 941（第（第5版）。版）。 * * API 941一直是最有用的抗高温氢腐蚀选材的一个一直是最有用的抗高温氢腐蚀选材的一个 指导性文件。指导性文件。 （一）（一） 高温氢腐蚀（续）高温氢腐蚀（续） 临氢作业用钢防止脱碳和微裂的操作极限（第临氢作业用钢防止脱碳和微裂的操作极限（第6版）版）（一）（一） 高温氢腐蚀（续）高温氢腐蚀（续）(2) 注意要点：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。时其它重要因素引起的损伤。 *

55、 * 使用时务必选用最新版的曲线，以保证使用的可靠使用时务必选用最新版的曲线，以保证使用的可靠 性（现最新版为性（现最新版为第第6版版2006年）年） * * 在实际应用中，焊接接头处的氢腐蚀行为更不可忽在实际应用中，焊接接头处的氢腐蚀行为更不可忽 视。视。 * * 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，控制非金属夹杂物的含量和降低作杂质元素含量，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。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。选材时要留有适当裕量。五五. 反应器主

56、要损伤型式与材料选（续）反应器主要损伤型式与材料选（续）（二）（二）氢脆氢脆 (HEHydrogen Embrittlement) 1. 氢脆现象特征氢脆现象特征 * * 是氢残留在钢中所引起的脆化现象。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产生氢脆的钢材，其延伸率和断面收缩率显著下 降。降。 * * 当给予特定条件时氢又可从钢中释放出来，使钢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。所以氢脆是的性能得到恢复。所以氢脆是可逆的可逆的，也称作一，也称作一 次脆化现象。次脆化现象。 * * 氢脆发生的温度从室温氢脆发生的温度从室温约约

57、150的范围。随温度的范围。随温度 升高，氢脆效应下降，当温度超过升高，氢脆效应下降，当温度超过7182时不时不 太容易发生。太容易发生。所以所以, ,实际装置中氢脆损伤往往发生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。在装置开、停工过程的低温阶段。（二）（二） 氢氢 脆脆( (续续) ) 2. 影响氢脆的有关因素：影响氢脆的有关因素： * * 氢脆敏感性随钢材强度提高而增加。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。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

58、切相关。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。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在发生氢脆温度下，存在着亚临界裂纹不扩展的氢浓度氢浓度，称为安全氢浓度。称为安全氢浓度。（它与钢材的强度水平、（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）。裂纹尖端的拉应力大小以及裂纹的几何尺寸有关）。（二）（二） 氢氢 脆脆( (续续) ) K1H与抗拉强度和氢含量的关系与抗拉强度和氢含量的关系（二）（二） 氢氢 脆脆( (续续) ) 3. 加氢设备的

59、氢脆损伤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。收一定量的氢。 * * 停工过程冷却速度太快，氢来不及扩散出去，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。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，则影已有氢脆的材料，一旦再产生回火脆化，则影 响更大。响更大。 （二）（二） 氢氢 脆脆( (续续) ) 氢脆与回火脆化叠加的影响氢脆与回火脆化叠加的影响（二）（二） 氢

60、氢 脆脆( (续续) ) * * 加氢反应器中发生氢脆的现状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近期已很少看到反应器母材发生氢脆损伤的 报道。报道。 原因原因:冶炼技术进步；钢材质量明显提高冶炼技术进步；钢材质量明显提高（S、 P含量与有害气体含量低，非金属夹杂物含量与有害气体含量低，非金属夹杂物 少）。少）。 (b) 但，但，反应器内部的奥氏体不锈钢焊接金属时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，并伴有有发生氢脆开裂的现象，并伴有相脆化。相脆化。 （二）（二）氢氢 脆脆 ( (续续) ) 奥氏体不锈钢氢脆裂纹特征奥氏体不锈钢氢脆裂纹特