重油加氢反应器首次检验与技术分析

1、他 池 t 0 三重油加氢反应器首次检验与技术分析first exam ination of heavy o il hydrogenation reactors andtechno logical a naly sis齐鲁石化公司 栾春远高加东this paper presents the inspectbn technology scheme w hich is econom ical and reasonable three inspection units took part in the inspectbn and gave the inspectior results the con

2、cerned problem s of theimalah hydrogenation reactors were analyzec through technical methods矢键词：热壁加氢反应器 检验 技术分析1 刖吕齐鲁石化公司胜利炼油厂有在用热壁加氢 反应器14台，其中6台渣油加氢装置 (vrds)的位号为 r131(k r1311、r1320、 r 1321、r 1330、r 1331, 2125c r- im o 锻焊卑 构加氢反应器；蜡油加氢装置(sso t )有1台 位号为r1210. 2125cr- im o、锻焊结构加氢反 应器；一加氢装置有两台1125cr- ol

3、no、板 焊结构，位号为r 101加氢反应器、r 201脱蜡 反应器；二加氢装置有两台2125cr- imo、锻 焊结构，位号为r101和r201加氢箱制反应 器；重整装置有3台2125cr- im o、板焊结构， 位号为反202重整第二反应器 反202.0重 整第三反应器，反203重整后加氢反应器。1998年炼油改造，新建140万吨.於匸加 氢裂化装置中有两台2125cr- imo、锻焊结 构，反应器。vrds装置新增r 1305a、r 1305b两 台材质为3cimo- l./v- ti- b、锻焊结 构加氢裂化反应器。上述18台热壁加氢反应器中，高压、 锻焊结构的有13台，具有最大内径的

4、设备为 r 1305a力，d ,= 4000mm;具有最大壁厚的设 备为r401,山263+ 715mm;具有最大重量的 设备为r401千吨级反应器。除重整装置3台 反应器由兰石厂制造,vrds的r 1310、二加氢 的r 101和r20k新增的r401和r402共5台 由一重制造外，其余的全部为jsw制造，整台 进口。1996年大修，公司安排1991年投用的 r1310、r131k r1210三台重油加氢反应器同 时进行首次定期检验，委托洛阳石化公司的中 石化设备质量监督检测中心站承担r1310、合 肥通用所承担r1311、北钢院承担r1210定检 任务，并组织实施下列工作：（1）胜利炼油厂

5、成立检验工作领导小组，建 立检验质量保证体系；（2）成立专家组，审查完善统一的检验技 术方案;（3）成立无损检测专家小组，负责统一标 准试块，上岗前统一调校仪器，检验过程中对 检验单位查出的缺陷进行复查确认；（4）举办现场检验培训班，专题报告有：1）检验技术方案；2）热壁加氢反应器检验技术与材料特性；3）超声波检测技术;三台加氢反4）应器的运行报告;制造质量的5）监造报告。由于准备工作充分，组织措施有效，现场 质保体系运转良好，所以在停工大修规定的有 限时间内，顺利地完成了三台锻焊结构热壁加 氢反应器的定检任务。表i号 位<13r1o2 n rm o (m( 厚- 层1 朋质 堆5959

6、59128 n2811267设计条压 验 试v/|454544454a p 力jz x17 pa°c i /(xm度质 压温介iv卩 筒22f22 f2 f2头 封2 cl 2, 22 cl2,22 cl922材座 h2 cl 2. 22 g ?22 cl.2.21r7070上 兰 法 接22f22f22f22f22f22f+2h2h2h年589983遗222补年5819983遗 刀k 22木年581998战 刀卜22-«年889年8 89年8892技术特性三台重油加氢反应器的技术特性见表1, 结构见表2, r1311的结构见图1。r1311、r1210均由口本jsw室兰制

7、作所 设计制造。r1310是由jsw室兰制作所于1987年1 月设计的，于同年反承包，并在其监造、指导 下由中国第一重型机器厂试制的第一台重 182t锻焊结构热壁加氢反应器。 74 图1r1310与r1311的总休结构与尺寸相同，r1311有2个筒节。两者的差异仅在于r1310有3个筒节，而表2序号结构要素r1310r1311r 12101筒节3262壳体a类+b类焊接接头嵌2+ 22+ 12+ 53入式接管与壳体d类接头4474人孔接管1115进料弯管出1116料弯管冷氢1117管卸剂管0048支持凸台热2919电偶凸台11510外壁测温台773411人孔法兰螺柱进14144612料管法兰螺

8、柱出20- 3 y x98020- 3 ljt x98020- 3 ljt x98013料管法兰螺柱12- 2h x48012- 2” x48012- 2” x48014n2卸剂管法乂螺柱12- 2h x48012- 2° x48012- 2” x6315n3卸剂管法兰螺柱12- 3 ljt x78012- 3 ijt x78012- 3 ljt x48016进料弯管上的吊耳12- t x48012- 2” x480017111注：序号3, asv1e划为d类.gb 150划为a类。311选择检验单位2125cr- imo钢制加氢反应器是在用圧 力容器中足期检验最复杂、最困难的设备，

9、有 些检验项目和安全状况等级评定项目已经超出 在用压力容器检验规程的范围。因此，该谡 备的定检工作不是所有持检验许可证的检验单 位都能胜任的。由于一次定期检验费用昂贵，潜 在危险性大，所以使用单位必须选择技术水平 高的，且有检验加氢反应器业绩的检验单位章 担定检任务。312检验技术方案国内外检验经验表明，选择新生缺陷可儀 发生的部位和制造产生先天缺陷的部位作为肯 部检查的重点是可行的，经济上也是合理的。（1）重点部位拟定3台反应器共同的重点部位有：1）反应器本体a、b、d类焊接接头；2）下封头与裙座对接的环向接头；3）上下弯管环向对接接头； 75 76 4）壳体内壁支持凸台；5）壳体内壁堆焊层

10、（含人孔、锥形头盖内 表面堆焊层）；6）人孔配对的法兰梯形密封槽及八角垫 等；7）热电偶套管及托架；8）筒体内壁热电偶凸台圆柱面及根部；9）连接构件所有角焊缝（如外璧测温台、 上弯管处吊耳 内壁支持凸台、热电偶套管及 托架等）；10）上下封头母材全面积；11）壳体外壁a、b类焊缝接头中心上下 40qnm环形段（若与10）有重叠，则同一检验 项目在重叠区域内不能重复检验）；12）嵌入式接管（如人孔、出料管、卸剂 管、冷氢管等）与壳体连接的d类对接接头中 心外半径20qnm包容的母材表面；13）支持凸台中心上下40qnm的环形段 （若与10）、11）有重叠，则同一检验项目在重 叠区域内不能重复检验

11、）；14）热电偶套管插入孔及0 3oqnm邻近辰 边；15）所有焊补处；16）高压螺柱螺母。（2）超声波检测1）条中 1）、3） 100%分别采用215p20d直探头215pkl 215pk2两种斜探头从外壁对a、b类接头 上 下弯管环向接头均进行共计9个方向扫查，对 d类接头共计进行7个方向扫查。直探头扫查时，将无缺陷处二次底波调节 为荧光屏满幅100%作为探测灵敏度，缺陷信 号超过荧光屏满幅20%,应予以记录。斜探头扫查时，垂直焊缝方向灵敏度为0 1 x6- 6db,平行焊缝方向灵敏度为0 1 x6- 12dbo2）（1）条中 2） 100%分别采用215pk115、215pk210两种斜

12、探 头从外壁沿平行和垂直环向接头方向进行共计8次扫查，灵敏度为0 1x69db.,3）（1）条中 4） 100%分别采用215p20-d直探头与215pkl 215pk115两种斜探头从外壁对支持凸台进行 共计9个方向扫查；直探头以0 4当量灵敏度 进行扫查，并确定、标记支持凸台的位置；斜 探头以0 36db灵敏度进行扫 查。4）堆焊层界面首先分别采用215p0 2o直探头、5n14窄 脉冲直探头对（1）条中10）、12）和13）所划 定的范围从外壁进行100%扫查，然后用215p 0 1（）双晶立探头从内壁对应方位复查，记录二 0 10当量缺陷，确定界面剥离尺寸和位置。5）堆焊层层下首先分别

13、采用215pk1斜探头、215pk 1纵 波斜探头对 条中10）、11）、 和13）所 划定的范围从外壁沿带极堆焊方向和垂克带极 堆焊方向进行共计8次扫查，然后采用70双晶 斜探头从内壁对应方位进行共计4个方向复查 时记录0 3x40当量缺陷。国内加氢反应器定期检验没有发现一例层 下裂纹等缺陷，国内学者对产牛层下裂纹的可 能性存在分歧。因此，齐鲁石化公司今后安排 加氢反应器定期检验时，将对该项目检查作如 下调整：a 1若在上述范围内对堆焊层界面u t扫 查，没有发现剥离，堆焊层表面没有裂纹，则 取消层下裂纹的检查项冃；b 1若发现界面有剥离，则仅在剥离的区域 内扫查层下缺陷。6）高压螺柱u t

14、条件：al 仪器：cts22;bl探头类型：5n15;cl耦合剂：机油；dl对比试块：同型尺寸螺纹根部切割深度el探测面：从螺柱两端进行探测；fl灵敏度：将对比试件上深1mm人工槽冋波高度调整到仪器荧光屏满幅80%作为起 始灵敏度。(3) 磁粉检测1) (1)条中1),但其中下封头与筒体的a 类接头除外，2)、3)、9)屮仅吊耳处角接接头 和14)均为100%c2) 采用磁辘法两次交叉磁化。3) 缺陷记录要求：al任何裂纹；bl任何横向缺陷显示；cl长度 115mm线性缺陷显示；d 1单个尺寸圆形缺陷显示。(4) 渗透探伤1) (1)条5)、6)、7)中热电偶套管表面、8)、9)屮除吊耳均为1

15、00%o2) 对大面积受检部位，可采用水洗型探伤 方法，对局部受检部位，采用溶剂去除型探伤 方法。3) 缺陷记录耍求同(3)条3)。(5) 壁厚测定1) 测厚部位al上下封头：选择上、中、下三个横截面, 分别在其0°、90°、180。、270°方位共测12点;bl筒节：距b类接头中心200hnn处横截 面上沿0°、90 180 270°方位共测4点；cl嵌入式接管：任选一个横截面，沿()'、 90"、180 ； 270。方位共测4点;dl上下弯管：在每个管段中间截面上沿上 述四个方位共测4点。2) 上述部位的测厚应分别给出母材

16、厚度和 堆焊层厚度。(6) 硬度测定1) 测定部位al条1)、2)、3),每个焊接接头测1 组，每组分别给出焊缝、热影响区、母材的硬 度值；bl (1)条6),在每个检测的法兰梯形密封 槽底沿0°、90°、180°、270°四个方位共测4点。 每个八角垫非密封面共测4点；cl (1)条15),检测的每个螺柱端部各测 1点，检测的每个螺母测1点。2) 采用便携式硬度计进行测定。(7) 堆焊层铁素体含量测定采用便携式铁 素体仪在上封头、筒节的内壁堆焊层上，分别对不同规格的焊带,制造时7 工补焊处，以及查岀裂纹处现场测定铁素体含 量。(8) 金相检验对壳体的a

17、类接头、弯管的环向接头内壁 堆焊层手工补焊处，以及查出裂纹的部位，采 用现场观察或金相复膜进行金相组织分析。(9) x、丿系数从筒节母材、b类接头各选1处分别取样 进行全成份分析，计算x、丿系数。(10) 提交报告1) 检验评定综合报告；2) 原始资料审查报告；3) vt检测报告；4) ut检测报告；5) mt检测报告；6) pt检测报告；7) 材料检验报告；8) 强度校核;检验9) 结论。313检验结果经检查，内外表面无腐蚀，无表面裂纹，结 构合理，各类接头无余高,实测最小厚度均大于 母材和堆焊层图样厚度，无损检测没有发现记 录缺陷，硬度合格，金相组织正常，铁素体 含量均为314 417%,

18、 x、./系数小于规定值。三个检验单位的检验结论为：安全状况等 级评定为1级,可在原操作条件下继续使用，下 一检验周期为6年。4技术分析411强度校核(1) 堆焊层堆焊层仅作耐蚀用，原设计要求tp. 34兀 77 http:/vvww. cnki. net 78 最小有效厚度5mm作为腐蚀裕量。因此，计算 疗度不应包括堆焊层的疗度，堆焊层不应计入 强度。(2) 按 a sm e? 2 设计，sa 336f22, 3类在设计温度454时设计应力强度 15(m pa。(3) 不能取用450'c下实测的r，值计算设 计应力强度，因为450 c不是规定的设计温度， 实测的b值高于标准值。导致错

19、误结果是检验 时计算厚度小于原设计的计算厚度。412硬度(1) 母材硬度asem： sa 336j5a 33ri高温承压件 用合金钢锻件没有规定sa 336f22, 1类和 3类锻件硬度值。设计规定母材、热影响区和焊 缝金属的硬度h b<225o(2) 八角垫和法兰梯形密封槽八角垫的设 计选材为sa 182f347,标准规定其hb<160o法兰梯形密封槽堆焊tp. 34兀后,设计规 定hb最小值为180o(3) 高压螺柱和螺母设计规定螺母选用sa 194-2h,标准规定 其 hb = 248352。设计规定螺柱选用sa 19 a b 16,但标准 没有规定硬度值。制造厂对螺柱材质进

20、行调质处理:870 c淬 火+680 c回火。热处理后硬度实测值见表3。表规格hb3 +27722h2852 2285注：螺母硬度应低于螺柱硬度。413母材回火脆化2125c- imo钢制加氢反应器在运行屮 产生回火脆化是不可避免的，fatt逐年在上 升，给安全使用带来严重威胁。检验单位虽然按上述检验技术方案进行了 内外部全面检验，但并未掌握三台加氢反应盜 回火脆化的程度，而且在安全状况等级评定中 也没有计入回火脆化因素，潜在危险是不容* 期忽视的。若把回火脆化纳入定级评定项目，须解决 以下两个问题：(1) 回火脆化评定温度分为5档，且与安 全状况等级一一对应，女止vtr54+ 2153vtr

21、54<38°c,定 1 级，不会 有异议。从加氢反应器严重回火脆化导致脆性破坏 事故发生的案例可以看出，fatt上升1o(tc 以上，或靠近加全压的最低温度时，母材或焊 缝回火脆化已经处在危险状态，应定为5级。有挂片的反应器，同步解剖挂片，切取至 少24个冲击试样作系列冲击试验，并与原始材 质的vtr54或fatt比较，显然3vtr54或 3fatt愈大，回火脆化愈严重。测定每隔一个 催化剂寿命周期(5万小时)后3vtr54或 3fatt作为评价母材回火脆化的依据。(2) 最难评价没有挂片的反应器回火脆化 的程度，因为非破坏性检验方法不能检出回火 脆化缺陷。目前尚未掌握使用过程

22、中dfatt的变化 规律。若3fatt随使用年限而近似定值增加， 取产品态fatt等于30°c (偏于保守)，根据 文献3,取3fatt等于30“c (已增加5宅裕 量)作为每5年增量，则可提出回火脆化评级 的建议，见表4。表4使用年限 年fattt安全状况等级 级030150110302156032090425> 905回火脆化产牛的原因是难以解释的，虽经 历了一个世纪之久，但至今还无法正确说明脆化机理，使用中也无控制回火脆化发展的对策。 唯一可行的对策是从“源头”抓起，推进材料 水平的提高，使其vt54开始上升起点温度定 在低温下，且愈低愈好，加人上升的温度区间， 这是提高

23、安全使用寿命的一条有效途径。为此， 笔者对齐鲁石化公司vrds改造新增 r 1305a jfr两台加氢反应器的材质捉出如下限 制条件： 29 “ca “ >54j-vtr54+ 215dvtr54<0°c j <70% x < 12ppm414堆焊层裂纹国内加氢反应器定期检 验已经发现堆焊层表面裂纹和邻近界面处剥离裂纹的存在和充 态。（1）堆焊层表面裂纹和剥离裂纹均不影晌 反应器的强度，不经修复可继续使用。（2）停工时采用脱氢工艺操作规程，并严 格控制降温速度、内外壁温差和恒温时间、能 够降低温差应力、破坏开裂氢浓度的生成，从 而能够完全避免堆焊层表面裂纹和剥

24、离裂纹笊 形成。齐鲁石化公司检完5台锻焊结构高压加 氢反应器均没有发现堆焊层裂纹就是成功的仞 证。（3）停工降温时，反应器壁中存在很高用 热应力，任一点热应力均为三向应力状态。堆 焊层内表面上轴向热应力与坏向热应力等值 且为最大拉应力。由此可以解释堆焊层表面裂 纹多见为环向裂纹，这是轴向热应力参与作用 的结果，因为轴向热应力垂直焊带，而焊带可儀 如同钢板一样，其横向性能低于纵向性能，所t 易于发生环向裂纹。对堆焊层内表面热应力p”作如下估算：ae （f（）衣）（ik21e 2 （1- a） ” r lnk取r 1310的11137,停工降温 时外壁温度m高于内壁温度纭 取7 6 = 27

25、76;c,令2（严八）二1&则得：r尸 504m patp1347l焊带常温抗拉强度下限值为 50（m pao估算表明，停工降温时，温差为27'c, 堆焊层内表热应力已经超过常温以上各温度下 的tp. 34兀抗拉强度的保证值。（4）在高温高压临氢条件下，吸附在堆焊 层内表面的氢气以直径很小的氢原子自由进入 堆焊层中，通过金属晶格间隙向堆焊层深处扩 散，并穿过界面扩散到母材中。氢在金属材料中是不形成化合物的，因此， 扩散到器壁中的氢形成间隙固溶体。由于面尤 立方晶格的间隙比体心立方晶格的间隙人，所 以氢在堆焊层中的溶解度高于在母材中的溶解 度。温度愈高，压力愈大，氢的溶解度愈大，

26、建 成晶格畸变也就愈大，直至达到该温度下饱利 溶解度。降温时，处于过饱和状态的氢原子从晶枠 间隙析出，部分向外壁扩散。母材屮的一部分 氢原子向堆焊层一侧扩散积聚。沉淀在钢内笊 氢分子在微观孔隙中将产生很高的压力。堆焊层中含氢一般不发生氢脆，堆焊层的 脆性是在下列条件下产生的：1）经受制造时isr和fw ht两次热处理 后，便堆焊层中部分a铁素体转变成p相+奥 氏体。另外母材中碳通过熔合线向堆焊层一侧 扩散形成脆性的马氏体区域。2）tp134兀焊带含n b, n b能促进铁索侏 的转变。在700、750 c时正是p相析出最快笊 温度。p相常在品界和m 23c 6颗粒上形核。片护 p相是裂纹产生和

27、扩展的通道。3）在堆焊过程中，若有足够保温时间，奥 氏体在800 c时也能析出p相。4）奥氏体钢的铁素体相在停工降温经过 540“c340 c区间也存在475”c脆化。5）堆焊层受热处理的敏化加热和焊接热影 响，在晶界析出m23c6,为p相提供形核。综上所述，堆焊层虽有脆性，若没有外加 应力的作用就不会形成表面裂纹。邻近熔合线 （下转第82页） 79 http:/www. 焊缝表面依然存在屈服，屈服位置及最大应力 见图4和表2。根据有关标准规范4 '5的规定, 牒应力与弯曲应力之和限制在115s” (sm为设 计应力强度)之内即可，但是本文所分析的汽 包在修复后将作为调峰机组使用，这意味着屈 服的存在依然可能导致缺陷产生。补强6采斥 了较大的环疗度，计算的结果显示出不再存在 屈服，因此，在修复时选用这种补强环会更加表2最木应力及其倬置补强编号1234567m kes 相当应力最大应力(m pa) 最大应力位置3681213376124335918734211623 34611003 33351053 33501253主应力pl最大应力(m pa) 最人应力位垃4041873 34181673 33491113435