加氢设备与选材教案资料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司,加氢设备与选材,中国石化集团洛阳石油化工工程公司,黎国磊,2004,序言,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、静高压设备费用约占整个装置建设投资的30%40%。,序言,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：1.满足工艺过程各种运行方案的需要；2.使用可靠性高；3.维护检修方便，所需时间短；4.投资费用较低。,一.加氢裂化装置主要设备结构与特点,(,一,),反应器,加氢反应器是加氢装置的核心设备。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。,1.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反应器技术相应得到很快的发展与显著的进步。主要表现：,1.反应器技术发展梗概,(1),安全使用性能越来越高。这也是整个技术发展过程所围绕的核心问题,*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,1.反应器技术发展梗概,*材料制造技术的发展，质量明显提高,体现在冶炼技术、热处理技术、分析技术等等方面。最终反映在材料的内质特性(纯洁性、致密性、均质性)非常优越,*制造技术的进步,如制造装备、制造工艺、焊接技术(含堆焊技术)、热处理技术、检测技术等等都有很大进步。,(2)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。,热壁加氢反应器技术的进展历程,时 期,技术特征,备 注,第一代,1972年以前,开发初期,第二代,19731980,改进期,第三代,19811987,成熟期,第四代,1988现在,更新期,以开发成功新的Cr-Mo钢为标志,热壁加氢反应器技术演变,阶段,起止,时间,技术,特征,技术进步内涵与存在问题,第,一,阶,段,1972,年,以,前,开发,初期,设计：由常规设计分析设计。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；,材料：冶炼由平炉电炉，材料纯净度和均质性较差；堆焊：采用SAW工艺（末期开发出浅熔深堆焊工艺）；使用中层出现过Cr-Mo钢的回火脆化现象和不锈钢的氢脆损伤问题。,热壁加氢反应器技术演变,阶段,起止,时间,技术,特征,技术进步内涵与存在问题,第,二,阶,段,1973,1980,改,进,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的要求(如控制J系数和X系数)。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：冶炼由电炉(+保温炉)电炉+炉外精炼技术(如真空碳脱氧工艺及其它新的冶炼工艺的应用)可以冶炼出低Si或低P，甚至超低P的钢；,焊接：由常规的焊接窄间隙焊接。,堆焊：由较普遍采用的浅熔深堆焊改进的单层或双层(带极)堆焊。而且在有关部位采取了PWHT后才堆焊Tp.347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。,热壁加氢反应器技术演变,阶段,起止,时间,技术,特征,技术进步内涵与存在问题,第,三,阶,段,1981,1987,成,熟,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果，在反应器的细部结构(如保温结构)上又有进一步改进，材料的纯净度进一步提高，J-系数和X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料难以适应的问题。,热壁加氢反应器技术演变,阶段,起止,时间,技术,特征,技术进步内涵与存在问题,第,四,阶,段,1988,现在,更,新,期,以开发新的Cr-Mo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。,2.反应器本体结构特征,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,2.反应器本体结构特征,我国华南工大针对国外80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夹紧式结构。,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。,2.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。,锻件的内质特性(纯洁性、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，制造周期短；,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。,2.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，当壁厚较薄时，其制造费用相对较高。一般，厚度大于150mm时采用较合适，壁厚越厚，锻造结构的经济性更显优越。,3.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,内件,名称,设置目的及有关说明,典型,结构型式,注意要点,入,口,扩,散,器,或,称,预,分,配,器,防止高速流体直接冲击液体分配盘，影响分配效果，从而起到预分配的作用。,对于图示的(b)型，还可起到积存进料中的一些锈垢的作用。,见图5,(a)(b),(a)型：,进料方向应垂直于入口扩散器上的两条开孔；,两层水平档板上的开孔应对中；,水平挡板上的开孔应垂直于板面。,(b)型：,根据液体及沉积物量确定长槽孔的大小、数量和位置,内件,名称,设置目的及有关说明,典型,结构型式,注意要点,气,液,分,配,盘,使进入反应器的物料均匀分散，与催化剂颗粒有效地接触，充分发挥催化剂的作用。,目前国内外所用的分配器按其作用机理大致可分为溢流型和(抽吸)喷射型两类或二者机理兼有的综合型。,见图6,(a)(b),应保证分配盘上不漏夜,可采用有关填料垫密。安装后充水100mm高，在5分钟内液位降低小于25mm为合格；,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下的挠度在内可按5mm6mm控制，对于溢流型，要求还应稍严；,配盘的设计荷载，应包括通过分配盘的压力降P、盘上的液量及分配盘自重(按最大的操作温度考虑)。,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下承受120kg集中荷载的要求。,内件,名称,设置目的及有关说明,典型,结构型式,注意要点,积,垢,篮,积垢篮置于催化剂床层的顶部，系由各种规格不锈钢金属丝网与骨架构成的篮框。它为反应器进入物料提供更多的流通面积，使催化剂床层可聚集更多的锈垢和沉积物而不致引起床层压降过分地增加。,现已不太采用。,见图7,积垢篮在装入反应器内时，其篮内应是空的。在装填催化剂时一定要注意这一点；,积垢篮按三角形排列，安装时用链条将其连在一起，并栓到上面的分配器支承梁上，其栓紧链条要有足够的长度裕量以适应催化剂床层的下沉(按下沉5考虑)。,内件,名称,设置目的及有关说明,典型,结构型式,注意要点,冷,氢,箱,用以控制加氢放热反应引起的催化剂床层温升，图示的冷氢箱结构由冷氢管、冷氢盘、再分配盘组成，可使来自上面床层的反应物料和起冷却作用的冷氢充分混合，而又将具有均匀温度的气液混合物再均匀分配到下部的催化剂床层上。,见图8,冷氢管内设置的隔档板应使从两个开孔中喷出的氢气量是相当的；,为发挥冷氢的作用效果，冷氢盘和冷氢箱部分应用填料填密，以保证不漏液，可按气液分配盘的试漏标准验收；,冷氢盘和喷射盘的安装水平度，包括制造公差、荷载作用下的挠度等在内，可按6mm控制。再分配盘的要求与气液分配盘同。,内件,名称,设置目的及有关说明,典型,结构型式,注意要点,热,电,偶,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状况等而对操作温度进行管理。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方向插入。径向水平插入的有横跨整个截面的和仅插入一定长度的。,见图9,(a)(b)(c),对径向水平插入的热电偶套管要注意由于操作过程催化剂下沉和检修卸出催化剂时可能引起被压弯的问题；,顶部垂直插入的热电偶套管，当长度较长时，要适当设置导向结构，以利操作受热时伸长不受阻碍。,内件,名称,设置目的及有关说明,典型,结构型式,注意要点,出,口,收,集,器,用于支承下部的催化剂床层，以减轻床层的压降和改善反应物料的分配。,见图10,出口收集器与下封头的下沿或与其连接的定心环圆周上应设数个缺口，以便停工时排液用。,3.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应进料(气液相)与催化剂颗粒(固相)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，有两点是特别值得注意的：,内件要具有高效和稳定操作的性能；,最大限度地利用反应器容积。,（二）高压换热器,1.加氢装置常用的高压换热器型式 通常有以下3种型式：*普通大法兰型换热器 *密封盖板封焊式换热器 *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。对于高温高压场合，选用后2种型式较为合理。一般大致按压力大于8010MPa时选用后2种。,2.,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,（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,设计条件,压力：17.65MPa 温度：430,内径：900mm,螺栓规格数量,法 兰 型：,M8520根,螺纹环锁紧式：,M3840根,*,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,：结构比较复杂，公差与配合要求较严。,（2）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。,(e),在检修中，发现有关零件的变形或损伤超过规定值时，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,*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：,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 中等 中等 差 好,腐蚀性,能,传热,差 略好 好 很好 很好,性能,价格,低 略高 略高 较高 高,2.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出损伤问题是管子的腐蚀穿孔（因有NH4HS水溶液存在）。这是设计、使用中最值得注意的问题。,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相应措施使腐蚀减至最小,。,（四）高压分离器,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，需要有合适的气相分离空间和充分的液相停留时间。,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。,四、加氢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,高温氢腐蚀(HAHydoqgen Attack),(1)高温氢腐蚀形式,表面脱碳,内部脱碳与开裂,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延性提高。,高温氢腐蚀(HAHydoqgen Attack),内部脱碳是由于氢扩散侵入到钢中发生反应生成甲烷，即,Fe,3,C+2H,2,CH,4,+3Fe,。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，所以它具有不可逆的性质，也称,永久脆化现象,。其实际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连通而形成断裂通道。,高温氢腐蚀(HAHydoqgen Attack),高温氢腐蚀(HAHydoqgen Attack),这里要引出一个“,孕育期,”(或称,潜伏期,)的概念。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这段时间称为“孕育期”。,“孕育期”的概念对于工程上的应用是非常重要的。它可被用来确定设备和管道所采用的钢材的大致安全使用时间。“孕育期”的长短取决于许多因素，包括钢种、氢压、温度、冷作程度、杂质元素含量和作用应力等。,(2)影响高温氢腐蚀的主要因素,温度、压力和暴露时间的影响,合金元素和杂质元素的影响,热处理的影响,应力的影响,高温氢腐蚀(HAHydoqgen Attack),(3)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“纳尔逊(Nelson)曲线来选择抗氢材料。现为API RP(推荐准则)941(第5版)“炼油厂和石油化工厂用高温高压临氢作业用钢”标准上的一个图线。,高温氢腐蚀(HAHydoqgen Attack),在应用这个图线进行选材时，还应该注意以下几点：,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。,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。,在实际应用中，焊缝部位的氢腐蚀更是不可忽视的。,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。,高温氢腐蚀(HAHydoqgen Attack),氢脆(HEHydrogen mbrittlement),(1)氢脆现象的特征,所谓,氢脆,，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150以下。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。,氢脆(HEHydrogen mbrittlement),(2)防止产生氢脆的有关要点,氢脆的敏感性一般是随钢材强度的提高而增加,钢的显微组织对氢脆也有影响,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、裂纹尖端的拉应力大小以及裂纹的几何尺寸有关),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。,为避免氢脆发生，可注意以下要点：,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(2Cr-1Mo钢应控制220HB),通过无损检测消除宏观缺陷,消除残余应力使负荷应力降低,氢脆(HEHydrogen mbrittlement),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(有的还兼有相脆化)，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采取如下措施：,尽量减少应变幅度，降低热应力和避免应力集中；,尽量保持Tp.347堆焊金属或焊接金属有较高的延性。,装置停工时尽量使钢中吸藏的氢释放出去。,尽量避免非计划的紧急停工。,高温硫化氢腐蚀(H,2,+H,2,S腐蚀),加氢装置中的高温硫化氢腐蚀是指H,2,S在氢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。,高温硫化氢腐蚀(H,2,+H,2,S腐蚀),影响高温硫化氢腐蚀的主要因素是温度和H,2,S浓度。一般来说，温度是影响腐蚀速率的主要因素。不过，在较低的H,2,S浓度下，浓度比起温度来更显突出。,H,2,S浓度与腐蚀程度的关系大致如下：,H,2,S 浓度，%(体)腐 蚀 速 度,0.01 0.1 急剧地增加,0.1 1.0 增加的程度稍为减慢,1.0 10.0 提高的程度很小,高温硫化氢腐蚀(H,2,+H,2,S腐蚀),硫化氢和氢共存条件下的材料选择,按经验数据,按照柯珀(Couper)曲线估算,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，不同的渗铝工艺，其抗腐蚀的性能是大不一样的。(最好采用高温扩散渗透法)。,湿硫化氢环境损伤,（1）湿硫化氢环境的定义,按NACE MRO175-97D的定义为：,有水存在下，对于酸性气来说，,总压,0.4MPa,气体中的硫化氢分压,0.0003MPa,(2)湿硫化氢环境的损伤形式,(a)氢鼓泡(HB),(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,因4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。但实际上又难以严格分开，甚至几种损伤同时存在,。,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）,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）。,4 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(H,2,S,x,O,6,，X=36)应力腐蚀开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，它与出现的水份和进入设备内的空气中的氧发生反应的结果。,4 连多硫酸应力腐蚀开裂,3FeS+5O,2,Fe,2,O,3,FeO+3SO,2,SO,2,+H,2,OH,2,SO,3,H,2,SO,3,+O,2,H,2,SO,4,FeS+H,2,SO,3,mH,2,S,x,O,6,+nFe,+,FeS+H,2,SO,4,FeSO,4,+H,2,S,H,2,SO,3,+H,2,SmH,2,S,x,O,6,+nS,4 连多硫酸应力腐蚀开裂,(2)防止对策,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。,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。,铬-钼钢的回火脆性损伤(TE),(1)铬-钼钢回火脆性现象及其特征,铬-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，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。,铬-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很多，如化学成分、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。,铬-钼钢的回火脆性损伤(TE),化学成分的影响,化学成分中的杂质元素(如P、Sn、As、Sb)和某些合金元素(如Si、Mn等)对回火脆性影响很大。,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。,J-系数,，J=(Si+Mn)(P+Sn)10,4,(%),J-系数中化学成分按重量百分比计；,(X)系数,，也称Bruscato系数，即,(X)=(10P+5Sb+4Sn+As)10,-2,ppm,(X)系数中化学成分按ppm计。,铬-钼钢的回火脆性损伤(TE),热处理工艺的影响,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响。,铬-钼钢的回火脆性损伤(TE),(3)回火脆化度的评价,等温时效(Isothermal aging)处理，也即等温脆化处理。,阶梯冷却或步冷法(Step Cooling)处理，它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。,铬-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2毫米V型缺口夏比试验获得的延性-脆性转变温度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来表示。vTrs或vTr54越大，说明回火脆化度就越大。而且通常按下式来评定钢材(或焊缝)的回火脆化倾向。,vTr54+vTr54 ,式中：,vTr54：脆化处理前V型缺口夏比冲击功为54焦耳时的对应温度，；,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焦耳时对应温度的增量，；,：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，现已变为低于38，如10或0等。,铬-钼钢的回火脆性损伤(TE),(4)防止2Cr-1Mo钢设备发生回火脆性破坏的若干措施,加氢裂化装置所选用的铬-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，下面以它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元素,制造中要选择合适的热处理工艺,采用热态型的开停工方案,采用合适的开停工升降温速度,6 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,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沿着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。,6 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：,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，使堆焊层过渡区的堆焊层侧出现了很高的氢浓度；,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；,由于制造中进行焊后热处理，在境界层上可能会形成沿融合层生长的粗大结晶。,6 奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离,(2)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。,环境条件：操作温度、氢分压、冷却速度、反复加热冷却的循环次数。,制造工艺：主要是焊接方法、焊接条件和焊后热处理的影响。,6 奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离,(3)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。,五、新Cr-Mo钢的开发与应用,1 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时代。,1 国外的开发应用,(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，原所用Cr-Mo钢难以适应,随着装置大型化引起的设备的大型化，由于原Cr-Mo钢的强度偏低，将使设备壁厚很厚，给设备制造、运输和吊装带来困难，希望能有更高强度的钢材,热壁反应器在长期的使用中曾发生的一些损伤，虽已有许多改进，但仍有某些未完全解决。,1 国外的开发应用,(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氢环境的使用条件,具有良好的加工工艺性能,成本较低,1 国外的开发应用,(3)实施方法,通过改变原钢号的热处理条件；,在原钢号的基础上添加某些合金元素，如V、Cu、Ni、Cb、Ti、B、Ca等的办法。,1 国外的开发应用,(4)开发成功的钢种,增强型(Enhanced)Cr-Mo钢,2Cr-1Mo钢,改进型(Modified)Cr-Mo钢,3Cr-1Mo-V-Ti-B钢,3Cr-1Mo-V-Cb-Ca钢,2Cr-1Mo-V钢,2Cr-1Mo-V-Cb-Ca钢,1 国外的开发应用,(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：,加钒Cr-Mo钢的优点,强度高 在室温下的规定抗拉强度为585760MPa，原来的2Cr-1Mo钢仅为515690MPa,标准规定的最小抗拉强度值就提高约13%。ASME 规范第卷的第二册中给出的3Cr-1Mo-V和2 1/4Cr-1Mo-V钢在454下的设计应力强度分别比2Cr-1Mo钢提高9.3%和12.6%以上。这可使设备轻量化，从而将相关的工程建设投资费用降低。,加钒Cr-Mo钢的优点,抗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。因而使它具有很好的抗高温氢腐蚀性能。最新版的API RP 941(第5版)推荐作法中已将2Cr-1Mo-V钢正式列入。该准则中的纳尔逊曲线图表明2Cr-1Mo-V钢的使用极限温度可达510，比2Cr-1Mo钢提高了56。,加钒Cr-Mo钢的优点,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具有捕集氢的作用,由此所能提供给引发部的氢量比起2Cr-1Mo钢少，所以氢脆敏感性低，抗氢致裂纹扩展能力强。试验表明前者在氢环境中的门槛应力强度因子K1H值比后者高许多。,加钒Cr-Mo钢的优点,抗回火脆化性能更好 对板材、锻件和焊缝金属进行“阶冷”处理试验结果，其试验前后的转变温度增量都很小，几乎等于零，说明没有明显的回火脆化现象。,加钒Cr-Mo钢的优点,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得到改善；同时也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。,1 国外的开发应用,(6)标准化情况,新Cr-Mo钢开发成功后，首先都先申请由美国机械工程师学会(ASME)以规范实例(Code Case)的形式认可，如增强型2Cr-1Mo钢为Code Case1960，2Cr-1Mo-V钢为Code Case2098，3Cr-1Mo-V-Ti-B钢为Code Case1961，3Cr-1Mo-V-Cb-Ca钢为Code Case2151。至今，已相继的被美国的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。,1 国外的开发应用,(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-V-Ti-B钢1987年用于实验装置，1989年正式在工业装置上使用；3Cr-1Mo-V-Cb-Ca钢是1995年用于工业装置；2Cr-1Mo-V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。但由于它比3 Cr-1Mo-V钢具有更高的设计应力强度等优点，所以应用势头更好。截止1999年8月统计的制造业绩，采用改进型3 Cr-1Mo-V钢已有51台，采用改进型2Cr-1Mo-V钢已有43台。3 Cr-1Mo-V钢单台最大重量为1450t，这是当今世界上单台重量最大的加氢反应器；2Cr-1Mo-V钢单台最大重量也近1400t。而且在投入使用的反应器中，有些已经过一次或多次在役检验，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都未发现有任何异常或缺陷。至2004年2月的统计，世界上已制造加钒Cr-Mo-钢反应器共143台。其中3 Cr-1Mo-V钢反应器51台，2Cr-1Mo-V钢反应器92台。可见，近四年半来所增加的反应器均为2Cr-1Mo-V钢材料。,2 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3Cr1Mo-V和2Cr-1Mo-V两种材料。,2 国内的开发应用,国内加钒Cr-Mo钢开发应用情况,3Cr-1Mo-V钢,2Cr-1Mo-V钢,正式启动,研制时间,1994年初,1998年下半年,研制开发,内容,材料开发、焊接试验、模拟环研制和工业用加氢反应器研制,材料开发、焊接试验、模拟环研制和工业用加氢反应器研制,实验室,试验,材料成分筛选及其对各种热工艺参数测试与研究；开展包括焊接性试验和焊接工艺试验的研究。,材料成分筛选及其对各种热工艺参数测试与研究；开展包括焊接性试验和焊接工艺试验的研究。,3Cr-1Mo-V钢,2Cr-1Mo-V钢,工业性,中间试验,在取得实验室试验成果的基础上，研制了一个用90t钢锭锻制成的内径1800mm、壁厚340mm、重量42t筒体模拟环(含一条环焊缝和一个开口接管焊缝)。经解剖对锻件和焊缝的化学成分、各种力学性能、回火脆性、金相等进行全面测试与对比。,另外，还开展3Cr-1Mo-V钢+Tp309L+Tp347不锈钢各种堆焊工艺试验并对其化学成分、力学性能、堆焊层厚度、铁素体含量、金相、抗晶间腐蚀等进行测试或试验。于1998年7月通过了专家鉴定，认为达到了国外同类产品的实物水平。,在取得实验室试验成果的基础上，研制了一个筒体模拟环锻件(含一条环焊缝)，其内径为1260mm、壁厚为270mm、高度1500mm、重量15.3t。经解剖对锻件和焊缝的化学成分、各种力学性能、回火脆性、金相等进行全面测试与对比。,另外还开展2Cr-1Mo-V锻板+Tp309L+Tp347不锈钢带极堆焊工艺试验并对其化学成分、力学性能、堆焊层厚度、铁素体含量、金相、抗晶间腐蚀等进行测试或试验。于2000年10月通过了专家鉴定。其母材和焊缝的各项技术指标均满足研制和设计技术条件的要求。,3Cr-1Mo-V钢,2Cr-1Mo-V钢,氢损伤,行为试验,1 进行了高温氢腐蚀试验。试验是以开发的3Cr-1Mo-V钢和国外SA336-F3V材料与国产2Cr-1Mo钢在实验装置中进行对比试验，其结果含钒Cr-Mo钢的抗氢腐蚀能力大幅度提高，且所开发的3Cr-1Mo-V钢和国外SA336-F3V材料相当。,2 进行堆焊层抗氢致剥离试验。将开发材料制成的试样(带Tp309L+Tp347堆焊层)在试验装置中经16.4MPa氢压、470、48h的充氢后，以450/h的速度降温，如此经6个循环，未见剥离。,1 进行了高温氢腐蚀试验。试验是以开发的2Cr-1Mo-V钢、3Cr-1Mo-V钢和国外SA336-F3V材料及国产2Cr-1Mo钢在实验装置中进行对比试验，试验结果表明含钒Cr-Mo钢的抗氢腐蚀能力大幅度提高，而且所开发2Cr-1Mo-V钢的抗高温氢腐蚀性能还显稍好。,2 进行了堆焊层抗氢致剥离试验。将开发材料和国产,3Cr-1Mo-V材料及进口3Cr-1Mo-V材料分别制成的试样(均带p309L+Tp347堆焊层)在试验装置中经16.2MPa氢压、470、48h的充氢后，以450/h的速度降温，如此经6个循环，未见剥离。,3Cr-1Mo-V钢,2Cr-1Mo-V钢,工业用,加氢,反应器,研制,在取得上述充分可靠试验研究数据的基础上，经国家有关部门的批准和认可于1999年9月底制造出了我国首台3Cr-1Mo-V钢加氢反应器。其规格为内径2600mm切线长23016mm壁厚169mm+7.5mm(双层不锈钢堆焊)，设计金属总重366t。,主要设计参数为：压力19.95MPa，温度435，操作介质：油、H,2,S、H,2,等。,在取得上述充分可靠试验研究数据的基础上，经国家有关部门的批准和认可于2002年3月制造出了我国首台2Cr-1Mo-V钢加氢反应器。其规格为内径4000mm切线长23300mm壁厚150mm+7.5mm(双层不锈钢堆焊)，设计金属总重526t。,主要设计参数为：,压力11.68MPa，温度450，操作介质：油气、H,2,、H,2,S、NH,3,等。,3Cr-1Mo-V钢,2Cr-1Mo-V钢,应用情况,首台反应器用于克拉玛依石化厂30万吨/年高压润滑油加氢装置，并于2000年12月正式投入使用。至今一直安全地运转着。曾于2001年6月按计划停工进行过一次在役检测，包括采用外观检测、超声检测、磁粉检测与硬度检测等方法，均未发现异常现象，完全符合标准要求。,首台反应器用于镇海炼油化工股份有限公司180万吨/年蜡油加氢脱硫装置，已于2002年投入正常运转。至今此材料反应器已制或在制10台以上。特别是一重厂正在承制2台重量为当今世界之最(2100吨)的煤液化加氢反应器。,六、加氢反应器的制造(锻焊结构),制造程序,-,-,-,-,-,炼钢 铸锭 锻造 热处理 机加工,-,-,-,-,-,NDE 性能试验 堆焊 组焊 NDE,-,-,-,-,-,组装 PWHT NDE 水压试验 最终NDE,-,涂装 出厂发运,2 制造过程的监控,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,项 目,主要监控内容,备 注,主,体,材,料,Cr、Mo、V(含V钢)、Si、Mn、P、S和其它微量杂质元素的含量；力学性能；回火脆性敏感性系数(J-系数和X系数)以及回火脆化倾向评定结果；晶粒度大小和非金属夹杂物等级,注意设计有要求的冶炼方法、夏比冲击V形缺口试样的加工精度。,七、加氢反应器使用中的保护与在役检验,1 加氢反应器使用中的保护,为防止加氢反应器可能发生的各种脆性损伤，在使用、开停工或停工卸剂进行在役检验时，采取以下几点措施是很有效果的。,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留氢含量。,1 加氢反应器使用中