超期服役热壁加氢反应器损伤机理及剩余寿命评价方法_姜红超.pdf

专论石油化工腐蚀与防护 CORROSION PROTECTION IN PETROCHEMICAL INDUSTRY2023 年第 40 卷 第 2 期引用格式:姜红超，喻灿，蒋良雄，等 超期服役热壁加氢反应器损伤机理及剩余寿命评价方法J 石油化工腐蚀与防护，2023，40(2):24-29JIANG Hongchao，YU Can，JIANG Liangxiong，et al Damage mechanism and residual life evaluation method of hot-wall hy-drogenation reactor in extended service J Corrosion Protection in Petrochemical Industry，2023，40(2):24-29超期服役热壁加氢反应器损伤机理及剩余寿命评价方法*姜红超1，喻灿2，蒋良雄1，姜渊1(1 中国石化扬子石油化工股份有限公司芳烃厂，江苏 南京210048;2 上海安恪企业管理股份有限公司，上海200237)摘要:加氢反应器是加氢装置的核心设备，超期服役的加氢反应器要继续使用，应当委托有检验资质的特种设备检验机构参照定期检验的有关规定对其进行检验，必要时需进行合于使用评价，因此，如何判断超期服役加氢反应器的剩余寿命至关重要。该文结合历年国内外典型热壁加氢反应器的损伤情况，对加氢反应器可能存在的损伤机理进行研究，并从回火脆化、氢脆、缺陷及蠕变四个方面进行安全性分析，获得剩余寿命评估方法及防控措施。关键词:超期服役;热壁加氢反应器;损伤机理;剩余寿命收稿日期:2022-09-10;修回日期:2023-01-05。作者简介:姜红超(1978)，本科，工程师，长期从事设备管理工作。通信作者:喻灿(1989)，硕士，工程师，长期从事石油化工设备的腐蚀与防护工作。E-mail:yucan anchoremc com*基金项目:中国石油化工股份有限公司科技开发项目“30年超龄服役装置适应性评估”(CLY20006)1超期服役加氢反应器现状加氢反应器是加氢装置的核心设备，它的稳定运行对装置的安全至关重要。按照 HG/T205802011钢制化工容器设计基础规定，厚壁加氢反应器的设计使用寿命为 30 a，而 TSG212016固定式压力容器安全技术监察规程中指出:达到设计使用年限的压力容器，如果要继续使用，使用单位应当委托有检验资质的特种设备检验机构参照定期检验的有关规定对其进行检验，必要时按要求进行安全评估，即合于使用评价，经过使用单位负责人批准后，办理使用登记证书变更，方可继续使用。因此，超期服役热壁加氢反应器一直是国内外研究的热点，日本制钢所(JSW)曾调查了从 1963 年到 2014 年建造的反应器损伤类型1 见图 1。反应器在运行过程中主要存在四种损伤:(1)在床层支撑和其他 347 不锈钢连接件焊接及反应器内壁堆焊层由于 相而导致的裂纹;(2)在制造过程中存在的焊接缺陷导致的裂纹主要存在于主焊缝;(3)安装垫片环槽中由于 相形成的裂纹;(4)堆焊层剥离。图 1反应器失效分类(JSW)某炼油厂的 6 台反应器运行了 26 a 后，因环焊缝有严重缺陷于 1990 年退役。母材为 2 25Cr-1Mo 钢，内壁堆焊两层不锈钢，过渡层为 310 不锈钢、表面层为 308 不锈钢。这 6 台反应器中有 4台堆焊层有严重的表面裂纹，在反应器运行约10 a 后进行定期检验发现有这些裂纹。对有裂纹的堆焊层进行解剖检验，发现堆焊层表面裂纹42第 2 期姜红超等 超期服役热壁加氢反应器损伤机理及剩余寿命评价方法专论扩展到与壳体基层的界面处终止了，但在裂纹顶端存在小的腐蚀坑，坑内充满了腐蚀产物，堆焊层裂纹截面如图 2 所示2。图 2堆焊层裂纹截面此外，根据文献 3 报道，国内同类设备还发生过的主要损伤形式是晶间腐蚀和应力腐蚀。上人孔大盖内壁堆焊层连多硫酸应力腐蚀、上人孔大盖密封槽底氯化物应力腐蚀、筒体堆焊层补焊焊道因产生热裂纹开裂。外壁焊缝处的冷热裂纹、外壁上封头表面的折叠缺陷、超温导致的焊缝处碳迁移。泡罩湿硫化氢应力腐蚀开裂，法兰密封槽底氯化物应力腐蚀开裂(密封胶内含 Cl)，反应器上接口法兰八角垫圈槽内碱应力腐蚀(密封胶引起)。加氢装置因循环氢故障联锁停车，引起反应器飞温。反应器内 35CrMoA 的螺母发生开裂，主要是由于材料中存在局部条块状和带状分布的夹杂物，在加工应力的作用下萌生微裂纹并扩展所致。反应器冷氢入口接管与筒体连接焊缝处曾出现裂纹。由于制造过程中手工堆焊工艺控制不严、运行过程中出现超温现象、铁素体含量偏低等原因，使上下封头与筒体对接环焊缝及人孔内壁奥氏体不锈钢堆焊层出现弥散型表面裂纹。国内同类反应器损伤情况见表 1。表 1国内同类反应器损伤情况企业材质损伤情况原因分析茂名石化SA38722CL+TP347堆焊层剥离、开裂，出口弯管后配对法兰梯形槽的根部出现裂纹，环焊缝内存在埋藏缺陷堆焊层裂纹主要是由于制造缺陷和材料脆化引起的;堆焊层剥离主要是因为反应器超温后，急剧降温引起的。法兰密封槽裂纹主要是此处存在应力集中;焊缝内埋藏缺陷是在制造过程中产生的上海石化12CrMo910+TP3471994 年发现 6 条裂纹(裂纹主要在凸台上，打磨处理)、54 处剥离;2003 年发现冷氢区上部热电偶接口的堆焊层表面，裂纹贯穿至主体材料结合面，剥离不断扩展1994 年发现的裂纹:堆焊层中铁素体分布不均匀;连多硫酸、湿硫化氢腐蚀等造成晶间贫铬。2003 年发现的贯穿裂纹:沿晶裂纹，杂质或合金元素在晶界处偏聚、晶界贫铬，属于晶间腐蚀金陵石化SA387Gr11CL2+堆焊存在堆焊层剥离、层下裂纹、堆焊层表面裂纹，3 台加氢反应器中发现了 37 条堆焊层裂纹，其中23 条位于支持圈堆焊层处，手工补焊过程中产生的弧坑裂纹占 135%。堆焊层裂纹的产生主要是手工焊接工艺不当所致。层下裂纹为母材锻件遗留缺陷福建炼化12CrMo910+双层堆焊外壁裂纹，堆焊层表面裂纹，人孔盖表面裂纹，内壁顶部分配盘支持圈上部存在网状裂纹外壁裂纹为不适当的局部施焊造成的焊接冷裂纹;内壁裂纹为补焊工艺不当引起的焊接裂纹2超期服役加氢反应器损伤机理研究对于热壁加氢反应器，其操作温度一般在430 左右，操作压力在 17 MPa。按照 API RP571 标准，结合加氢反应器的运行环境，除了上述的典型腐蚀问题，其可能存在的损伤机理(如图 3所示)。反应器壳体的基材，其材料主要为 225Cr-1Mo，损伤机理为氢脆、回火脆化、蠕变、高温氢损伤、脆性开裂;堆焊层主要为 300 系列奥氏体不锈钢，损伤机理为 相脆化、氢脆、连多硫酸应力腐蚀开裂、氯化物应力腐蚀开裂、高温氢/硫化氢腐蚀;此外基材主焊缝还有再热裂纹;冷氢进料部位存在氯化铵腐蚀;流化床存在冲蚀、磨蚀。热壁加氢反应器在设计阶段已考虑均匀腐蚀，随着加氢反应器运行时间的推移，回火脆化、氢脆、蠕变、相脆化等材质劣化损伤严重影响反应器的剩余寿命。图 3热壁加氢反应器损伤机理3主要损伤机理评价材料脆化主要由回火脆化、氢脆、蠕变、再热裂纹、低温脆断以及堆焊层 相转变等引起，其52专论石油化工腐蚀与防护2023 年第 40 卷中回火脆化、氢脆对母材的安全性影响最大，随着回火脆化程度的增加，母材氢脆敏感性明显增强。因此，由于回火脆化和氢脆引起的材料脆化应作为重点问题考虑。反应器主要缺陷包括焊接原始缺陷、运行期间产生的缺陷以及开停工期间产生的缺陷。由于堆焊层只是作为抗 H2/H2S 及硫化氢的防腐层而不承受压力，堆焊层剥离并不影响加氢裂化反应器主体承压能力，不会降低反应器的强度。堆焊层表面裂纹一般不往基材扩展，往往在堆焊层与母材的交界面上。目前国内尚未发现堆焊层的表面裂纹扩展进入基体的实例。裂纹进入母材的少量反应器大都是 20 世纪 60 年代制造，并发生在较大的局部结构应力处。此外，反应器在运行过程中可能会遇到床层飞温的非正常工况。国内有些加氢反应器由于停工、开工过程处理不当等原因引起床层飞温现象。床层发生飞温时，温度快速升高，一方面会引起较大的热应力，另一方面可能会引发材料的蠕变损伤，造成堆焊层剥落、反应器出口法兰泄漏等，严重时会发生火灾爆炸事故。因此，反应器的飞温也是需要考虑的一个问题。基于以上分析，对于超期服役的热壁加氢反应器，重点从回火脆化、氢脆、缺陷以及蠕变四个方面进行安全性评价。3 1回火脆化损伤评价回火脆化是合金钢脆化的一种，发生于反应器在环境温度以上保温或缓慢冷却过程中，脆化温度为 345 575，回火脆化将引起韧脆转变温度的升高。回火脆化主要是由于 P，Sb，Sn 和 As等杂质元素偏聚于晶界附近，造成晶界弱化。由于不能直接在筒体上取样，目前较普遍的做法:对反应器内的试块进行研究，通过试块的冲击试验结果评价反应器母材及焊缝的回火脆化程度。由于杂质元素在晶界上的偏析是造成钢材回火脆化的主要原因，因此，工程上常用系数 J 和 X 评价钢的回火脆化敏感性，用韧脆转变温度 FATT 表征钢的脆化程度，韧脆转变温度衡量指标有 VTr54(冲击功为 54J 所对应的转变温度)和 FATT(纤维率为 50%所对应的转变温度)，韧脆转变温度增量越大，回火脆化程度越高，FATT 值可由系数J、步冷脆化量预测8。J 系数较低(100)的钢认为是“纯净”的，在转变曲线中有较小的移动量;J 系数较高(300)的钢认为是“不纯净”的。3 2氢脆损伤评价根据 API RP934 F 估算氢浓度和氢脆的门槛温度。该方法是根据多年 2 25Cr-1Mo 钢制加氢反应器操作实践经验形成的计算方法。虽然氢气在不锈钢堆焊层中含量高，但是不锈钢本身氢脆敏感性低，所以计算基材内表面上的氢含量、氢分压采用全压，因此评估得到的结果比较保守。3 3断裂评价3 3 1估算最大容许裂纹尺寸2 25Cr-1Mo 钢长期服役后的回火脆化使钢的断裂韧性(KIC)与氢致断裂门槛值(KIH)显著下降。为了防止反应器开车时可能会发生低应力脆断破坏，操作规程设定了 135 的最低升压温度。断裂韧性(KIC)与氢致断裂门槛值(KIH)通过试验较难获得，可通过 FATT 值预测。目前有两种通过 FATT 值预测 KIC和 KIH的方法。一种是API RP5792016 评定规范中所采用的经验公式法;另一种是根据日本压力容器研究委员会氢脆研究分会试验研究得出的试验曲线。该研究采用第一种方法，根据 API RP5792016 评定规范中给出的方法，估算母材、焊缝断裂韧性值。3 3 2安全评定基于 GB 196242019在用含缺陷压力容器安全评定，对母材平面缺陷进行常规评定，采用通用失效评定方法，如图 4 所示。图 4 中，由Kr=f(Lr)曲线、Lr=Lmaxr直线和两坐标轴所围成的区域内为安全区，区域外为非安全区。图 4通用失效评定主要步骤包括:缺陷表征、确定应力值、确定材料性能数据;计算应力强度因子、计算载荷比;由计算结果构成的评定点(Lr，Kr)绘制在常规评定图 4 中得到结果。设计时，加氢反应器的堆焊仅仅作为防腐层，基本上不承受压力的部分。因此，堆焊层内的缺陷弱化反应器强度较小。文献 9表明:在工作62第 2 期姜红超等 超期服役热壁加氢反应器损伤机理及剩余寿命评价方法专论温度 435 下，即使筒体上存在长 28 mm、深5 mm 的裂纹，加氢反应器筒体结构也是安全的。3 4蠕变损伤评价加氢反应器在运行过程中，有可能发生床层飞温的情况，使结构承受较大的应力，引起材料蠕变。可采用有限元软件对飞温、超温工况下的反应器进行温度场、应力有限元数值模拟分析，并对计算结果进行分析评估。文献 10对以下飞温过程进行了研究:飞温阶段，床层温度在 25 min内由 427 迅速上升到 557;急冷阶段，在60 min 内床层温度由 557 降到 427。结果表明:无论是飞温过程，还是紧急急冷过程，堆焊层及母材均不会有太大影响，2 25Cr-1Mo钢器壁的应力均小于材料的屈服强度。由于飞