何 偉

(陜西煤業(yè)化工集團(tuán)(上海)勝幫化工技術(shù)有限公司)

由陜西煤業(yè)化工集團(tuán)(上海)勝幫化工技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱勝幫公司)承擔(dān)設(shè)計(jì)的年產(chǎn)50萬(wàn)t煤焦油加氫裝置共有6臺(tái)加氫反應(yīng)器(4臺(tái)加氫精制反應(yīng)器和2臺(tái)加氫裂化反應(yīng)器)，設(shè)計(jì)壓力17.5MPa，設(shè)計(jì)溫度454℃。筒節(jié)和封頭分別成型，母材為120mm的2.25Cr-1Mo-0.3V鋼，其中Cr和Mo能提高鋼材的淬透性和熱強(qiáng)性，V能提高鋼材的抗高溫高壓和抗氫蝕能力。

加氫反應(yīng)器的操作條件為高溫高壓，并且盛裝H2+H2S的腐蝕介質(zhì)，高溫的H2+H2S對(duì)鋼材有強(qiáng)烈的腐蝕性，為了抗H2+H2S的腐蝕，反應(yīng)器內(nèi)壁采用穩(wěn)定型不銹鋼E309L+E347雙層堆焊結(jié)構(gòu)(共6.5mm)，內(nèi)件全部采用穩(wěn)定型不銹 鋼S32168。由于熱壁加氫反應(yīng)器苛刻的操作條件，因而在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中針對(duì)主體材料、焊接工藝、內(nèi)件結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分析方面提出了特殊要求，使其具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 主體材料

2.25Cr-1Mo-0.3V鋼在高溫條件下其許用應(yīng)力或設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度比普通的2.25Cr-1Mo鋼提高許多，從而降低了反應(yīng)器的壁厚；而且2.25Cr-1Mo-0.3V鋼具有很好的抗氫腐蝕性能和抗不銹鋼堆焊層氫致剝離能力，一般是設(shè)計(jì)高溫高壓加氫反應(yīng)器的首選材料[1,2]。

由于2.25Cr-1Mo-0.3V鋼材焊接困難，且焊后容易形成裂紋，因此需控制該鋼材的有害化學(xué)成分，提高它鋼的沖擊韌性要求，并在焊接、熱處理及力學(xué)性能等方面提出相應(yīng)的一系列特殊規(guī)定。 加氫反應(yīng)器容易出現(xiàn)回火脆化現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)時(shí)有必要對(duì)鋼材作出如下要求：

a. 所用鋼材應(yīng)用電爐冶煉+爐外精煉技術(shù)和真空脫氧工藝，從而保證冶煉出低Si或低S、P，甚至超低S、P且微量雜質(zhì)元素含量很低的鋼；

b. 對(duì)鋼材提出控制回火脆化的要求，勝幫公司設(shè)計(jì)的加氫反應(yīng)器對(duì)2.25Cr-1Mo-0.3V鋼采用控制指標(biāo)J=(CSi+CMn)(CP+CSn)×104≤100，X=(10CP+5CSb+4CSn+CAs) ×104≤12;

c. 控制鋼材和焊縫金屬的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，vTr54+3ΔvTr54≤0℃，通過(guò)對(duì)鋼材和焊縫金屬加速脆化處理，觀察其脆化傾向，以分步冷卻前、后轉(zhuǎn)變溫度增加值ΔvTr54衡量鋼材和焊縫金屬的脆化傾向程度[3,4]。

以上對(duì)材料的嚴(yán)格限制要求，可以有效防止Cr-Mo鋼在高溫條件下產(chǎn)生回火脆化。

1.2 焊接工藝

煤焦油加氫反應(yīng)器采用熱壁板焊結(jié)構(gòu)，隨著冶煉技術(shù)和制造技術(shù)的提高，鋼板的內(nèi)質(zhì)特性(純潔性、致密性、均質(zhì)性)非常優(yōu)越。采用板焊結(jié)構(gòu)完全滿足加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)和制造要求，較鍛焊結(jié)構(gòu)具有制造周期短及造價(jià)低等特點(diǎn)。

熱壁反應(yīng)器與Cr-Mo鋼相連的所有焊縫均應(yīng)采用全熔透形式，單面焊、雙面焊都必須采取清根措施，焊縫表面還應(yīng)磨平或打磨出過(guò)渡圓弧。另外，還應(yīng)避免過(guò)大的溫度梯度，以免產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而引起蠕變裂紋。因此，加氫反應(yīng)器的催化劑支撐圈采用堆焊結(jié)構(gòu)，保溫裝置采用披掛式結(jié)構(gòu)，設(shè)備本體上不設(shè)置操作平臺(tái)。

設(shè)計(jì)裙座與殼體的連接部位時(shí)通常采用鍛環(huán)與殼體、裙殼對(duì)接結(jié)構(gòu)[5]，以避免層下裂紋，方便檢測(cè)內(nèi)部缺陷。此外，在連接部位還應(yīng)采用熱箱結(jié)構(gòu)[6]，以降低由過(guò)大的溫度梯度而引起的溫差應(yīng)力。冷氫入口結(jié)構(gòu)(圖1)也需考慮如何避免溫度梯度過(guò)大，設(shè)計(jì)時(shí)采用隔熱結(jié)構(gòu)，避免器壁產(chǎn)生附加熱應(yīng)力，圖1中支持盤、壓板和環(huán)板通過(guò)填料(柔性石墨纖維)、各層保護(hù)圈及其間的氣體減緩了溫度梯度，避免了附加應(yīng)力。

圖1 冷氫入口結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 內(nèi)件結(jié)構(gòu)

反應(yīng)器內(nèi)件包括入口擴(kuò)散器、氣液分配器、積垢籃、冷氫箱、熱電偶、出口收集器和催化劑支撐盤。由于煤焦油加氫精制和加氫裂化工藝反應(yīng)條件比石油煉油加氫工藝反應(yīng)條件苛刻，且其油品各種組分的反應(yīng)活性都十分高，反應(yīng)放熱量大，容易引起催化劑結(jié)焦后失去活性，因此要求冷氫氣和熱氣相流對(duì)熱液相流的擴(kuò)散程度高，混合均勻性好，即氣相流霧化液相流程度高，液滴尺寸微小，而且要求微小液滴分布均勻性好，避免反應(yīng)器床層局部飛溫和局部缺氫造成加氫催化劑失活。

根據(jù)煤焦油加氫精制和加氫裂化時(shí)的特殊情況，勝幫公司對(duì)加氫反應(yīng)器內(nèi)件設(shè)計(jì)作了如下特殊要求：

a. 積垢籃采用約翰遜網(wǎng)鋪設(shè)形式；

b. 入口分配器采用旋流形式，使氣相流與液相流混合均勻；

c. 冷氫管采用多孔環(huán)形分布形式，使進(jìn)入冷氫氣體分布均勻；

d. 氣液分配器采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)溢流-噴射管型氣液分配器或國(guó)外HD型氣液分配器，可以避免催化劑床層截面出現(xiàn)局部軸向溝流和局部缺氫現(xiàn)象，利用文丘里管噴射原理使催化劑床層徑向溫度梯度不大于3℃，在保證頂部分配盤和再分配盤的開孔率前提下，要求溢流-噴射管型氣液分配器或國(guó)外HD型氣液分配器數(shù)量比泡罩抽吸型氣液分配器多3倍以上；

e. 要求冷氫箱上層密封盤采用滴液-旋流型冷氫盤形式，以利于氣相流對(duì)液相流進(jìn)行有效擴(kuò)散，使注入的冷氫氣體與熱液相流充分?jǐn)U散均勻。

反應(yīng)器內(nèi)件設(shè)計(jì)主要考慮的方面可以歸納為兩點(diǎn)：從工藝角度說(shuō)，要使反應(yīng)進(jìn)料(氣、液相)與催化劑顆粒(固相)三相間有效地接觸，在催化劑床層內(nèi)不發(fā)生流體偏流現(xiàn)象；從設(shè)備設(shè)計(jì)角度說(shuō)，在保證內(nèi)件能具有高效和穩(wěn)定操作的前提下，應(yīng)將內(nèi)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得更加緊湊，盡量縮小空間所占高度，以最大限度地利用反應(yīng)器容積。

1.4 應(yīng)力分析

反應(yīng)器筒體、封頭厚度和法蘭結(jié)構(gòu)可以根據(jù)GB 150計(jì)算確定，除強(qiáng)度計(jì)算可以用常規(guī)方法設(shè)計(jì)外，對(duì)所有不連續(xù)部位的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，并按JB 4732進(jìn)行評(píng)定。首先進(jìn)行溫度場(chǎng)分析和應(yīng)力分析，然后在圖2所示的各局部區(qū)域選取路徑進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，使各路徑上的應(yīng)力強(qiáng)度均滿足要求。

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

由于加氫裝置操作條件的特殊性，反應(yīng)器有可能發(fā)生一些特殊的損傷現(xiàn)象。為防止這些破壞性損傷的發(fā)生，在設(shè)計(jì)中已經(jīng)采取了相應(yīng)的措施，但是在某些特定的條件下仍有可能發(fā)生損傷，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是基于抵御各種失效形式而制定的，以提醒用戶在日常操作、維護(hù)、檢修、檢測(cè)中予以特別對(duì)待，以保障的設(shè)備的安全運(yùn)行。加氫反應(yīng)器可能發(fā)生主要失效模式和預(yù)防措施見(jiàn)表1。

圖2 評(píng)定路徑

主要失效模式原因和重點(diǎn)部位預(yù)防措施及檢測(cè)方法高溫氫腐蝕反應(yīng)器母材2.25Cr-1Mo-0.3V鋼在高溫高壓臨氫環(huán)境下長(zhǎng)期使用,導(dǎo)致反應(yīng)器表面脫碳或內(nèi)部脫碳,形成鼓泡或裂紋操作時(shí)防止超高溫超高壓;加強(qiáng)定期UT及金相檢測(cè)等氫脆開裂反應(yīng)器結(jié)構(gòu)不連續(xù)、焊接接頭、高殘余應(yīng)力及高應(yīng)力集中等部位,處在開停工期間可能發(fā)生氫脆開裂,特別是密封槽根部、支撐圈凸臺(tái)拐角處加強(qiáng)定期MT、PT和目視檢測(cè),消除宏觀缺陷。裝置停工時(shí)應(yīng)使鋼中吸藏的氫釋放出去,避免非計(jì)劃緊急停工高溫H2+H2S腐蝕反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊E309L+E347以抗高溫腐蝕。特別是入口彎管及內(nèi)構(gòu)件等流速較高、氣液兩相部位的腐蝕和沖蝕加強(qiáng)定期測(cè)厚及目視檢測(cè)等回火脆化開裂反應(yīng)器母材2.25Cr-1Mo-0.3V鋼在長(zhǎng)期運(yùn)行后,可能發(fā)生回火脆化和開裂,特別是在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)不連續(xù)、主焊縫焊接接頭、高殘余應(yīng)力及高應(yīng)力集中等部位發(fā)生開裂加強(qiáng)定期MT、PT、目視檢測(cè);在設(shè)備開停工時(shí),采取先升溫后升壓、先降壓后降溫的開、停工措施,升降溫速度以不超過(guò)25℃/h為宜連多硫酸腐蝕開裂在停工期間,反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層、奧氏體不銹鋼接管、法蘭和內(nèi)構(gòu)件可能發(fā)生連多硫酸腐蝕開裂,特別是焊接接頭、高殘余應(yīng)力和高應(yīng)力集中附近的應(yīng)力腐蝕開裂防止潮濕空氣進(jìn)入設(shè)備中形成連多硫酸;停工期間保持干燥、進(jìn)行氮封或中和清洗;加強(qiáng)PT、目視檢測(cè)堆焊層氫致剝離反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊E309L+E347可能發(fā)生氫剝離,特別是在操作溫度和操作壓力發(fā)生緊急放空劇烈波動(dòng)后防止急速降溫和急速降壓后的急速降溫;加強(qiáng)定期UT及聲發(fā)射等檢測(cè)反應(yīng)器內(nèi)壁等不銹鋼表面Cl離子應(yīng)力腐蝕裂紋反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層及對(duì)應(yīng)法蘭等奧氏體不銹鋼堆Cl離子應(yīng)力腐蝕很敏感部位加強(qiáng)對(duì)停工期間所用水Cl離子的控制承壓螺栓裂紋長(zhǎng)期使用后,25Cr2MoVA高強(qiáng)螺栓可能產(chǎn)生裂紋,特別是螺栓根部防止承壓螺栓過(guò)載,加強(qiáng)定期MT、UT和目視檢測(cè),及時(shí)更換

3 結(jié)束語(yǔ)

目前經(jīng)勝幫公司承擔(dān)設(shè)計(jì)的煤焦油加氫裝置有兩套已成功開車運(yùn)行，裝置中共10臺(tái)加氫反應(yīng)器運(yùn)行平穩(wěn)，從前期制造到后期安裝試車，沒(méi)有出現(xiàn)技術(shù)偏離問(wèn)題。其中一套裝置在2012年按計(jì)劃停工檢修，對(duì)反應(yīng)器采用各種無(wú)損檢測(cè)手段進(jìn)行第一次全面檢驗(yàn)，檢查結(jié)果顯示其運(yùn)行狀況良好，說(shuō)明該加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)是成熟可靠的。

[1] 李永紅.工業(yè)用鋼2.25Cr-1Mo與2.25Cr-1Mo-0.25V的性能對(duì)比分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2006，19(4): 44～45

[2] Li Y，Mitchell P S. 釩在鋼中的應(yīng)用[C]. 2003中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集.北京：冶金工業(yè)出版社，2003：2708～2712.

[3] 張寶坤. 淺談鉻鉬鋼壓力容器的設(shè)計(jì)、制造與檢驗(yàn)[J]. 科技信息，2011，(17)：465～466.

[4] 李世玉. 壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程[M].北京：新華出版社，2005：388～390.

[5] 丁伯民，黃正林.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書—高壓容器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[6] 吳致瑩.板焊鉻鉬鋼反應(yīng)器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，1999，20(6)：56～58，64.