熱壁加氫反應(yīng)器的設(shè)計特點及風險評估

何 偉

(陜西煤業(yè)化工集團(上海)勝幫化工技術(shù)有限公司)

由陜西煤業(yè)化工集團(上海)勝幫化工技術(shù)有限公司(以下簡稱勝幫公司)承擔設(shè)計的年產(chǎn)50萬t煤焦油加氫裝置共有6臺加氫反應(yīng)器(4臺加氫精制反應(yīng)器和2臺加氫裂化反應(yīng)器)，設(shè)計壓力17.5MPa，設(shè)計溫度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對鋼材有強烈的腐蝕性，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，因而在整個設(shè)計過程中針對主體材料、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，使其具有獨特的設(shè)計特點。

1 設(shè)計特點

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)計應(yīng)力強度比普通的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)計時有必要對鋼材作出如下要求：

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. 對鋼材提出控制回火脆化的要求，勝幫公司設(shè)計的加氫反應(yīng)器對2.25Cr-1Mo-0.3V鋼采用控制指標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℃，通過對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]。

以上對材料的嚴格限制要求，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)計和制造要求，較鍛焊結(jié)構(gòu)具有制造周期短及造價低等特點。

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)磨平或打磨出過渡圓弧。另外，還應(yīng)避免過大的溫度梯度，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。

設(shè)計裙座與殼體的連接部位時通常采用鍛環(huán)與殼體、裙殼對接結(jié)構(gòu)[5]，以避免層下裂紋，方便檢測內(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大，設(shè)計時采用隔熱結(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)板通過填料(柔性石墨纖維)、各層保護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熱液相流的擴散程度高，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的特殊情況，勝幫公司對加氫反應(yīng)器內(nèi)件設(shè)計作了如下特殊要求：

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，使進入冷氫氣體分布均勻；

d. 氣液分配器采用國內(nèi)先進溢流-噴射管型氣液分配器或國外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，以利于氣相流對液相流進行有效擴散，使注入的冷氫氣體與熱液相流充分擴散均勻。

反應(yīng)器內(nèi)件設(shè)計主要考慮的方面可以歸納為兩點：從工藝角度說，要使反應(yīng)進料(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)計角度說，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計算確定，除強度計算可以用常規(guī)方法設(shè)計外，對所有不連續(xù)部位的局部結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析，并按JB 4732進行評定。首先進行溫度場分析和應(yīng)力分析，然后在圖2所示的各局部區(qū)域選取路徑進行強度評定，使各路徑上的應(yīng)力強度均滿足要求。

2 風險評估

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，風險評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、檢修、檢測中予以特別對待，以保障的設(shè)備的安全運行。加氫反應(yīng)器可能發(fā)生主要失效模式和預(yù)防措施見表1。

圖2 評定路徑

主要失效模式原因和重點部位預(yù)防措施及檢測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防止超高溫超高壓;加強定期UT及金相檢測等氫脆開裂反應(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、支撐圈凸臺拐角處加強定期MT、PT和目視檢測,消除宏觀缺陷。裝置停工時應(yīng)使鋼中吸藏的氫釋放出去,避免非計劃緊急停工高溫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定期測厚及目視檢測等回火脆化開裂反應(yīng)器母材2.25Cr-1Mo-0.3V鋼在長期運行后,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)生開裂加強定期MT、PT、目視檢測;在設(shè)備開停工時,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入設(shè)備中形成連多硫酸;停工期間保持干燥、進行氮封或中和清洗;加強PT、目視檢測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后防止急速降溫和急速降壓后的急速降溫;加強定期UT及聲發(fā)射等檢測反應(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對停工期間所用水Cl離子的控制承壓螺栓裂紋長期使用后,25Cr2MoVA高強螺栓可能產(chǎn)生裂紋,特別是螺栓根部防止承壓螺栓過載,加強定期MT、UT和目視檢測,及時更換

3 結(jié)束語

目前經(jīng)勝幫公司承擔設(shè)計的煤焦油加氫裝置有兩套已成功開車運行，裝置中共10臺加氫反應(yīng)器運行平穩(wěn)，從前期制造到后期安裝試車，沒有出現(xiàn)技術(shù)偏離問題。其中一套裝置在2012年按計劃停工檢修，對反應(yīng)器采用各種無損檢測手段進行第一次全面檢驗，檢查結(jié)果顯示其運行狀況良好，說明該加氫反應(yīng)器的設(shè)計是成熟可靠的。

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