加氫反應器的日常管理及檢驗

馮勇杰 卓全錄

（1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院濮陽分院，河南 濮陽 457000；2.濮陽市環境保護科學研究所，河南 濮陽 457000）

隨著大氣污染不斷加劇，輕質油品需求量逐年增加，在原油煉制等化工行業中，采用高溫高壓的加氫精制技術越來越普遍，加氫精制裝置和加氫裂化裝置中的核心設備——加氫反應器已經成為石油化工提煉重要關鍵裝置設備。目前在役的加氫反應器已經使用多年，加上其工作溫度高，壓力大，運行條件極為苛刻，同時為了獲得更佳的經濟效益，加氫反應器正向大型化方向發展，這些都對加氫精化反應器的安全運行提出了嚴峻考驗。因此，加強加氫精化反應器的日常管理與維護，嚴格按照《固定式壓力容器安全技術監察規程》（TSG R0004-2009）做好制造及安裝過程中的監督檢驗及運行過程中的定期全面檢驗，及時發現安全隱患，減少和遏制事故發生。

1 加氫反應器運行現狀

1.1 加氫反應器的結構及制造材料

1963年，日本制鋼所生產出第一臺加氫反應器，石油煉化進入了一個嶄新的時期。我國從20 世紀70年代末開始有了加氫反應器的制造技術[1]。

目前在役的加氫反應器結構形式主要有多層結構、板焊結構和鍛焊結構三種。多層結構內筒選用抗氫腐蝕和H2S的材料。外層板一般為高強鋼。由于多層結構存在結構上的不連續性，會造成較大的熱應力和因缺口效應，從而使疲勞強度下降，一般適用于溫度低于350℃和壓力相對平穩的場合。板焊結構有縱、環焊縫，焊縫多，相對于多層機構而言，具有連續性強，結構簡單，便于對容器進行無損檢測等優點。由于加氫反應器承壓較高，壁厚較厚，焊接工作量大，焊接質量較難保證。鍛焊結構僅有環焊縫，對提高反應器耐周向應力的可靠性有利，而且焊縫少，焊接質量較易保證，目前已廣泛應用。目前在役的加氫設備主要為板焊結構和鍛焊結構兩種。

從其使用狀態下高溫介質是否直接與器壁接觸可分為熱壁結構和冷壁結構。冷壁結構內設非金屬隔熱襯里，因壁溫低，可選用耐氫腐蝕檔次較低的材料，即使反應物料中含有H2S時，對器壁的腐蝕也不大。冷壁結構容易造成器壁局部過熱，安全性差，雖然目前在役的數量仍然占多數，但新建工程已較少使用。熱壁結構反應器介質與器壁直接接觸，容易對器壁造成腐蝕，但隨著反應器焊接技術及耐腐蝕材料的發展，此類反應器國外已占統治地位，我國也完全可以自主設計制造此類容器，目前新建工程大部分為熱壁反應器。目前熱壁結構加氫反應器已經得到廣泛應用。

早期的加氫反應器由Cr-Mo鋼板內壁加不銹鋼復合板焊接完成，20 世紀80年代，我國研制出2.25Cr-1Mo 鋼反應器材料和制造工藝。20世紀90年代，隨著設備大型化的要求以及新加工工藝不斷涌現，通過加V 改變J 系數，從而改變Cr-Mo 鋼的回火脆性。目前使用的反應器制造材料一般為2.25Cr-1Mo-V、3Cr-1Mo-V-Ti-B、3Cr-1Mo-V-Nb-Ca、3Cr-1Mo-0.25V、2.25Cr-1Mo-0.25V等[2]。

隨著反應器大型化，在組焊方式上也由在加工廠組焊變為安裝現場組焊，甚至由第三方組焊，裝置質量責任主體復雜，由于場地限制，焊接質量檢驗檢測困難，對焊接質量管理及檢驗提出了更高的要求。

1.2 加氫反應器存在的問題

隨著鍛造技術的發展及鍛造筒體的縮口技術開發，目前反應器回火脆性問題已經得到基本解決。但由于加氫反應器結構復雜，工作條件十分苛刻，且要求設備耐高溫（約400℃～450℃）、耐高壓（8～18MPa），在使用過程中容易產生氫脆、氫腐蝕、硫化氫腐蝕等損傷。加氫反應器在使用過程中常見的問題有以下幾種：

1.2.1 氫脆：所謂氫脆，就是指氫殘留在鋼中所引起的脆化現象。氫原子侵入鋼材，使結晶的原子結合力變弱，或者作為分子狀在晶界或夾雜物周邊上析出的結果，使得加氫反應器器壁延伸率和斷面收縮率顯著下降。

加氫反應器一般在高溫高壓下運行，在此狀態下，器壁中會吸收一定量的氫。在停工的過程中，如果冷卻速度太快，鋼中的氫來不及擴散出來，造成過飽和氫殘留在器壁內，就可能在溫度低于150℃時引起亞臨界裂紋擴展，從而產生裂紋，對設備的安全使用帶來威脅。

氫脆多發生在反應器支持圈角焊縫上以及堆焊奧氏體不銹鋼的梯形槽法蘭密封面的槽底拐角處。

1.2.2 高溫氫腐蝕［3］：高溫高壓條件下，介質中的氫氣擴散侵入鋼中，與不穩定的碳化物發生化學反應，其化學反應方程式為：

產生的甲烷在晶間形成氣泡，并在空穴和非金屬夾雜部位聚集，引起鋼的強度、延性和韌性下降與劣化，同時發生晶間斷裂。

高溫氫腐蝕如果產生在表面，造成表面脫碳，表面脫碳的影響一般很輕，其鋼材的強度和硬度局部有所下降，而延性會有所提高。氫擴散至反應器內部，造成內部脫碳，并產生甲烷，如果甲烷又不能擴散出鋼外，就聚集于晶界空穴和夾雜物附近，形成很高的局部應力，使鋼產生龜裂、裂紋或鼓包，其力學性能發生顯著的劣化。

影響加氫反應器高溫氫腐蝕主要是：①溫度和壓力：溫度越高或者壓力越大發生高溫腐蝕的起始時間就越早。②設備維修焊后熱處理工序：對于淬火狀態，只需經很短時間加熱就出現了氫腐蝕。但是一施行回火，且回火溫度越高，由于可形成穩定的碳化物，抗氫腐蝕性能就得到改善。

1.2.3 高溫硫化氫腐蝕：在加氫反應器中，一般都會有硫化氫腐蝕介質存在。對于以碳鋼或低鉻鋼制的設備，在操作溫度高于204℃，其腐蝕速度將隨著溫度的升高而增加。特別是當硫化氫和氫共存的條件下，它比硫化氫單獨存在時產生的腐蝕還要更為劇烈和嚴重。氫在這種腐蝕過程中起著催化劑的作用，加速了腐蝕的進展。

1.2.4 堆焊層氫致剝離：加氫反應器在設計和制造過程中，為了抵抗H2S的腐蝕，一般在內表面會堆焊幾毫米厚的不銹鋼堆焊層高溫高壓氫環境下操作的反應器，氫會侵入擴散到器壁中。由于制作反應器本體材料和堆焊層用的奧氏體不銹鋼結晶結構不同，造成氫的溶解度和擴散速度都不一樣，使堆焊層界面上氫濃度形成不連續狀態。由于母材的溶解度與溫度的依賴性更大，當反應器從正常運行狀態下停工冷卻到常溫狀態時，在過渡區界面上的堆焊層側聚集大量的氫而引起脆化，造成堆焊層剝離。

2 加氫反應器在役檢驗

由于加氫反應器運行條件苛刻，在運行過程中容易產生高溫氫腐蝕、氫致裂紋、堆焊層氫致剝離裂紋和回火脆性等諸多問題，對加氫反應器嚴格按照《固定式壓力容器安全技術監察規程》（TSG R0004-2009）和《壓力容器定期檢驗規則》（TSG R7001-2013）做好定期檢驗工作尤為重要。

在定期檢驗過程中，應重點關注以下幾個方面：

①應力集中的部位：常見的應力集中部位有法蘭的梯形密封槽、內外部構件與殼體連接的焊縫等；

②焊縫容易產生堆焊層氫致剝離的部位；

③反應器內表面有無鼓包現象；

④器壁尤其是焊縫兩側有無裂紋；

⑤容器在制造及運行過程中的返修部位。

檢驗的重點應該是法蘭密封面、高應力和應力集中區，主焊縫、堆焊層及層下缺陷和主螺栓。

在役檢驗主要采用無損檢測方法進行，包括目視檢查（VT）、磁粉檢測（MT）、滲透檢測（PT）和超聲波檢測（UT）以及超聲波衍射時差法（TOFD）。

3 加氫反應器的使用注意事項

加氫反應器作為加氫工藝的關鍵設備，正確使用并做好定期維護保養能有效減少安全事故發生，同時也能夠顯著延長使用壽命。在使用過程中應注意以下幾點：

①嚴格按照操作規程進行操作；

②盡量避免非計劃的緊急停車；

③在開停工時必須采用較高的最低升壓溫度。即在開工時先升溫后升壓，停工時先降壓后降溫，美國石油協會API推薦MPT（最低升壓溫度）為93℃；

④設備維修時，要根據母材成分及特性合理選擇焊接材料及焊接工藝，宜采用大電流高焊速的堆焊工藝，并及時做好焊后熱處理；

⑤按照《壓力容器定期檢驗規則》（TSG R7001-2013）做好定期檢驗工作。

4 結語

加氫反應器為加氫工藝的關鍵設備，工作溫度高，壓力大，運行條件極為苛刻，在使用過程中容易產生高溫氫腐蝕、氫致裂紋、堆焊層氫致剝離裂紋和回火脆性等諸多問題，在使用過程中，做好日常的管理與維護，避免非計劃的緊急停車，開停工時必須采用較高的最低升壓溫度，設備維修后及時做好焊后熱處理，并做好定期檢驗工作，能有效減少安全事故的發生，并顯著增加反應器使用壽命。

［1］陳曉玲，李多民，段滋華.加氫反應器的發展現狀［J］.化工裝備技術，2009，30（1）：28-31.

［2］張振戎，張文輝，盧春慶.加氫反應器的發展歷史［J］.一重技術，2014，99（1）：1-3.

［3］黎國磊.加氫反應技術［D］，中國石化集團洛陽石油化工工程公司，2009.