加氫反應器RBI 檢驗及缺陷分析處理

吳遠建 李修能 趙文靜 張春義

（中國特種設備檢測研究院）

加氫裂化是原料油在高溫、高壓和催化劑共同作用下進行的加氫、脫硫、脫氮、分子骨架結構重排及裂解等反應的一種催化轉化過程。 盡管加氫裂化有很多種工藝過程，但其中反應可概括為兩類——加氫精制反應和加氫裂化反應。 加氫精制反應一般指原料油的凈化，即雜原子烴中雜原子的脫除反應，如加氫脫硫、加氫脫氮及加氫脫金屬等；加氫裂化反應主要是烴類的加氫異構化和裂化反應。 完成這兩類反應的加氫裂化裝置的核心設備是加氫反應器。 其中，加氫精制反應器完成原料油的凈化以滿足加氫裂化進料的要求；加氫裂化反應器完成原料油的裂化反應，將重質油轉化為輕質油，為后續工藝分割不同的產品提供原料［1］。

精制反應器一般操作壓力4～14MPa，操作溫度371～454℃； 裂化反應器操作壓力10～21MPa，操作溫度343～454℃。兩種反應器處于高溫、高壓且臨氫的工況下，物料含有硫、氮等雜質，與氫反應生成具有腐蝕性的硫化氫和氨，該反應是放熱反應，難免出現局部超溫損傷反應器，再加上許多設備超期服役產生各種缺陷，RBI 檢驗能有針對性地發現存在的安全隱患，是保障此類設備安全運行的重要手段。

1 加氫反應器主要損傷機理

加氫反應器本體采用低合金鋼制造，以防高溫氫腐蝕，一般選用2.25Cr-1Mo 鋼為基底、奧氏體不銹鋼（321、347 等不銹鋼）做內構件，并用奧氏體不銹鋼堆焊防止氫氣、硫化氫腐蝕。 損傷機理有高溫硫化氫/氫氣腐蝕、高溫氫腐蝕、再熱裂紋、回火脆化、連多硫酸應力腐蝕開裂、堆焊層氫致裂紋、堆焊層剝離、保溫層下腐蝕和開裂、承壓螺栓裂紋和不銹鋼表面氯離子應力腐蝕裂紋［1］。

1.1 高溫硫化氫/氫氣腐蝕

在催化劑的作用下，原料油中的硫在臨氫環境下生成硫化氫，高溫（溫度超過204℃）時H2S與H2介質同時作用時腐蝕會加劇， 腐蝕形態為均勻腐蝕。 失效部位多在襯里和基材，特別是入口彎管、內構件等流速較高、氣液兩相共存的部位易發生腐蝕和沖蝕。

1.2 高溫氫腐蝕

反應器母材在高溫、高壓且臨氫工況下長期運行，鋼中的碳與氫反應生成甲烷氣體，導致表面脫碳或內部脫碳形成鼓泡或裂紋。

1.3 再熱裂紋

金屬在焊后熱處理或高溫服役期間，高應力區發生應力消除或應力松弛，粗晶區應力集中區域的晶界滑動量超過該部位塑性變形能力而發生開裂。 長期運行后，反應器外表面可能產生裂紋，特別是在結構不連續、焊接接頭、高殘余應力區、高應力集中區、補焊處以及割除制造中臨時附件處等部位。

1.4 回火脆化

回火脆化為低合金鋼長期暴露在343～593℃范圍內， 在此操作溫度下材料韌性沒有明顯降低，但材料組織微觀結構有所變化，降低溫度后會發生脆性開裂。回火脆化主要發生在開/停車階段，開車時先升溫再升壓，停車時先降壓再降溫可有效防止回火脆化。

1.5 連多硫酸應力腐蝕開裂

奧氏體不銹鋼經歷大于425℃的高溫階段時，過飽和的碳向奧氏體晶粒邊界擴散，并與鉻元素化合形成碳化鉻，使得晶界附近貧鉻。 碳化物在晶界沉淀稱之為敏化。 在停工期間，設備內壁的硫化物腐蝕產物，與空氣和水反應生成連多硫酸，對敏化后的奧氏體不銹鋼（如焊接接頭熱影響區）易引起連多硫酸應力腐蝕開裂，一般為沿晶開裂，能在短短幾分鐘或幾小時內迅速擴展穿透，大多發生在反應器內壁復合層、堆焊層、奧氏體不銹鋼接管法蘭和內構件處。 氮氣保護或者保持溫度在露點以上是防止停工過程中連多硫酸應力腐蝕開裂的有效方法。

1.6 堆焊層氫致裂紋

在高溫、高壓且臨氫環境中，氫氣會擴散侵入鋼材中。 在反應器停工冷卻時，若溫度較快降至150℃以下，氫氣來不及向外釋放，鋼中會保留一定量的氫，在某些情況下可能導致開裂，裂紋從表面產生并向母材方向擴展。

堆焊層的表面裂紋一般出現在可能存在三向應力的內件支撐表面，通常有以下特征：

a. 裂紋一般出現在熱壁反應器內支撐凸臺的部位；

b. 裂紋以環向裂紋和龜裂為主；

c. 鐵素體含量偏高或偏低的部位容易出現裂紋；

d. 裂紋從堆焊層表面向內部擴散，嚴重時會穿透347 堆焊層，大部分終止在347 與309 堆焊層的界面上，極少數裂紋會穿透309 過渡層。

反應器上最易發生氫致裂紋的部位是主法蘭梯形密封槽底部拐角處和內部支撐圈的角焊縫部位。 裂紋的產生與不銹鋼中氫含量的多少有很大關系。 如果堆焊層中有σ 相，σ 相脆化與氫脆作用疊加，會使堆焊層金屬的延伸性遭到進一步損傷，更易引發裂紋。

在設備停車時，放慢冷卻速度，較高溫度階段多停留一段時間，以利氫釋放；設置脫氫工藝；應避免異常升溫和緊急停車； 避免水壓實驗；升壓時采取措施將設備壁溫升至20℃以上可有效防止此類缺陷產生。

1.7 堆焊層剝離

堆焊層與母材的界面在正常操作環境中積累了很多氫，停車冷卻時來不及逸出被滯留在界面上。 冷卻時，反應器內壁比外壁降溫快，加上堆焊層與母材的熱膨脹系數有差別，會產生較大的切向應力，再加上材料氫脆等因素的疊加，導致比較薄弱的部位產生剝離。 停車時，應緩慢降溫使晶界間吸收的氫充分釋放。

1.8 保溫層下腐蝕和開裂

由于保溫材料受潮或受到污染，可能導致反應器外表面銹蝕甚至開裂，應定期進行保溫層的完好檢查和保溫層材料的質量檢查。

1.9 承壓螺栓裂紋

長期使用后高強螺栓可能產生裂紋，特別是螺紋根部。

1.10 不銹鋼表面氯離子應力腐蝕裂紋

反應器內壁復合層、堆焊層及法蘭等奧氏體不銹鋼對氯離子應力腐蝕很敏感，應加強對停工期間所用水的氯離子的控制［2］。

2 加氫反應器RBI 策略

以某煉化企業一臺加氫精制反應器R1101為例，通過RBI 分析軟件得出風險矩陣如圖1 所示，風險評估結果見表1。

表1 反應器風險評估結果

圖1 反應器風險評估矩陣

根據反應器R1101 的風險評估結果，初步制定的檢驗策略如下：

a. 檢驗類型。 停車內外部檢驗、宏觀檢驗和壁厚測定。

b. MT 檢測。 外表面對接焊縫及其附近母材不低于20%檢測；接管抽查。

c. PT 檢測。 內表面手工堆焊部位PT 抽查。

d. UT 檢測。 對接焊縫及其附近母材不低于20%檢測。

e. TOFD 檢測。 對接焊縫不低于10%檢測；硬度抽查；內表面鐵素體抽查；金相抽查（硬度異常時進行）。

3 檢驗方法及缺陷處理

3.1 資料審查

根據損傷機理可以看出，很多損傷發生在設備開/停車過程中，資料審查時應重點抽查企業年度檢查報告、運行記錄、開/停車記錄、運行條件變化情況和運行中出現異常情況的記錄，并針對異常情況選擇有效方法進行檢驗檢測。

3.2 宏觀檢測

針對加氫反應器這類壓力容器，應對其內/外部進行整體宏觀檢測。 內部，重點檢查是否有堆焊層開裂、鼓包、氣孔及腐蝕沖蝕等缺陷；外部，檢查保溫層情況和拆除保溫層檢查反應器外表面是否有銹蝕、裂紋等缺陷。 宏觀檢測的重點部位為主焊縫、接管焊縫、凸臺及其他應力集中部位，以及人孔、接管密封面及螺栓等部位。 螺柱應逐個清洗后再檢驗其損傷和裂紋情況，重點檢驗螺紋及其過渡部位有無環向裂紋，必要時進行無損檢測。

3.3 測厚

采用超聲測厚法對反應器筒體、封頭和堆焊層厚度分別進行測量。 接管測量時，如發現存在分層情況，應增加測點或采用超聲檢測，查明分層分布情況和母材表面傾斜度。 堆焊層測厚時，應采用與本體相當的試塊進行校準后再用超聲波儀器測量。

3.4 硬度

由檢驗人員選擇有代表性部位進行硬度測量，其中母材、焊縫和熱影響區的硬度應分別測量。 硬度測量時，應在同一位置測量3 次，當3 次測量值中的某一值與另兩個值相比存在較大偏差時，應在該位置附近再次測量進行確認，以判斷是測量誤差還是材料本身問題。 應注意：硬度測量時不要在同一點上反復測量；加氫反應器的硬度應控制在225HB 以下。

3.5 UT 和TOFD 檢測

加氫反應器埋藏缺陷檢測， 優先選擇UT 和TOFD 檢測，必要時可以用NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》中的聲發射檢測方法判斷缺陷的活動性。 主要抽查部位包括封頭環焊縫、筒節環焊縫和制造過程中焊縫曾經過返修的部位。 同時，應對封頭與筒體相連焊縫、筒體焊縫需抽查的環焊縫、筒體催化劑凸臺、冷氫盤凸臺對應的外部上/下各300mm 范圍內堆焊層進行堆焊層剝離、堆焊層內部缺陷和層下裂紋的抽查檢測。

以壁厚138mm+6.5mm 的反應器為例，UT 檢測按照NB/T 47013—2015 《承壓設備無損檢測》中的技術等級C 級檢測，推薦方法如下：

a. 對所檢測焊縫斜探頭掃查聲束通過的母材區域，采用直探頭檢測是否有影響斜探頭檢測結果的分層或其他缺陷；

b. 因結構限制只能進行單面雙側檢測，需使用淺盲區斜探頭對近表面缺陷進行檢測（推薦使用雙K 值檢測）；

c. 推薦采用雙K 值斜探頭檢測焊縫缺陷；

d. 使用直探頭檢測焊縫缺陷；

e. 對于堆焊層內缺陷、堆焊層與基材未結合缺陷和堆焊層層下缺陷，一般應在堆焊層側使用雙晶直探頭和縱波雙晶斜探頭進行檢測，如條件所限可在基材側使用單間直探頭和縱波斜探頭進行檢測。

同時，可抽取一定比例的UT 檢測部位（尤其是UT 檢測出缺陷的區域）進行TOFD 檢測。 因反應器內壁有堆焊層、厚度較厚等原因，TOFD 檢測應使用對比試塊調節檢測靈敏度。 制定檢測工藝時，應充分考慮檢測盲區、探頭頻率、楔塊角度和晶片尺寸的大小。

檢測中發現埋藏缺陷應首先按照TSG 21—2016 《固定式壓力容器安全技術監察規程》8.5.10 部分進行評定，如超過規范要求（因反應器返修過程中的熱處理、焊接等過程都會對反應器性能產生不利因素，影響設備的運行安全，進而報廢則會造成巨大的經濟損失）， 可依據GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》中合于使用原則，對在用含缺陷壓力容器進行安全評定。

3.6 MT 檢測

應對超聲檢測斜探頭掃查區域母材及其焊縫部位進行MT 檢測，為保證檢測重疊率，推薦在檢測面施畫100mm×100mm 左右大小的網格，隨網格依次進行檢測。 主要抽查部位為：

a. 反應器本體外部保溫拆除處環焊縫檢測，主要包括上/下封頭的環焊縫、中部筒節抽查環焊縫、 催化劑及冷氫盤凸臺對應的外部母材部位等；

b. 反應器拆除保溫層處的各類接管，包括進料、出料管和儀表接管的全焊透焊縫；

c. 制造過程焊縫返修部位；

d. 裙座焊縫和主螺栓也應進行抽查檢測。

檢測過程中，針對封頭與筒體焊縫附近的外表面不連續裂紋，主要處理方式為對缺陷部位進行打磨消除并圓滑過渡，按照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》 中8.5.4 進行凹坑評定，如不符合要求則進行返修補焊或通過GB/T 19624—2019 《在用含缺陷壓力容器安全評定》中凹坑缺陷安全評定方法和有限元計算方法對該凹坑進行安全評價［3，4］。

超聲檢測中經常會發現堆焊層剝離缺陷的存在，此時應詳細記錄所使用的儀器探頭、缺陷波形及缺陷面積等信息， 可按TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》 中8.5.11分層缺陷處理，隨后的每次定期檢驗時應監控是否有擴展情況發生。

3.7 PT 檢測

對反應器內/外表面進行滲透檢測，檢測的具體部位是：

a. 外部可抽查部位，因為結構原因或者需要配合磁粉檢測對不確定的缺陷復查時，進行滲透檢測；

b. 上/下封頭環焊縫、筒體環焊縫、內部催化劑凸臺、 冷氫盤凸臺和內部對應堆焊層的上/下500mm 區域；

c. 對接管密封槽、密封墊和接管的堆焊層也應進行檢測。

現場檢測中，PT 檢測發現某臺加氫反應器凸臺堆焊部位下表面開裂，通過對該缺陷附近堆焊層進行硬度、鐵素體和金相檢查，未發現異常。 此種情況可對滲透缺陷部位進行打磨消除，通過安全評定確定剩余厚度是否可以繼續使用。 另一次檢驗檢測中， 發現法蘭密封槽內出現環狀裂紋，經應力分析計算是因螺栓預緊力偏大引起的開裂，此種情況應進行法蘭更換處理。

3.8 鐵素體檢測

鐵素體檢測應重點測定凸臺拐角堆焊部位和手工補焊部位。 堆焊層中適量鐵素體的存在，使之能在臨氫環境中具有較高的抗裂紋生長能力， 但鐵素體含量過高則會造成堆焊層材料脆化、降低材料的韌性及易產生裂紋等弊端，導致脆性破壞。 堆焊層鐵素體含量應嚴格控制在3%～10%之間，若發現局部堆焊層鐵素體超標，應對超標區域內表面進行滲透檢測、外表面進行超聲檢測確認。 若有微裂紋存在，應分析原因并進行修復；若無微裂紋存在，應制定合理措施以監控使用。

3.9 掛片檢驗檢測

反應器長期服役后，容器內壁易產生回火脆化現象，進行各項測試需要在反應器本體進行取樣，因直接從反應器取樣不合理，故反應器內部會放置一定數量且與反應器材料一致的掛片，在停工檢修期間取出進行解剖和測試，掌握準確的測試數據是了解反應器運行狀態的最佳依據。 通常需對掛片進行：宏觀檢查，包括氫鼓泡、堆焊層剝離等；化學成分分析測試，鐵素體測試、常規力學性能測試，金相組織檢查，掛片夏比沖擊試驗，材料延性斷裂韌度試驗等。

中國特種設備檢測研究院承擔的某煉化加氫掛片存在氫鼓泡宏觀缺陷、焊縫金屬脆化系數高于母材等問題，此種情況應重點進行反應器內部本體宏觀檢查、焊縫UT 檢測等。

4 結束語

系統地總結了加氫反應器在運行后定期檢驗時的損傷機理，結合損傷機理通過RBI 給出檢驗策略， 對檢驗檢測的方法和部位進行了論述，同時對近幾年發現的缺陷進行描述，并對缺陷的處理給出了建議。