再论锻焊式加氢反应器用材的选择

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·2 ·
石 油 化 工 设 备 技 术
2002 年
212 3Cr21Mo2V( F3 V,包括 3Cr21Mo2V2Ti2B 等) 1980 年作为日本通产省阳光计划的一部分 ,
a) 首先 , 不能认 为 F22V 或 F3V 是 F22 的 “新一代”替代产品 ,应各有其用 ,各得其所 。
b) F22 加氢反应器有几十年工业实际使用的
经验 ,对其设计 、制造 、操作使用 、维修保养等都已
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全面掌握 ,这在工程上是非常难能可贵的 。所以 ,
F22 是很成熟的制造热壁加氢反应器的材料 。这
用 F22 制造锻焊式加氢反应器始于 20 世纪 50 年代 ,世界上最大的加氢反应器制造商日本制 钢所 (J SW) 于 1965 年生产出了第一台该种材料 的反应器 。
F22 加氢反应器经过近 40 年的使用实践和 考核证明 :用 F22 材料制造的加氢反应器在小于 等于 454 ℃、氢分压小于或等于 2017M Pa 的条件 下操作是安全可靠的 。截止到 1995 年 ,J SW 已 生产了 F22 材质的反应器 492 台 ,用于世界各国 的炼油厂 。尤其是 1990 年 ,J SW 对美国联合油 公司 6 台已经使用了 26 年的加氢反应器进行了 全面解剖分析 、检测 ,以后又对各国炼油厂在役加 氢反应器作了调研 ,认为发现的问题主要是由于 原始制造过程中存在的缺陷 ,它并没有对生产安
我国在 20 世纪 80 年代开始开发 F22 锻焊式 加氢反应器 ,于 1988 年制造出了第一台 ,用于抚 顺石油三厂 。同年又与 J SW 合作为胜利炼油厂 制造了一台 。从此奠定了基础 ,在冶炼 、制造 、设 计技术上逐渐趋于成熟 。1991 年为镇海石化公 司制造的一台反应器质量已达 560t ,1998 年为胜 利炼油厂制造的一台质量则达 968t 。
292 391 ( - 30 ℃)
d) F22V 材质各方面的性能除低温冲击韧性 不如 F22 外 ,均比较出色 ,高温强度高 ,尤其是在 设计温度高于 454 ℃的场合 ,如煤液化加氢反应 器 ,目前只有 F22V 可供选用 。但 F22V 的实际 工业使用时间较短 ,只有 3～4 年 ,所以还有些工 作要做 。美国负责开发 F22V 钢的 M PC 主席 M. Prager 曾指出 “: 为提高蠕变强度 ,在 3Cr21Mo 和 2 ∀/ Cr21Mo 中加入 V ,而 V 会影响氢迁移性 、应 力松弛与相应的焊接和热处理工艺等 ,焊接热影 响区的蠕变强度还相当低 ,这些尚需做不少研 究 工作”“, 严格控制 F22V的杂质含量可保证其
收稿日期 :2002202204 作者简介 :邵祖光 (1929 —) ,男 ,上海人 ,1951 年毕业于浙江 大学机械系 ,获学士学位 。从事过石化设备设计 、石化规划 工作和压力容器设计规定 、国家标准 、行业标准组编工作 。 现在从事石化设备 、石化行业专题研讨工作 。教授级高级工 程师 。曾任石油化工规划院院长并多年兼任全国压力容器 标准化技术委员会主任委员 。享受国务院颁发的特殊津贴 。 1990 年至今 ,一直兼任本刊编委会主任委员 。获部级以上 奖 8 项 ,发表论文 20 篇 。
项 目
r = Ri 操作应力 r = R c
r = R0 r = Ri 残余应力 r = R c r = R0 r = Ri 合成应力 r = R c r = R0 r = Ri 操作应力 r = R c r = R0 r = Ri 残余应力 r = R c r = R0 r = Ri 合成应力 r = R c r = R0 r = Ri 操作应力 r = R c r = R0 r = Ri 残余应力 r = R c r = R0 r = Ri 合成应力 r = R c r = R0 r = Ri 操作应力 r = R c r = R0 r = Ri 残余应力 r = R c r = R0 r = Ri 合成应力 r = R c r = R0
表 2 应力计算结果
周向应力/ MPa
43218 35619 14218 - 25413 2016 812 17815 33715 15110 43218 30217 14218 - 46516 6716 3119 - 3218 37013 17417 43218 26215 14218 - 64013
F22V 钢具有较好的抗氢腐蚀 、抗氢脆 、抗堆 焊层剥离和抗回火脆性性能 ,且高温强度优于 F3V 。按 ASM E 第 Ⅷ卷第 2 篇的设计应力强度 、 抗氢腐蚀和抗氢致开裂性能 ,可用于设计温度 482 ℃的加氢反应器 。
我国为了追赶世界先进水平 ,于 1999 年组织 开发了 F22V 锻焊式加氢反应器 ,2001 年为镇海 石化公司制造了重型的加氢反应器 。 3 对三种材料的评述
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·6 · Rc 值/ mm
(in)
28158 (11125)
31175 (1125)
34193 (11375)
38110 (115)
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量只占总重的 70 %左右 ,所以只比 F22 的轻 5 %
左右 ,但实际引进的 F3V 反应器单位质量价格却
比 F22 的贵 30 %。
具体地讲 , F3V 反应器的器壁之所以能 减
薄 ,实际是降低了安全系数 。加上 F3V 在温度高
于 454 ℃时的强度降低虽比 F22 缓慢 ,但也不理
想 ,所以 F3V 就没有多大的优越性 ,可以说它是
从 1998 年同自 J SW 引进的 F22 和 F3V 加
氢反应器随机带来的技术数据对比来看 (详见表
1) ,F3V 就没有多大的优越性 。F3V 在高温下的
设计应力强度高 , 完全是出于 ASM E 规范的规
定 ,实际上 F3V 与 F22 的强度差不多 ,而低温冲
击韧性还差 ,且反应器的最终整体重量因器壁质
J SW 开始开发低 Si 的 3Cr21Mo2V2Ti2B 反应器 , 1984 年被列入 ASM E 规范案例 ,1988 年 F3V 纳 入 ASM E 规范 ,但直到 1989 年 J SW 才为加拿大 Husky 炼油厂 ( Husky Oil) 制造了两台 。20 世纪 90 年代中 ,J SW 在我国大力推介这一钢种的优越 性 ,称其抗氢腐蚀 、抗氢脆 、抗堆焊层剥离的性能 好 ,无回火脆性 ,高温 (454 ℃) 强度高 。其价格仅 比 F22 高 10 % ,而高温强度比 F22 高 8 %～10 % , 反应器壁就可减薄 10 %左右 ,随之质量也可减轻 10 %左右 ,两者相抵 ,价格相当 。从 1996 年开始 , 我国有几家石化公司相继从 J SW 引进了该种材 质的加氢反应器 。
关键词 :锻焊式加氢反应器 ;选材 ;分析对比 中图分类号 : TE966 文献标识码 :B 文章编号 :100628805 (2002) 0620001202
1 前言 我国加入 W TO 后 ,石油产品要参加国际竞
争 ,其质量也将与国际接轨 ,因此在“十五”期间 , 不少炼油厂要求上加氢裂化装置 ,其主要核心设 备 ———锻焊式反应器的选材因影响造价就引起了 重视 ,而目前可供选用的材料主要有三种 (类) : 2 ∀/ Cr21Mo ( F22) 、3Cr21Mo2V ( F3V) 、2 ∀/ Cr21Mo2 V ( F22V) 。这三种 (类) 材料 ,国内 、国外都能生 产 、制造 。但在选择时 ,笔者认为 :应首先结合国 情 ,结合实际 ,技术必须与经济相结合 ,实事求是 , 不能盲目地追求所谓先进 ,否则就不是一个好设 计 、好抉择 ,而是一种浪费 。 2 三种材料的发展历史和一般情况 211 2 ∀/ Cr21Mo( F22)
1998 年 1 月 , 日 本 神 户 制 钢 厂 为 美 国 Chevron 公司制造了世界上第一台 F22V 钢制加 氢反应器 ,1999 年又为 Clark Refining 制造了一 台 。1998 年意大利 Belleli Energy 为 BP 炼油公 司 (BP Refinery Ltd. ) 也制造了两台 。
全和操作工艺造成影响 。20 世纪 80 年代中期以 后 ,尤其是 90 年代 ,在总结经验的基础上 ,对新制 造的锻焊式加氢反应器 ,在冶炼技术 、制造质量和 结构设计等方面 ,均有了较高的要求和标准 ,其总 体技术水平在不断地提高和改进 。例如 : X 系数 起初大于 20 ,现在要求小于 15～10 ,甚至小于 8 ; J 系数最初甚至大于 300 ,现要求小于 150～120 或 100 ,实际可小于 60 。钢中的有害元素已可进 行有效地控制 , S、P 含量都可以达到 0101 %以 下 ,在 0100 级的水平 。所以 ,从 20 世纪 80 年代 末开始制造的加氢反应器就未出现问题 。胜利炼 油厂的加氢裂化反应器就是一例 。
种材质的锻焊式加氢反应器 (包括润滑油加氢) 在
抗氢腐蚀 、抗氢脆 、抗堆焊层剥离和抗回火脆性等
方面完全能满足炼油工艺的要求 ,并且我国的制
造能力也能满足单套炼油装置规模大型化的要
求。
c) F3V 加氢反应器虽有十几年的历史 ,J SW
也曾制造了几十台 ,但这是在 F22V 材质焊接技
术等问题未解决的情况下应运而生的 。
为了国产化 ,我国从 20 世纪 90 年代末期开 始开发 F3V 加氢反应器 ,于 1999 年制造出的第 一台反应器已用于克拉玛依炼油厂 。现在第一重 型机械集团公司又承接了七台 。 213 2 ∀/ Cr21Mo2V( F22 V, 包 括 2 ∀/ Cr21Mo2V2 Cb2Ca 等)
F22V 钢是 1981 年美国 API 和材料性能协 会 (MPC) 最早着手开发研究的材质 ,主要目的是 用于操作温度较高的 (482 ℃) 煤液化加氢反应器 。 F22V 锻件虽于 1990 年列入 ASM E 案例 ,但因其 技术 、焊接问题较多 ,难度较大 ,一直到近期才获 得解决 ,并已列入了 ASM E 规范 。
一种“过渡性”材料 。
表 1 F22 和 F3 V力学性能对比
材 料
σb/ M Pa
σs/ M Pa
σtb(450 ℃) / σts(450 ℃) /
M Pa
M Pa
A KV/ J
3Cr21Mo2V 619
476
468
206 391 ( - 18 ℃)
2 ∀/ Cr21Mo 604
466 471 (454 ℃)
128 6916 - 20715 39015 21214 43218
232 14218 - 78314 19518 12015 - 35016 42718 26313
径向应力/ MPa
- 29010 - 21412
0 0 - 1214 0 - 29010 - 22616 0 - 29010 - 15919 0 0 - 3517 0 - 29010 - 19516 0 - 29010 - 11918 0 0 - 5814 0 - 29010 - 17812 0 - 29010 - 8912 0 0 - 7213 0 - 29010 - 16115 0
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石油 化 工 设 备 技 术 , 2 0 0 2 , 2 3 ( 6 ) ·1 · Petro2Chemical Equipment Technology
再论锻焊式加氢反应器用材的选择
邵祖光
(中国石油化工咨询公司 ,北京 100029)
摘 要 :介绍了锻焊式热壁加氢反应器目前可供选择的三种材料 ———2 ∀/ Cr21Mo ( F22) 、3Cr21Mo2V ( F3V) 和 2 ∀/ Cr21Mo2V ( F22V) 在国内外的使用情况 。对三种材料的抗氢腐蚀 、抗氢脆 、抗堆焊层剥离和抗回 火脆性等性能进行了分析对比 ,并对我国炼油工业加氢反应器的设计选材提出了建议 ,指出 “: 炼油工业的加 氢反应器应优先考虑采用 F22”“, 应做详细的技术经济比较”。