加氢反应器的发展现状

北钢院 、合肥通用所五家组成的联合攻关组研制 2125C r21Mo钢反应器材料和制造工艺 , 1986 年制 成模拟环锻件 , 1989 年为抚顺石油三厂生产出我 国第一台锻焊结构的加氢反应器 。其筒体壁厚为 150mm , 内径为 1800 mm , 内壁单层堆焊 , 单 重 220 t, 设计温度为 450℃, 设计压力 2016M Pa。
宽增加的情况下 , 通过调整焊接工艺 , 保证堆焊层 的各项性能指标 。多头堆焊和宽焊带堆焊技术的应 用 , 提高了加氢反应器的堆焊效率 , 缩短了反应器 的制造周期 。
(5) 单层堆焊代替双层堆焊技术 目前国内基本上采用双层堆焊层来保证反应器 的抗腐蚀性能 。第一层为过渡层 , 主要是保证堆焊 层和母材的结合强度 , 表面为抗腐蚀层 。双层堆焊 ( TP 309L + TP 347)的优点为堆焊工艺成熟 、堆焊 质量容易得到保证 , 但焊材耗量大 , 反应器价格相 对较高 。通过开发新型的堆焊材料和堆焊工艺 , 国 外单层堆焊技术得到广泛应用 (约占 60% ) 。单层 堆焊 ( TP 309 Cb)的优点是焊材消耗量少 , 焊接周 期短 , 技术要求高 , 经济性较好 。采用单层堆焊已 成为加氢反应器堆焊技术发展的主流 。 213 成形技术 (1) 反应器封头分瓣成形技术 整体球形封头是加氢反应器较好的结构形式 。 目前 , 采用整体球形封头主要有整张钢板或锻板压 制成形和整体封头加过渡段两种结构形式 。但随着 加氢反应器直径不断增大 , 钢板宽度和锻板能力的 限制以及过渡段的不经济性 , 分瓣封头成为必然 。 分瓣封头的关键是热处理工艺的制定 , 要保证 封头成形热处理及最终焊后热处理后 , 封头的各项 性能指标良好 , 结构尺寸稳定 。国外分瓣封头已广 泛采用 , 而国内正在进行分瓣封头成形技术方面的 试验研究工作 。 (2) 直管堆焊后弯管技术 加氢反应器的顶部和底部油气进 、出口接管均 需采用无缝弯头结构 , 国内制造厂家均采用把弯头 按 30°等分切割 , 分别堆焊后组焊成形 。但国外反 应器制造厂基本采用直管堆焊后 90°煨弯成形 , 目 前国内制造厂家正在进行相关的试验研究 , 使堆焊 层从直管状态到 90°弯曲状态下 , 各项性能指标能 够满足设计要求 。
由中国一重大连加氢反应器制造有限公司为中 石油大连石化分公司建造的 1400 t的特大型加氢反 应器 , 2007年 3 月从一重加氢反应器制造公司的 棉花岛基地研制成功 , 并运往大石化 。该加氢反应 器总长为 46m , 外围直径为 419m , 是我国自主建 造的最大吨位原油冶炼装备 。 113 加氢反应器的作用和操作条件 [ 2, 5, 6 ]
1 加氢反应器
111 加氢反应器的发展历史 加氢反应器的发展可分为 4个阶段 [ 1, 4 ] : 第一阶段从 1963 年日本制钢所正式生产第一
台加氢反应器为标志 , 早期由 Cr - Mo钢板 (少量 用锻件 )内壁加不锈钢复合板焊接完成 , 20世纪 70 年代前后内壁用堆焊不锈钢的板焊或锻焊结构所代 替 。20世纪 70年代后期我国开始引进加氢裂化装 置。
加氢反应器设计遵循的最重要准则是安全性 , 在设计观点和方法上 , 从以弹性失效准则为理论基 础的 “常规设计 ”发展到以塑性失效与弹性失效 准则为理论基础的 “分析设计 ”, 应用流体分析模 型和应力分析技术进行流体场和温度场的模拟 , 解 决了反应器高应力区和高温度区的应力计算 , 大大 提高了计算的准确性和使用的安全性 。 (2) 材料方面的进展
主要的成果有 : 在该时期美国 [ 2, 3 ]和日本等国 家在开发高强度 Cr2Mo钢的基础上 , 接着又开发了 2125C r2lMo2V 钢 , 1991 年 ASM E 以规范案例 2098
- I予以认可 ; 日本制钢所开发了 3C r2lMo2V 2Ti2B 钢及其焊接技术 , 日本制钢所于 1987 年将该技术 用于制造工程试验用 3Cr2lMo2V 2Ti2B 钢锻焊加氢反 应器 , 不久日本神户制钢开发了 3C r1Mo2V 2Nb2Ca 钢 , 1993年 ASM E以规范案例 2151予以认可 ; 中 国于 l994 年开始开发 3C r21Mo20125V 材料 、进行 焊接工艺试验 , 1998 年取得成功 , 并很快得到应 用 , 1999 年又开始开发 2125Cr21Mo20125V 材料 、 进行焊接工艺试验 , 2000 年取得成功 , 并得到应 用。 112 加氢反应器在我国的应用
第二阶段是改良期 , 由于材料脆化造成的事 故 , 开始 研 究 回 火 脆 化 问 题 , 并 控 制 J 系 数 ≤ 300、250、180、150 ( % ) 。
第三阶段是成熟期 , 制造技术逐渐成熟 , J 系 数 ≤ 130。该时期国内开始制造锻焊结构加氢反应 器 , 1983 年由洛阳院 、一重厂 、抚顺 石油 三厂 、
钢母材 、焊缝金属 钢母材 、焊缝热影响区 反应器开口锻件与壳 体连接部位焊缝热影 响区
奥氏体不锈 高温操作氢扩散入钢 反应 器 内 部 堆 焊 层 ,
钢 焊 接 部 位 内 , 停工后冷却速度 内构件连接焊缝 , 垫
的氢脆裂纹 快易开裂
片密封槽
奥氏体不锈 钢堆焊层的 剥离
应力集中裂纹
奥氏体不锈 钢连多硫酸 应力腐蚀裂 纹
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加氢反应器的发展现状
加氢反应器的发展现状
陈晓玲 3 1, 2 李多民 1 段滋华 2
(1茂名学院机电工程学院 2太原理工大学 )
摘 要 介绍加氢反应器Байду номын сангаас发展历史 、工艺操作条件 、大型化的发展趋势及存在的一些问 题 , 分析加氢反应器材料和技术方面的进展 , 提出加氢反应器缺陷修复技术 。对加氢反应 器的安全运行和设计具有一定的指导意义 。
为获得高质量的石油加工产品或增产石油化工 原料和中馏分油 , 以及适应高含硫原油 , 劣质原油 深加工的需要与改善环境条件等目的 , 在现代化石 油加工工业中出现了加氢工艺装置 。加氢反应器分 为加氢精制反应器和加氢裂化反应器 , 其在加氢工 艺中的目的就是为原料油和氢气在催化剂和温度压 力条件下进行反应提供场所 。随着现代炼油技术的 不断发展与提高 , 热壁加氢反应器以其效率高 、故 障率低 、结构简单等独特的优点 , 相继在炼油厂加 氢装置中投入运行 , 取得了很高的经济效益 。 20 世纪 80年代以来 , 我国石化系统热壁加氢反应器 已逐步取代了原来的冷壁加氢反应器 。
第四阶段是更新期 , 对服役 20 多年的设备进 行更新 , 同时又满足新的加工工艺和大型化的要 求 , 不断开发新钢种 , 如 2125C r21Mo2V , 3Cr21Mo2
V 2Ti2B , 3Cr21Mo2V 2Nb2Ca, 3Cr21Mo21 /4V , 2C r2 1Mo21 /4V 等 , 以 加 入 V 为 主 进 行 更 新 。2125C r2 1Mo钢的 J 系数 ≤ 100 ( % ) 。
关键词 加氢反应器 材料 技术 进展 缺陷修复
0 前言
在炼油工业中 , 采用高温高压加氢精制技术已 有近半个世纪的历史 。随着加氢裂化和加氢脱硫等 工艺的改进 、轻质油品需求量的增加 、重质原料油 的裂解精制 、防止大气污染等的需要 , 该项工艺技 术在不断进步 , 并带动了加氢精制装置和加氢裂化 装置中的核心设备 - 加氢反应器制造技术的改进提 高和材料的更新换代 。由于目前在役的加氢反应器 已经使用多年 , 出现了一些问题 , 越来越多的人开 始重视其检修和延寿的技术 。
(1) 中空锻造成形技术 目前 , 国内锻焊加氢反应器的壳体筒节均采用 实心浇铸 , 通过加工去掉锻件的中央部分后锻造成 形 。实心浇铸锻造的筒节钢材使用率较低 , 制造工 艺比较复杂 , 特别是采用实心浇铸成形的筒节 , 热 处理工艺要求比较严格 。近年来国外开发并应用了 中空锻造成形技术 , 在浇铸时中心部分放置模具形 成中空锻件 , 再通过锻造加工成形为筒节 。采用中 空成形技术 , 提高了钢材的利用率. 热处理时加快 了筒节的冷却速度 , 改善了筒节的组织性能 。国内 近年来也在进行这方面的试验 , 摸索浇铸和热处理 工艺 。相信在不远的将来 , 采用中空浇铸锻造成形 的筒节锻件将会应用于国内加氢反应器制造 。 (2) 焊接与堆焊技术 加氢反应器的焊接技术包括母材焊接和内壁堆 焊技术 。母材的焊接从手工焊到自动焊 , 从采用常 规坡口到采用窄间隙焊坡口 。从采用单丝自动焊到 双丝窄间隙焊接技术 ; 堆焊技术从双层堆焊到单层 和宽焊带堆焊 , 加氢反应器的焊接技术日趋成熟 。 (3) 双丝窄间隙焊接技术 双丝窄间隙焊接技术是指采用两根焊丝同时进 行主焊缝焊接 。通过改善焊接工艺 , 使焊缝各项性 能指标达到技术规范的要求 。双丝窄间隙焊提高了 焊接速度 , 缩短了加氢反应器的制造周期 。双丝窄 间隙焊在国外广泛应用于加氢反应器的制造过程 中。 (4) 多头堆焊技术及宽焊带堆焊工艺 多头堆焊是在一个反应器筒节上采用两台以上 焊机同时进行堆焊作业 。多头堆焊主要解决两焊带 中间搭接的问题 , 保证焊带搭接处过渡圆滑 , 堆焊 层表面平整 , 性能满足规范要求 。由于过渡层堆焊 技术要求高 , 过渡层较少采用多头堆焊 。宽焊带堆 焊技术是指采用 100mm 以上的堆焊焊带 (国外主 要采用 l20mm 以上的堆焊焊带 ) 进行堆焊 , 在带
高温操作后急冷使母 材与堆焊层界面分离
由于结构的不连续性 和温度应力产生的集 中应力
反应器停工后堆焊上 的 FeS 与湿 空 气 中 的 氧和水反应生成产生 连多硫酸应力腐蚀裂 纹
筒体 、封头堆焊层
裙座与封头连接部位 , 外构件连接部位
反应器内构件和内部 堆焊层
器的制造周期加长 、生产成本不断提高 。为了缩短 制造周期 、降低生产成本 , 保证加氢反应器的安全 可靠运行 , 研究人员开发了新材料 , 应用了许多新 工艺 、新技术 。 211 加氢反应器设计及材料的技术进展 (1) 设计方面的进展
加氢反应器过去基本采用 2125Cr21Mo钢制造 。 由于加氢反应器使用条件更趋高温 、高压和大型 化 , 从 20世纪 80年代开始 , 在 2125C r - 1Mo钢使 用经验的基础上 , 开发成功了增强性 2125Cr2lMo 钢和改进型 2125C r21Mo钢 ( 2125C r21Mo20125V 和 2125 C r21Mo20125V 2Cb2Ca ) 及 改 进 型 3C r21Mo 钢 ( 3C r21 Mo20125V 2Ti2B 和 3C r21Mo20125V 2Cb2Ca ) 。 增强型 2125C r - 1Mo 钢通过改进热处理工艺 , 使
热壁加氢反应器是炼油 、化工行业关键设备 。 通常在高温 、高压 、临氢条件 (所谓高温 、高压 、临 氢条件是指温度 > 250℃,氢分压 > 114M Pa) 下工 作 , 使用条件十分恶劣 。 114 加氢反应器存在的问题
由于热壁加氢反应器主体材料面临介质腐蚀 、 应力腐蚀 、氢腐蚀 、氢脆 、回火脆化和蠕变脆化等 一系列问题 , 其危险性在逐年递增 [ 7～12 ] , 如表 1 所示 。
3 陈晓玲 , 女 , 1984年生 , 硕士研究生 。茂名市 , 525000。
《化工装备技术 》第 30卷 第 1期 2009年
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我国从 20世纪 70年代末开始有了加氢反应器 的制造技术 [ 5 ] 。第一重型机器厂 2002 年初完成了 用 2125C r21Mo20125V 钢材料制造出我国第一台锻 焊结 构 加 氢 裂 化 反 应 器 。反 应 器 设 计 压 力 为 11168M Pa, 设计 温 度 为 450℃, 内 径 4000mm , 切线 长 为 23300mm , 壁 厚 为 150mm , 堆 焊 层 为 TP309L 和 TP347L , 总重为 542 t。
缺陷种类 回火脆化
氢腐蚀裂纹 氢致裂纹 蠕变裂纹
产生缺陷温度和现象 长期在 350 ～593℃下 使用 , 不纯物在晶界 偏析 , 产生脆化 , 材 料脆性转变温度向高 温侧迁移 。 长期在 250℃以上温度 使用 , 介质与钢产生 表面和内部脱碳
高温操作后急冷
> 400℃蠕变区域
缺陷存在部位
钢母材 、焊缝金属
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加氢反应器的发展现状
抗拉强 度 由 原 来 的 515 ～ 690M Pa 提 高 到 585 ～ 760M Pa。改进型钢在原有材料化学成分的基础上 , 添加 012% ～013%的钒等元素来达到更高强度 、 更好的抗高温回火脆性及优越的抗堆焊层氢剥离性 能 。近年来得到迅速推广应用 , 特别是 2125Cr 1Mo - 0125V 已成为目前制造加氢反应器的首选材 料。 212 加氢反应器制造过程中应用的新技术 [ 13～16 ]
2 加氢反应器各方面技术的新进展
加氢反应器由于长期处于高温 、高压 、临氢 、 高温硫和硫化氢环境 , 其使用条件苛刻 , 因此设计 和制造难度较大 。长期以来 , 国内外对其设计 、材 料和制造技术进行了大量的理论研究和工程实践 。 特别是近年来 , 随着加氢装置的大型化 , 加氢反应
表 1 加氢反应器产生的缺陷及部位