加氢反应器运行状况安全分析

加氢反应器运行状况安全分析

由于制作热壁加氢反应器的2.25Cr-1Mo钢是Cr-Mo钢中回火脆化敏感性较高的钢种，而热壁加氢反应器的操作温度又长期处在325～575℃的回火脆化温度区。因此，热壁加氢反应器投入使用后，其材料的回火脆化是不可避免的。在反应器开停工过程中，当器壁温度较低时，器壁材料的韧性就有可能由于氢脆和回火脆共同作用而大幅度下降。此时，如果反应器器壁中的应力水平较高，就有可能诱发脆性破坏事故。为了避免此类事故发生，通常采取的措施是设定反应器的最低升压温度。即当反应器内温度低于最低升压温度时，内压力不能超过预先设定的压力限。对于加氢裂化反应器，通常规定在床层温度低于135℃时，压力不得超过反应器设计压力的1/3。由于在热壁加氢反应器的服役过程中，其材质劣化状况会随着服役时间的增长而逐渐增加，这使得在反应器投用初期偏于安全的限压升温措施到了反应器服役的后期就可能变得危险。因此，根据反应器的材质劣化状况来准确地推断反应器的使用安全状态，并确定合理的最低升压温度，对于保障热壁加氢反应器长期使用的安全性是十分重要的。

根据对试板材料性能所开展的一系列研究结果可以确定，反应器在经过近3万h的运行后，其材料没有发生明显的回火脆化，在现行工况条件下运行发生氢致开裂的可能性也很小。因此，加氢反应器的运行安全更多要取决于操作条件的变化状况。

1 最低升压温度估算

1.1 估算最低升压温度方法

目前比较传统的确定热壁加氢反应器的最低升压温度的方法，是采用如图1所示的安全分析线图。采用这种方法设定最低升压温度时需要具备材料的脆性系

数J、材料屈服强度σ

0.2和材料的上平台冲击功CNV

-us

。推算过程按下面的基本

步骤进行。

（1）根据材料的脆性系数J，由图1a推算出反应器长期服役后材料的FATT。

图1 确定最低升压温度的安全分析线图

（2）根据材料的屈服强度σ

0.2和上平台冲击功CNV

-us

，由Rolfe-Novak关

联式推算出材料在上平台温度下断裂韧度K

IC-US。Rolfe-Novak关联式为：

（KIC/σ

0.2）2=0.647 8(CNV

-us

/σ

0.2

-0.0098)

(3)根据材料的屈服强度σ

0.2，由图1d求出在屈服应力σ

0.2

作用下反应器

中对应于裂纹长度为a

cr的假定裂纹所具有的应力强度因子KIC。

(4)根据以上推算所得的FATT、K

IC-US和K

IC，即可通过图1b和图1c

推算出含有长度为a

cr假想裂纹的反应器不发生脆性破坏的最低升压温度。

1.2 最低升压温度估算

为了在进行最低升压温度估算时有对比性，以反应器为对象，假设其内表面存在a/2c=0.2的半椭圆表面裂纹，分别运用反应器出厂性能数据及试板的冲击性能等数据来估算最低升压温度。在推算过程中，由于采用J系数来推算反应器长期服役后的脆化状况有较大的误差，而直接采用产品试板的步冷试验结果和挂片试板的实测数据。假定内表面半椭圆裂纹的深度a=40 mm，则可推算出相应的最低升压温度，见表1。

表1 最低升压温度估算结果

在以上列举的2种反应器最低升压温度的推算结果中，虽然其总体的结论是一致的，即反应器在现有的操作工艺条件下能够安全运行而不会发生脆性破坏。但是从中也可看到以下2方面的问题：①由不同推算过程得到的最低升压温度结果相差很大。②由推算得到的最低升压温度均远低于实际工艺所采用的最低升压温度。

从以上推算过程可看出，采用步冷试验结果推算反应器长期服役后的回火脆化状况，其结果的可靠程度并不高。因此可以说，在热壁加氢反应器中放置试板，并通过测定试板的回火脆化状况来确定反应器材质回火脆化状况，是唯一可行的准确方法。

2 反应器现存缺陷安全评定

1997年开罐检验过程中，在反应器中检测到的最大缺陷有2处。一处是距离外表面145mm，长度为260mm，宽度为3mm的线性缺陷。另一处是距离外表面205mm，长度为45mm，靠近内壁的线性缺陷。经反复探查确认，这些缺陷均为制造过程中形成的原始缺陷。为了确定这些缺陷对反应器使用安全的危害性，参照CVDA-1984《压力容器缺陷评定规范》对其进行安全评定。根据检测纪录，评定时将第一处缺陷简化为长径比2a/2c=3/260=0.0058的椭圆形埋藏裂纹。第二处缺陷简化为长径比a/2c=6.5/45=0.144的半椭圆形表面裂纹。

2.1 应力分析

因缺陷为环向分布，故只考虑与裂纹面垂直的应力。由于该处焊缝没有明显的几何超标部位，因此，不考虑由于结构不连续引起的应力集中。对所评缺陷平行于焊接方向的埋藏裂纹，根据规范取焊接残余应力为0。因此，埋藏裂纹的等

效拉伸应力σ

eq =σ

m

+σ

t

，其中σ

m

为筒体的轴向膜应力，σ

t

为热应力；而对平

行于焊接方向的表面裂纹，取焊接残余应力σ

r =0.2σ

0.2

。因此，表面裂纹的等

效拉伸应力为σ

eq =σ

m

+σ

t

+σ

r

。

2.2 缺陷的断裂安全评定

分别对埋藏缺陷和近内表面缺陷进行了断裂安全评定，所取工况为较危险的情况，即器内温度降到0℃的降压工况。由于等效应力均小于相应温度下的材料屈服限，因此可以按应力强度因子法进行缺陷评定。评定的结果见表2。

表2 反应器缺陷断裂安全评定结果