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关于加氢裂化装置设备及类似设备的问题及检验


加氢裂化装置 容器与管线的 在用检验
合肥通用所压力容器检验站
袁榕 关卫和
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本专题研究重点
1、了解加氢裂化装臵的原理、流程及特点,以及类似高 温、高压、临氢环境中易发生的材料损伤类型。 2、了解2.25Cr-lMo钢,以及其它铬钼钢材料(15CrMoR、 3Cr-lMo-1/4V-Ti-B

)的特性,适用范围和选材依据。 3、了解加氢裂化反应器的结构特点,以及类似大型高压、 厚壁特殊压力容器制造要求和检验方法。 4、研讨加氢裂化反应器和类似大型、高压、厚壁、重要 压力容器制造质量监督检验要点。 5、研讨加氢裂化反应器和类似大型、高压、厚壁、重要 压力容器定期检验方案编制、包括内容、程序的确定、检验 项目和方法的选择,各种检测方法的应用目的和技术特点 6、各种氢损伤检测方法、缺陷处理方法和安全性分析。
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加氢裂化装置原理、流程及特点
加氢裂化是将大分子的重质油转化为广泛使用的小分子 的轻质油的一种加工手段。可加工直馏柴油、催化裂化循环 油、焦化馏出油,也可用脱沥青重残油生产汽油、航煤和低 凝固点柴油。加氢裂化装臵是炼油厂最重要的的生产装臵之 一,在高温、高压、临氢状态下操作。 加氢裂化装臵的工艺流程主要有三种类型方法: ⑴ 一次通过法:所产尾油不参加循环。 ⑵ 部分循环法:所产尾油一部分参加循环,一部分排出 装臵。 ⑶ 全部循环法:所产尾油全部参加循环,不排尾油。 加氢裂化装臵主要设备有加氢精制反应器、加氢裂化反 应器、加热炉、高压热交换器、高压空冷器、高、低压分离 器、高温高压临氢管道、高温阀门等。详见图1、图2、图3、 图4。
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图1

加氢裂化装臵流程简图(带循环尾油)

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图2 大连热壁加氢反应器

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图3

高温高压临氢管线

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图4 热高分

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加氢裂化装置原理、流程及特点
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加氢裂化装臵是在高温、高压条件下操作,介质为烃 类、氢气和硫化氢,运行条件较为苛刻。 高温氢的腐蚀-表面脱碳和内部脱碳(氢腐蚀:高温 高压氢扩散进入钢中并和不稳定的碳化物反应生成甲 烷气体) 高温氢-硫化氢的腐蚀(腐蚀形态为硫化氢对钢的化 学腐蚀,在富氢环境中90%~98%的有机硫将转化为硫 化氢,在氢的促进下加速对钢材的腐蚀。 设计时通过选材解决-铬钼钢材料作基材,不锈钢复 合堆焊作内衬。
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加氢裂化装置原理、流程及特点
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加氢裂化装臵的操作范围:操作温度380~450℃,操作 压力8~20MPa.

设备名称 设计温度/压力 加氢精制/加氢裂化反应器 ?450 ℃/8~20MPa 高压分离器 ? 260 ℃/8~20MPa 高压热交换器 260 ℃~ 450 ℃

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加氢裂化装置原理、流程及特点
主要腐蚀形态和部位 ? 氢损伤 ? 堆焊层氢致裂纹 ? 连多硫酸应力腐蚀开裂 ? 铬钼钢的回火脆化
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加氢反应器发展简况
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有人把加氢反应器的发展分为4个阶段 第一代从1963年日本制钢所正式生产第一台加氢反应器为标志,早期是Cr -Mo钢钢板(少量用锻件)内壁加不锈钢复合板焊接完成,70年前后用内 壁堆焊不锈钢的板焊或锻焊结构所代替。 70年代后期我国开始引进加氢裂 化装臵。 第二代是改良期,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(%)。 第三代是成熟期,制造技术逐渐成熟, J系数≤ 130。这个时期国内开始制 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、北钢 院、合肥通用所五家组成的联合攻关组研制2.25Cr-1Mo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-筒体壁厚150mm,内径1800,内壁单层堆焊,单 重220吨。设计温度450 ℃设计压力20.6MPa。 第四代是更新期,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2.25Cr-1Mo-V,3Cr-1Mo-V-Ti-B, 3Cr-1Mo-V-Nb-Ca, 3Cr-1Mo-1/4V, 2Cr-1Mo-1/4V 等,以加V为主进行更新。 2.25Cr-1Mo钢的J系数≤ 100(%)。
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加氢反应器发展简况
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>1.4MPa) 工作,使用条件十分恶劣。 我国是在70年代末80年代初开始由国外引进热壁加氢反应器的,目前 的制造能力已达到千吨级(齐鲁石化公司)。煤化工使用的热壁加氢反 应器甚至可以达到2000吨(厚336mm)。据不完全统计国内在用热壁加氢 反应器已达上百台。 热壁加氢反应器主要是由2.25Cr-1Mo钢材和锻件制成的设计壁厚大 致在在80~240mm范围内(锻焊结构( 180~240mm )、板焊结构 ( 80~120mm )),内壁带极堆焊两层奥氏体不锈钢堆焊层(347盖面、 309过渡层,表面不加工,防腐蚀)或单层,设计压力为8~20MPa,设计 温度大致在370~410℃ (目前国内开始大量2.25Cr-1Mo加钒和3Cr1Mo-1/4V-Ti-B等材料制造热壁加氢反应器,设计温度可以达到450℃), 工作介质主要是H2、油、H2S等。 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,国内热壁加氢反应器已使用了 6~20年,其危险性在逐年递增。
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H1

H2

H3
凸台

H4

H5

s-k H6

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图5
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热壁加氢反应器
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加氢裂化装置常用材料
设备名称
加氢精制、裂化反应器 (设计温度≤ 450 ℃/设 计压力8~20MPa) 高压热交换器(温度≤ 260 ℃)

选用材质
板2.25Cr-1Mo(SA387Gr22CL2) +6.5mm(Tp309+347) 堆焊层 或+4mm(TP347)单层浅熔深堆焊 锻2.25Cr-1Mo(SA336F22CL2) + 6.5mm(Tp309+347) 堆焊层或+4mm(TP347)单层浅熔深堆焊 管程:反应流出物:管箱(碳钢、碳钼钢+4~6mm CA;铬钼钢+3mm CA)管板(碳钢、碳钼钢、铬钼钢 + 8mmTP309+347) 壳程:循环氢、原料:壳体(碳钢、碳钼钢、铬钼 钢+ 3mm CA) 管程:反应流出物:管箱(铬钼钢+3mm 1Cr18Ni9Ti 复合板 或 +6.5mm Tp309+347堆焊层 或 +4mmTP347) 管板(铬钼钢+8mmTP309+347或铬 钼钢+8mmTP410) 壳程:循环氢、原料:壳体(铬钼钢+4mm CA;或 +3mm 1Cr18Ni9Ti 复合板;或+4mmTP347;或 +6.5mm Tp309+347堆焊层) 14

高压热交换器(温度> 260 ℃~450 ℃)

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加氢反应器产生的缺陷及部位
缺陷种类 回火脆化 氢腐蚀裂纹 氢致裂纹 产生缺陷温度和现象 缺陷存在部位 长期在350~593℃下使用,不纯 2.25Cr-1Mo钢母材、焊缝 物在晶界偏析,产生脆化,材料 金属 脆性转变温度向高温侧迁移。 2.25Cr-1Mo钢母材、焊缝 金属 2.25Cr-1Mo钢母材、焊缝 热影响区 >400℃蠕变区域 反应器开口锻件与壳体连 接部位焊缝热影响区 高温操作氢扩散入钢内,停工后 反应器内部堆焊层,内构 冷却速度快易开裂 件连接焊缝,垫片密封槽 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

蠕变裂纹
奥氏体不锈钢 焊接部位的氢 脆裂纹 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 2013-8-4

高温操作后急冷使母材与堆焊层 筒体、封头堆焊层 界面分离 由于结构的不连续性和温度应力 裙座与封头连接部位,外 产生的集中应力 构件连接部位 反应器停工后堆焊上的FeS与湿 反应器内构件和内部堆焊 空气中的氧和水反应生成H2SXO6 层 产生应力腐蚀裂纹 15

材料选择(纯净化)
压力容器专用钢材的纯净化不仅能改善钢的制造工艺性, 如焊接时抗热裂、抗冷裂和抗层状撕裂等工艺性能,更重要 的是能显著改善钢的耐腐蚀、抗应变时效、抗回火脆化等使 用性能,从而可延长压力容器的使用寿命及提高压力容器的 使用安全性。 1、专用钢材珠光体耐热钢(GB150、JB4732) ①、电炉精炼、真空脱氧;②、推荐正火加回火(N+ T ) 。 15CrMoR ( 1.0Cr-0.5Mo ) 、 14Cr1MoR ( 1.25Cr0.5Mo)、12Cr2Mo1R(2.25Cr-1Mo)。 2、抗氢腐蚀和回火脆化 ①、NELSON抗氢曲线 ②、步冷试验控制材料的回火脆化敏感性(制造时机械 性能破坏性评价)。 TT54+2.5 △TT54 ≤38℃ 式中:TT54为原始材料54J转变温度; △TT54 为回火 脆化处理后材料54J转变温度的增量。
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材料选择(纯净化)
3、日本JIS标准对硫磷含量的要求为:P为0.035以下,S为 0.035以下。 日本石油学会对压力容器专用钢材的纯净化提出比较明确 规定,如对于高温和高温高压氢环境下使用碳钢和低合金钢 Cr-Mo钢板及锻件,为了防止在使用过程中逐年老化(蠕变、 蠕变脆化和氢腐蚀),要求压力容器专用钢材的硫、磷含量 取以下值为妥:碳钢:P为0.015以下,S为0.010以下;0.5Mo 钢 :P 为 0.010 以 下 ,S 为 0.008 以 下 ; 1.0Cr-0.5Mo 、 1.25Cr0.5Mo、2.25Cr-1.0Mo、3.0Cr-1.0Mo、5.0Cr-0.5Mo等中温用 钢的P为0.010以下,S为0.008以下。(容规要求P为0.030以 下,S为0.020以下) J系数=(Si+Mn)×(P+Sn)×104≤120;X系数= (10P+5Sb+4Sn+As)×10-2≤15ppm。 湿硫化氢环境下使用碳钢和低合金钢板及锻件,其磷含量 不应大于0.005%,硫含量不应大于0.010%。
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图6 2013-8-4 临氢条件用钢防止脱碳和开裂的操作极限(API941第6版)1998年4月

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2013-8-4 图7 临氢条件用C-0.5Mo和Mn-0.5Mo钢的使用经验(API941第6版)1998年4月

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图8 典型阶梯冷却线图

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制造要求

1、凡选用材料在使用中有可能发生应力腐蚀开裂的情况, 制造后均应进行焊后热处理。对不同材料推荐如下的焊前预 热温度(亦可根据焊接工艺评定确定预热温度)。 Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo≥150℃;2.25Cr-1Mo≥200℃ 奥氏体不锈钢堆焊层≥100℃ 2、焊接施工中应注意问题: ⑴、将应力集中较严重的部位如开口接管、裙座与封头连 接部的角焊缝改为对接焊缝。 ⑵、焊缝的边缘应打磨圆滑过渡,并将焊肉高度磨平以减 小应力集中。 ⑶、焊后热处理(PWHT)温度要选择适当,过高强度降低, 蠕变断裂延性增加。 ⑷、所有角焊缝应彻底检查,以确定无裂纹。反应器制造 过程中为提高密封面309和347堆焊层的韧性和抗裂性能,347 堆焊层应尽量在最终热处理后再堆焊和加工。 3、反应器内部构件的支座台,内裙联接处为防止裂纹可采 用三层堆焊,第一层309,第二层308,最外层347。 2013-8-4 21

制造要求
4、热交换器采用U型管结构时,管子为下列材料时,在弯 制成型后应进行热处理。 ⑴、C-1/2Mo、CrMo钢管在弯曲半径小于5倍管子直径时弯 管部分和相邻直管300mm处应进行退火。 ⑵、1Cr18Ni9Ti(SUS 321)钢管弯制成形后其弯管部分 和相邻直管300mm处要进行固溶化处理,空冷。 ⑶、热处理后管子硬度小于下列值 碳钢:< HRB72或<126HB C-0.5Mo钢: < HRB77或<140HB Cr-Mo钢: < HRB85或<163HB 1Cr18Ni9Ti: < HRB90或<185HB 不锈钢管的快速固溶化处理,采用U型管固溶化电加热处 理装臵,利用电热在20~120秒中将钢管加热到1050℃保温10 秒后,向管内通压缩空气,90秒时间内将温度迅速冷却到 300℃,有效避开不锈钢在450~800℃的敏化区域,消除内应 力。解决不锈钢U形管的应力腐蚀问题。 2013-8-4 22

制造要求
5、在400℃以上的高温条件下,尽量避免采用异种钢的 焊接接头。铬钼钢之间的焊接应采用珠光体焊条,焊后需进 行热处理,一般不推荐用奥氏体焊条焊接及焊后不热处理。 在制造上采取的措施是:根据操作条件的苛刻程度可以 选用双层衬里堆焊(309+347)或单层衬堆焊(347),双层 抗剥离性能要优于单层,如选用单层浅熔深堆焊(PZ法)为 提高其抗剥离性能要适当加大堆焊金属的稀释率。最近国内 采用抗剥离性能好的高速度大电流堆焊法。 为防止堆焊层焊接热裂纹和操作中产生 σ 相,应控制堆 焊层焊后状态铁素体的含量在3~10%范围,堆焊层的铁素体 含量可以采用谢菲尔图(SCHAEFFLER)估算或采用铁素体测 量仪直接在堆焊层上测量。一般情况下后者测量值偏高,尤 其是单层堆焊。
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在用检验的意义
1、随着我国炼制原油含硫、含氮、酸值的增高加重了对 设备的腐蚀。压力容器面临着防止应力腐蚀、腐蚀疲劳、氢 损伤等破坏方式的新课题,如加氢裂化、加氢重整、加氢精 制容器的氢损伤与回火脆化、催化再生器的露点腐蚀、延迟 焦碳塔热疲劳开裂、湿H2S对低合金高强钢设备的应力腐蚀、 冷换设备的cl-腐蚀、尿素设备的晶间腐蚀、化纤设备的醋酸 腐蚀等等。 2、石化企业存在着相当数量的业已达到设计寿命(30年) 的超期服役压力容器。超期服役的Ⅱ、Ⅲ类容器中,安全状 况为3级、4级的容器占50%以上,其安全性与延寿是目前石化 企业一个十分重要的课题。 3、石化装臵与单体设备的大型化必然导致低合金高强钢 的广泛应用,但同时会引起裂纹敏感性增强。目前高强钢压 力容器占石化企业全部在用压力容器的1.97%,其中10%发现 有各种原因造成的裂纹。 因此如何提高压力容器管理和在用检验水平是石化企业 目前的一个重要任务。 2013-8-4 24

高温压力容器的定期检验
1、找出危险源(缺陷、损伤) ①、针对苛刻介质和工艺环境,预测高温压力容器可能的失效模式 (短期加载下的韧性断裂、长期加载下的蠕变断裂和蠕变疲劳失效、材料 回火脆化以及由于不断增长的塑性变形引起的变形失效、泄漏、失稳等)。 分析主要缺陷种类及其破坏速率:a、体积型缺陷:死缺陷(埋藏缺陷); 活缺陷如冲刷、点蚀、腐蚀等(主要考虑腐蚀与冲刷速率);b、平面型 缺陷:应力腐蚀裂纹、氢致开裂、再热裂纹、疲劳裂纹(主要考虑亚临界 扩展速率);c、弥散型损伤:白点、蠕变开裂、材质劣化、氢腐蚀(主 要考虑材料损伤速率)。 ②、根据高温压力容器特点,选用合适的无损检测(RT、UT、MT、PT、 ET)和理化检验方法(化学成份、金相检验、硬度、铁素体含量检验、晶 间腐蚀试验、能谱试验、光谱试验、X、J系数测定、裂纹断口取样等等)。 ③、探讨高温压力容器无损检测结果的可靠性((一是指不漏掉危险 性缺陷的几率;二是指检出结果的真实性。) 2、判断和综合评价:根据实际检测结果,对高温压力容器进行综合评 价: ①、质量控制标准、检规、断裂力学为主的缺陷评定。 ②、安全性分析,包括材料损伤的扩展速率和腐蚀性环境的影响。 ③、高温装臵系统的风险评估。 ④、高温压力容器使用寿命、检验周期判断及安全定级。
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石化系统中高温压力容器概况
在介质和工艺环境作用下,中高温压力容器面临着防止 应力腐蚀、腐蚀疲劳、氢损伤等破坏方式的新课题,如加氢 裂化、加氢重整、加氢精制压力容器的氢损伤与回火脆化、 催化再生器的露点腐蚀、延迟焦碳塔热疲劳开裂等等。因此 研究和探讨在用高温压力容器的缺陷分析和失效预防方法, 是一项具有极其重要意义的工作。 石化企业中典型炼油过程的主要工艺温度范围在200~ 550℃之间,但在催化裂化和焦化的部分工序中,也有达到 700~800℃;典型化肥(合成氨、尿素)生产过程的工艺温 度范围在200~300℃之间;乙烯裂解的主要工艺温度范围在 700 ~ 800℃ 之 间 ; 甲 醇 合 成 的 主 要 工 艺 温 度 范 围 在 240 ~ 270℃ 之 间 ; 环 氧 乙 烷 直 接 氧 化 法 的 主 要 工 艺 温 度 范 围 在 260℃;苯酚合成的主要工艺温度范围在110~200℃之间;合 成纤维(涤纶)装臵的主要工艺温度范围在115~300℃之间; 顺丁橡胶装臵的主要工艺温度范围在230℃左右。
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高温压力容器的主要失效模式⑴
高温损伤:许多失效事例都与高温环境的损伤有关,在 高温下长期运行所发生的组织性能变化和损伤形式主要有: 珠光体球化、石墨化、蠕变损伤、蠕变脆化等。 ①、珠光体球化:碳钢和低合金钢管件在常温下主要为 铁素体+珠光体组织,在高温下长期使用后珠光体组织中的 片状渗碳体会逐渐形成球状渗碳体,并缓慢长大,导致材料 常温强度显著降低,引起管件破裂。 ②、石墨化:碳钢管件在500℃高温下长期使用后,钢 中的碳化物分解,析出球状石墨,并导致材料发生不同程度 的脆化,引起管件破裂。 ③、蠕变损伤:碳钢管件使用温度超过400℃、低合金 钢管件使用温度超过500℃时,随时间的变化会发生变形, 在结晶晶间生成空隙并开裂,最终导致破裂。 ④、蠕变脆化:低合金钢管件使用温度450℃~650℃时, 在应力比较集中的焊接热影响部位粗晶区域,由于蠕变延性 降低引起的开裂。 2013-8-4 27

高温压力容器的主要失效模式⑵
高温临氢损伤:炼油二次加工装臵均有直接加入或产出 氢气的高温(450℃~650℃)高压(2~20MPa)的临氢反应过程。 氢在高温高压或是初生氢状态时,可能以原子氢的形式向钢 材渗透,导致钢材脆化。腐蚀部位发生于加氢精制、加氢裂 化及催化重整装臵中高温高压临氢设备及管线中,腐蚀形态 为表面脱碳及内部脱碳(氢腐蚀)。这些腐蚀发生在碳钢、C0.5Mo钢及铬钼钢中。其主要失效形式如下: ①、氢脆。由于氢残留在钢中所表现出的脆性,氢脆现 象是可逆的。 ②、表面脱碳。钢中的氢在高温下移到表面,在表面形 成CH4,其强度和硬度下降,但一般不形成裂纹。 ③、内部脱碳(氢腐蚀)。 高温高压下的氢渗入钢材后,和不稳定碳化物形成CH4 , 在晶界或夹杂物附近形成很高压力使钢材产生裂纹和鼓泡, 氢腐蚀是不可逆的。
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高温压力容器的主要失效模式⑶
高温介质腐蚀 ①、高温硫腐蚀:高温硫腐蚀部位主要为焦化装臵、常减压装臵、催 化裂化装臵的加热炉、分馏塔底部及相应的管线、换热器等。腐蚀机理为 化学腐蚀,腐蚀形态为均匀腐蚀。其腐蚀过程分为活性硫及非活性硫两部 分。所谓活性硫化物,就是它们能与金属直接发生反应;非活性硫化物则 是不能直接同金属反应的。 ②、高温环烷酸腐蚀:环烷酸(RCOOH,R为环烷基)是石油中一些有机 酸的总称。环烷酸的腐蚀起始于220℃,随温度上升而腐蚀逐渐增加,在 270~280℃时腐蚀最大。温度再提高,腐蚀又下降,可是到350℃附近又 急骤增加。400℃以上就没有腐蚀了。腐蚀部位主要为常压炉和减压炉出 口、减压炉和减压塔进料段、焦化分馏塔等。一般以原油中的酸值来判断 环烷酸的含量。原油酸值大于0.5mgKOH/g(原油)时即能引起设备腐蚀。 ③、高温硫化氢腐蚀:在富氢的环境中90%~98%的有机硫将转化为硫 化氢。在氢的促时下可使H2S加速对钢材的腐蚀。其腐蚀产物不像在无氢 环境生成物那样致密、附着牢固,具有一定保护性。在富氢环境中,原子 氢能不断侵入硫化物垢层中,造成垢的疏松多孔,使金属原子和H2S介质 得以互相扩散渗透,因而H2S的腐蚀就不断进行。腐蚀部位主要存在于加 氢精制及加氢裂化装臵高温(300~420℃)的反应器容器、加热炉管及工艺 管线。腐蚀形态为H2S对钢的化学腐蚀。 2013-8-4 29

高温压力容器的主要失效模式⑷
高温使用设备停工时常温条件下的失效:石化企业中的中高温容器存 在着各种各样的腐蚀形态,开停车时,容易出现应力腐蚀裂纹和氢致裂纹; 当设备运行温度在露点以下时,可能产生各类露点腐蚀开裂。 ⑴ 连多硫酸腐蚀 连多硫酸应力腐蚀开裂是在停工和检修期间发生的。产生连多硫酸应 力腐蚀开裂、往往与奥氏体不锈钢的晶间腐蚀密切相关。这种腐蚀首先是 引起连多硫酸晶间腐蚀,接着引起连多硫酸应力腐蚀开裂。所以在形貌上 开裂往往是晶间型的。 ⑵ 露点腐蚀 ①、硝酸盐露点腐蚀:催化裂化装臵掺炼的常渣油、减渣油及焦化蜡 油中的高含量N、S,在催化裂化反应中沉积于待生催化剂表面,在催化再 生过程中,成为NOX和SOX等酸性气体且通过设备隔热衬里的缝隙进入到设 备金属器壁内壁,当烟气露点温度高于壁温时,烟气中的水蒸汽凝结成水, 在内壁与NOX、SOX等形成含有硝酸盐的酸性水溶液,产生硝酸盐露点腐蚀。 ②、硫酸露点腐蚀:以重油或含硫瓦斯为燃料的装臵,常由于烟气中 生成的硫酸在温度较低处凝聚而引起腐蚀,通常称为硫酸露点腐蚀。硫酸 露点腐蚀一般发生在制氢、催化裂化等装臵的加热炉、余热锅炉、空气预 热器及烟道、烟囱等部位。主要形态为硫酸露点腐蚀穿孔失效。腐蚀产物 主要为硫化亚铁、硫酸亚铁、二氧化三铁、氧化亚铁约占80%。
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加氢裂化装置损伤形态
1、氢损伤:高温高压条件下扩散侵入钢中的氢(氢原子、新生氢) 与钢中不稳定的碳化物起反应生成甲烷,因此引起钢材的内部脱碳,即 Fe3C+2H2→3Fe+CH4,甲烷不能从钢中逸出,聚集在晶界及其附近的空隙、 夹杂物等不连续处,以此为起点形成甲烷空隙,形成微小裂缝和鼓泡,随 着空隙压力不断升高,就有可能导致钢材的延性和韧性显著下降,在反应 器中引起亚临界裂纹扩展,甚至引起脆性破坏。逐渐变成较大的缝隙和裂 纹。氢的腐蚀是不可逆的。 2、堆焊层表面裂纹:不锈钢堆焊层金属的表面裂纹表现在表面产生并 向母材方向扩展。堆焊层的表面裂纹一般出现在可能存在的三相应力的内 件支撑表面,通常有以下特征: ①、裂纹一般出现在热壁反应器的内部支撑凸台的部位; ②、裂纹以环向裂纹和龟裂为主; ③、铁素体含量偏高或偏低的部位容易出现裂纹; ④、裂纹从热壁加氢反应器堆焊层的表面向内部扩展。扩展较为严重 表面裂纹会穿透347堆焊层,大部分中止在347与309堆焊层的界面上,也 有极少数裂纹会穿透309过渡层。
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加氢裂化装置损伤形态

照片1

堆焊层裂纹宏观形貌



照片2

堆焊层裂纹微观形貌 200×

3、连多硫酸应力腐蚀开裂
在临氢设备中,由连多硫酸(H2SXO6,X=3~6)引起不锈钢应力腐蚀开裂 更具危险性。在高温硫化氢和氢介质环境下生成的硫化铁在反应器停止运转 或检修时,与出现的水分和空气中的氧发生反应生成了连多硫酸,一定的拉 伸应力就可能引起奥氏体不锈钢开裂。
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加氢裂化装置损伤形态

照片3

人孔顶盖密封槽底裂纹形貌

60×

照片4

人孔顶盖密封槽底裂纹微观形貌 200×

4、鉻钼钢的回火脆化 Cr-Mo钢长时间地保持在325~575℃或在该温度范围缓慢地冷却时,出 现的材料损坏、性能劣化的现象,通常称之为高温回火脆化。它产生的主要 原因是由于钢中的微量不纯元素在原奥氏体晶界偏析,使晶界凝集力下降。 其特征是沿晶破坏形态、冲击韧性的降低和脆性转变温度向高温侧迁移。除 化学成分影响外,热处理工艺、加工工艺、强度大小、塑性变形、碳化物形 态、使用时的操作温度等许多因素也都会影响到材料的回火脆性。回火脆化 是可逆的,将脆化的材料加热到600℃以上急冷,钢材可以恢复原来的韧性; 但一旦产生裂纹则是不可逆的。 2013-8-4 33

加氢裂化装置损伤形态
5、堆焊层剥离 剥离现象产生属于氢脆的范围,堆焊层和母材之间的界面在正常操作过 程中积累了比二侧多得多的氢,停工冷却时来不及逸出被冻在界面上。且冷 却后的反应器氢不断往界面处浓缩,产生很大的垂直应力,有人测试过大约 有14kg/mm2的垂直应力。加上两者金属的热膨胀系数之差,在冷却时内壁比 外壁降温快,产生大的切向应力。由于材料氢脆现象等因素的叠加,在比较 薄弱的部位产生剥离。不锈钢堆焊层的剥离裂纹具有以下特征 ①、剥离裂纹出现在不锈钢堆焊层与母材熔合面的堆焊层一侧,沿着生长 在熔合面上粗大奥氏体晶粒的晶界形成和发展,其性质属氢脆断口。 ②、两条焊道的搭接部位为剥离裂纹最容易出现的部位,剥离裂纹大多为 片状,且基本平行于堆焊层的熔合面。

③、堆焊层剥离裂纹的产生与热壁加氢反应器的制造和使用过程息息相关 ,制造中影响堆焊层剥离的因素包括堆焊材料,焊接工艺,热处理等,使用 中影响因素主要为操作工况。
2013-8-4 34

压力容器无损检测技术进展
1、检测能力、检测精度、检测范围的拓宽和发展:其主要目的就 是消除无损检测的检测死角,提高检测的有效性。 ①、临氢环境下氢致裂纹、堆焊层下再热裂纹、氢致剥离等缺陷超 声波检测;②、压力容器焊缝和部件高温检测、高温探头的研制和高温 耦合剂的研制;③、多层热套和多层包扎压力容器超声检测;④、压力 容器接管角焊缝的超声检测;⑤、实时成象技术;⑥红外检测技术;⑦ 涡流检测技术;⑧、粗晶材料检测技术。 2、无损检测可靠性的试验研究和评价 对检测结果如何评价,可信度如何,产生第一判断错误和第二判断 错误的几率,以根据压力容器的重要程度来确定合适的风险系数。 3、对缺陷三维方向尺寸的测定,尤其是缺陷自身高度的测定直接 涉及到缺陷断裂力学计算和缺陷安全评定结果的可信度,因些更应予以 高度重视。 ①、TOFD技术;②、聚焦、窄脉冲探头研制;③、各种超声检测方 法的试验研究。、 4、利用信号分析和处理从声信号中获取更多的缺陷信息:目前用 于无损检测信号分析处理的参数已不仅是时域和频域信号,而且包括幅 域、相域和倒频域信号等,对缺陷的评价参数种类愈透彻,判断就愈准 确,因此今后必然要对这方面难予更大的注意。 ①、声发射技术;②、导波技术;③声全息技术等。
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安全评估与寿命预测技术进展
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七十年代,合肥通用所、北京钢铁研究总院、浙江大学等单位率先将断裂力学 用于在用压力容器的缺陷评估与寿命预测,进行了大量的试验研究和国外规范的消 化。并编制了我国第一部压力容器缺陷评定规范CVDA-1984,该规范与国外同期的 缺陷评定规范(如日本WES-2805、英国BS-PD6493、国际焊接学会IIW-X-749-74等) 一样都是建立在以D-M模型和宽板试验为基础的COD设计曲线基础之上,只是在应变 水平接近材料屈服应变值时,CVDA的设计曲线更加安全。 CVDA主要针对非高应变区的裂纹状缺陷,对体积型缺陷如气孔、夹渣以及接管 高应变区缺陷的评估显得过于保守。“七五”攻关期间,劳动部锅检中心与合肥通 用所共同对含凹坑、气孔、夹渣等体积型缺陷的压力容器安全性进行了重点研究。 “八五”攻关期间,劳动部锅检中心、合肥通用所、华东理工大学、北京航天大学、 清华大学等单位在J积分失效评定曲线和通用失效评定曲线为基础的断裂评定方法 研究方面、体积型缺陷极限载荷与安定性分析评估技术研究方面、接管高应变区缺 陷安全评估方法及综合安全状况等级评定研究等方面取得重大突破。制定新国标。 为管检规及容检规奠定技术基础。 GB/T19624-04《在用含缺陷压力容器安全评定》对体积性缺陷评定采用了极限 载荷与安全性分析为基础的研究成果,对平面缺陷断裂评定采用三级技术路线。 1级评定也称初级评定或筛选评定。 2级评定又称常规评定。 3级评定又称高级评定,采用EPRI工程优化方法,直接采用J积分为撕裂参量, 可以实现从起裂,至有限量撕裂,直至撕裂失稳的全过程断裂分析。三级评定中评 定级别越低,则越保守。 但是由于“八五”攻关课题没有开展对压力容器材料损伤、高温和介质腐蚀环 境影响的研究,因此大大限制了解决实际问题的能力。 2013-8-4 36

安全评估与寿命预测技术进展
4、“九五”开展《在用重要压力容器寿命预测技术研究》课题,重点 考虑介质腐蚀和工艺环境对压力容器安全性的影响。 ⑴ 在用压力容器抗应力腐蚀开裂技术研究; ⑵ 在用压力容器在典型介质中腐蚀疲劳剩余寿命评估技术研究; ⑶ 典型临氢装臵的氢损伤评定与寿命预测技术; ⑷ 应变疲劳剩余寿命技术研究; ⑸ 实用延寿技术研究,将表面技术用于压力容器的延寿领域,利用 表面改性、表面涂、镀、覆技术隔离或减缓介质环境对压力容器的作用。 1998~2000年,合肥通用机械研究所、锅检中心、华东理工大学、浙 江工业大学等单位应用专题组的研究成果,对二十余家大型企业的近千台 带缺陷压力容器进行了安全评估,尤其是对四十余台高温高压临氢环境下 压力容器,百余台湿H2S环境及无水液氨环境下压力容器,二十余台硝酸盐 环境下催化再生器等重要容器的安全评估与综合延寿技术应用取得了重大 进展。 目前安全评估与寿命预测技术进展已不单纯是缺陷安全评价的概念, 和过去处理问题的性质不同,是目前在用锅炉、压力容器和压力管道在用 检验的基础,承压设备检验周期和安全状况等级评定等内容已经深深地溶 合在一起。(管检规,容检规)
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检验方案
⑴ 设备的基本参数:主要包括设计压力、使用压力、设 计温度、使用温度、容器结构规格、材质、使用介质、容器 类别、保温层。 ⑵ 检验依据: ①、压力容器标准体系 ②、有关的压力容器安全法规 ⑶ 检验准备: ⑷ 检验质保体系: ①、质保体系人员情况: ②、质保体系有效运转。 ⑸ 原始资料审查:设计文件图纸、材料质保书、制造质 保书、安装质保书、使用工况、实际工艺参数、历次检验报 告、修理改造记录和历次事故处理报告。 ⑹ 宏观检验:
2013-8-4 38

检验方案
⑺ 超声测厚(高温定点测厚) ⑻ 无损检测:目前压力容器行业强制性使用JB 4730-94标准,包括五 大常规检测方法。目前正在修订,拟包括锅炉、压力容器和压力管道部分。 ⑼ 材料检验: 化学成份、金相检验、硬度、铁素体含量检验、晶间腐 蚀试验、能谱试验、光谱试验、X、J系数测定、裂纹断口取样等。 ⑽ 强度校核:GB150、JB4732标准等产品标准。 ⑾ 缺陷评定 ⑿ 缺陷处理 ⒀ 水压试验:耐压试验是利用水或其他的加压介质,采用比设计压力 高的试验压力对压力容器的焊缝、接管和母材进行一次综合性评价,以验 证其整体强度是否满足设计要求(对2.25Cr-1Mo和3Cr-1Mo材料制容器要 特别慎重)。 ⒁ 气密性试验 ⒂ 安全附件检验(检验单位校验或是用户自行处理)。 ⒃ 安全状况等级和检验周期的确定(容检规)

2013-8-4

39

不锈钢堆焊层表面裂纹的检验
1、对于不锈钢堆焊金属表面裂纹的检验,主要采用目视 和渗透检测。首先应找出返修部位,并对返修部位和其它典 型部位进行铁素体含量分析。(3%~10%.) 2、对于铁素体含量较高和返修部位应作为渗透检测的重 点(渗透检测最好使用核级渗透剂)。首先要去掉堆焊层表面 的硬垢,然后做PT,有时一般的着色检查无法发现,只有用 荧光检查才比较有效。 3、如果裂纹较小,则用一般的PT检查方法检不出来,除 非等到下个检验周期裂纹扩展了才能发现。因此在反应器投 用前仔细检查有无制造遗留缺陷,在以后历次检查应以宏观 目测检查和PT检查为主,发现裂纹之后应轻轻打磨去除,不 要用硬砂轮打磨,以防止产生新的裂纹。 4、如有必要可利用金相检验检出渗透检测无法发现的微 裂纹。对于较深的裂纹可采用超声方法确定裂纹的深度(扩展 到界面的裂纹应重点予以核查)并进行安全分析。 5、由于焊接返修工艺比较难控制,一般不进行返修。 40 2013-8-4

不锈钢堆焊层剥离裂纹的检验
1、堆焊层检验国内已有成熟的经验,堆焊层下可能进 入母材的裂纹探伤技术也在不断的改进,2mm深的裂纹可以 较准确地探出。剥离裂纹的检验主要采用超声波方法,一 般从筒体外壁采用单晶直探头,也可以从堆焊层一侧采用 双晶直探头来检测。但需要精确定位定量时,应从堆焊层 一侧采用双晶直探头来测定。 2、对于剥离缺陷通常应记录缺陷面积(长×宽)和缺 陷的准确位臵,以便在使用时进行监控和与以后的开罐检 验结果进行对比。 3、检测堆焊层和基板的未结合,采用JB4730标准的T3 型试块。 4、检测应从基板或堆焊层一侧进行。如对检测结果有 怀疑时,也可从另一侧进行补充检测。采用双晶直探头检 测时应在工件表面按90°方向进行两次扫查。
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热壁加氢反应器主焊缝的检验⑶
1、对于主焊缝来说,由于筒体母材和焊缝的回 火脆化,造成韧性降低,一些较小的缺陷就有可能 得到较快的扩展而引起反应器失效,而热壁加氢反 应器的强度主要是由筒体母材和主焊缝来保证的。 因此对反应器主焊缝的检测要求相应就比较高。 2、对于主焊缝的检验主要从外壁进行。通常首 先应对焊缝进行100%的磁探,再对超声扫查区域进 行100%直探头扫查,然后利用K1、K1.5探头进行两 次重复扫查,必要时还应采用手工串列扫查,以检 出垂直表面的缺陷。现场实际检测时应适当提高检 测灵敏度以保证不放过较小的缺陷。 3、由于锻焊结构热壁加氢反应器的壁厚比较大 一般在200 mm左右,一般的超声波检测试块已不能 满 足 要 求 , 因 此 需 采 用 JB/T4730 标 准 的 CSK-ⅣA (ASME、JIS的RB-4)试块。
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堆焊层开裂和皮下裂纹的检验⑷
1、在降低氢浓度的基础上,将检验重点放在堆焊层缺陷的检 验方面,以防止较小的缺陷在氢脆的环境下快速扩展。 2、通常利用超声检测来达到该要求,利用纵波斜探头由外壁 检测堆焊层皮下裂纹,利用双斜探头由内壁进行补充检验, 同时利用双晶直探头由内壁检测堆焊层内缺陷,以消除氢 脆开裂和皮下裂纹的危险性。
其余
40 40 40 40 40
6.3

堆焊层 母材
φ 1.5

3.2

φ 2

φ 3

φ 4

2013-8-4

40

≥60

T

δ

0

43

堆焊层开裂和皮下裂纹的检验
3、从堆焊层侧进行检测,用于堆焊层缺陷检测的试块采用 JB4730标准的T1型试块,基板厚度T可以适量减小,但至少 应为堆焊层厚度的两倍, T1型试块如图所示。 4、从基板侧进行检测,用于堆焊层缺陷检测的试块采用T2 型试块,试块基板厚度T与被检基板的厚度差不得超过10%。 T2型试块如图所示。
3.2

其余

6.3

母材
40 40 40 40 40

φ2

φ3

φ4

40

φ 1.5

2013-8-4

≥60

δ

堆焊层

0

T

44

硫化物应力腐蚀开裂检验 TP321不锈钢焊管σ相脆化检验⑸
1、奥氏体不锈钢硫化物应力腐蚀开裂的检验一般说可 采用荧光着色检测和涡流检测。对于渗透检测很难发现的 一些微细裂纹,也可以利用金相检验来发现和评价。 2、TP321材料的焊接直缝管,规格8~16英寸,厚度 26~40mm。由于现场焊接环缝需要做900℃稳定化处理,采 用局部保温加热的办法。在临近环缝的管子原来的直缝焊 接区上有一个500~850℃的温度梯度,正好落在347焊缝材 料的σ相生成敏感区。σ相是由焊缝中的δ相铁素体转化 来的。从取样的试件中发现。温度在300~800℃范围的焊 接金属韧性下降显著,但长期处于临氢条件下,有可能在 管子吸氢量较大的内壁产生σ相脆化。而一旦冷却速度过 快(一般大于反应器的冷却速度),在应力集中处产生氢 致裂纹或腐蚀。一般说可采用荧光着色检测和涡流检测。 对于渗透检测很难发现的一些微细裂纹,也可以利用金相 检验来发现和评价。
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加氢反应器铸造不锈钢脆化检验⑹
1、长期服役在316℃到594℃的奥氏体不锈钢铸件,会 引起脆化,其特征是硬度增加,在等于或低于使用温度时 延伸率和韧性下降。夏比V型缺口冲击韧性值会显著降低。 2、铸态的不锈钢阀门采用1Cr18Ni9材料(奥氏体组织 +20%左右的铁素体),属于亚稳态奥氏体不锈钢。当使 用中有氢扩散到钢中至晶格膨胀,带来很大的附加应力, 且氢有上坡扩散规律,导致部分奥氏体向马氏体转变。使 材料的磁性量增加,当马氏体相变量到某一临界值时,便 产生应力腐蚀破裂。 3、对已经铁磁量增加的材料,可以通过热处理的办法 恢复。 4、应以宏观目测检查为主,辅以局部PT检查。发现裂 纹之后应轻轻打磨去除,不要用硬砂轮打磨,以防止产生 新的裂纹。如有必要可利用金相检验检出渗透检测无法发 现的微裂纹。发现的表面裂纹一般应打磨消除,对于较深 的裂纹可采用超声方法确定裂纹的深度并进行安全性分析。
2013-8-4 46

梯形槽法兰槽底园角处裂纹检验⑺
1、早期反应器破坏事例中不少涉及主法兰梯形槽法兰裂纹, 裂纹均发生在梯形槽底园角处,严重的可以深入母材。分 析原因可以归纳为堆焊层σ相脆化和不锈钢母材的氢脆联 合作用,在槽底应力集中的地方开裂。加大槽底园角之后 解决了这个问题,但是长期运行的反应器仍有开裂的危险。 除反应器以外,其它设备及工艺管线大量采用这种刚性密 封的梯形垫。 2、不少公司采用缠绕式的平垫用于CL1500和CL2500等级的 法兰取得了很好的效果。 3、停工检修对密封面进行PT检查和法兰侧面用UT检查裂纹。 在条件许可时用膨胀石墨缠绕垫片取代现有的梯形垫密封 结构。一旦出现密封面裂纹应立即处理,轻微的裂纹可以 用砂纸去除,严重的、不可修复的应在法兰槽上堆焊金属 再进行加工
2013-8-4 47

热壁加氢反应器安全分析
1、不锈钢堆焊层表面裂纹的扩展模式及安全分析 裂纹从热壁加氢反应器堆焊层的表面向内部扩展,扩 展较为严重的表面裂纹会穿透347堆焊层,大部分中止在 347与309堆焊层的界面上。比较浅的表面裂纹打磨消除, 深的表面裂纹测定深度。对于接近穿透309堆焊层的表面裂 纹应监控。对接近母材的裂纹扩展模式进行分析研究。 提高反应器的最低升压温度,和采用合理的开、停工 程序。 2、不锈钢堆焊层剥离裂纹的安全分析 ①、不锈钢堆焊层剥离是使用中内壁不锈钢堆焊层产生的主 要缺陷。国内、外对剥离现象进行了研究,确认剥离使裂 纹不会向母材扩展,而是平行于二者的表面。由于堆焊层 仅仅解决设备的腐蚀而不承受材料的强度,因而不会对反 应器强度构成威胁。 ②、剥离性能和扩展速率进行研究。
2013-8-4 48

热壁加氢反应器安全分析
3、热壁加氢反应器回火脆化的安全分析 热壁加氢反应器制造时就应减少杂质元素,降 低X、J系数。应测定制造时的VTr40+2.5△VTr40 数值,使其≤38℃(100°F)。使用中应进行挂片, 定期检验其回火脆化程度。没有挂片的可与相同或 类似的产品比较。 4、氢脆开裂的安全分析 研究资料报导,拉伸强度为550-650Mpa的材 料,临氢环境中的断裂韧性KISCC≥100。当2.25Cr -1Mo钢产生回火脆化之后,抵御氢致开裂的能力 将会明显降低,在应力高度集中的部位,开、停工 时容易产生氢致开裂。使用中应进行挂片,定期检 验其回火脆化程度。没有挂片的可与相同或类似的 产品比较。 2013-8-4 49

检验实例⑴
福建炼油化工有限公司R-4001加氢精制反应器 1、主要技术参数:容器规格:φ2600×(110+5)×19716;容器类 别:三类;设计压力:8.63 Mpa 设计温度:435℃ 操作压力:7.55 MPa; 操 作 温 度 : 409℃ ; 投 用 日 期 : 1993 年 9 月 ; 主 体 材 质 : 2.25Cr1Mo+309L+347L 介 质:催化柴油、焦化柴油、H2 、H2S(1.2%);公称壁 厚:封头90mm;筒体104mm;堆焊层厚度7~8mm;本次检验为首次开罐检 验。 2、检验内容:⑴、检验前准备工作;⑵、宏观检验;⑶、壁厚测定; ⑷、磁粉检测;⑸、渗透检测; ①、上、下封头及人孔内壁堆焊层表 面进行20%的抽查;②、筒体内壁凸台部位100%检测③、人孔法兰密封面 及金属密封垫100%;④、接管法兰密封面100%。⑹、超声检测:①对接 焊缝100%超声检测,用直探头、K1和K1.5斜探头进行多方向扫查。②凸台 超声检测,用直探头确定凸台的位臵。用直探头、K1、K1.5斜探头进行 多方向扫查。重点是检查凸台拐角部位。③堆焊层内和界面超声检测, 从反应器外壁检测时应采用直探头、窄脉冲探头,如有必要应从反应器 内壁采用双晶探头进行验证。④堆焊层层下缺陷的超声检测,从反应器 外壁检测时应采用K1斜探头和K1纵波斜探头进行检测。⑤人孔主螺栓的 超声检测。 ⑺、材料检验:硬度测定、堆焊层铁素体含量测定、X、J系 数分析测定、金相组织分析。 2013-8-4 50

检验实例⑵
大连WEPEC重油加氢高压分离器(1-V-01)检验
⑴ 主要技术参数:该压力容器系1988年由日本引进的旧设备,1974年 由日本制造,在国外已运行(包括停用)计16年。 容器规格:φ3084×(186+3.5)/(111+3.5)×13292 mm;主体材质: SA387-Dn+TP347L ( 堆 焊 层 ) ; 设 计 压 力 : 16 . 47 Mpa ; 设 计 温 度 : 427℃;操作压力:13.62MPa;操作温度:380℃;介质:重油、H2 、 H2S(1.2%);公称壁厚:封头90mm;筒体104mm;堆焊层厚度约为7~8mm。 ⑵ 历次检验情况 1989年吉林化学工业公司检验,1989年中石化总公司北京院重新设计。 1993年大连锅检所进行安全性能检验: 1994年大连在用压力容器技术鉴 定委员会将安全状况等级定为3级,检验周期两年。1996年中国石化工程 公司设备质量检测中心进行检验。1998年4月抚顺石化设备所进行检验。 ⑶ 无损探伤检测结果:除下封头与筒体连接焊缝被裙座遮挡无法检测 外,容器对接焊缝外表面和内部均未发现有超标缺陷和按标准规定需要记 录的缺陷。也未发现堆焊层层下裂纹和剥离超标缺陷。壳体实测壁厚均大 于图纸名义厚度,内壁堆焊层厚度3.8~6.8mm,总体质量较好,能有效地 保护基材不受高温H2S的腐蚀和减弱高温氢向2.25Cr-1Mo钢的渗透,在上 封头与筒体连接部位存在局部均匀腐蚀、点蚀孔和7处表面裂纹等严重缺 陷(深度不超过3mm),对基材的承载强度尚未构成损伤。
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检验实例⑵
⑷容器主体基材为2.25Cr-1Mo钢,板材和锻件的化学成份分别符合 ASME的 SA387DN和SA336F22标准要求。基材对接焊缝化学成份与母材基本一致。母材(板 和锻件)的硬度,符合标准要求,焊缝金属及其热影响区的硬度(在200~249HB) 多数测试点偏高。这对抗回火脆化性能不利。母材和焊缝的显微组织,均为回火 脆化敏感性较低的贝氏体组织。 按化学成份和微量元素含量判定回火脆化敏感性系数J、X符合要求,但与九 十年代的设计要求相比,有较大差距(见表)。在经历近20年运行以后,无论母 材或焊缝金属的回火脆化量,目前尚无法定量检测。因此在今后使用过程中,应 对焊缝金属及基材材质的回火脆性问题予以重视。
回火脆化系数 J(%) X(ppm) 板材 112~158 14~19 锻件 117~186 17~22 焊缝 153~168 17~20 七十年代 ≤200 ≤25 九十年代 ≤100 ≤15

内壁堆焊层为SUS43(TP347)不锈钢,化学成份符合标准要求,堆焊层的δ—铁 素体含量,绝大多数在2~4%。 ⑸96年发现内壁堆焊层裂纹以来,已有近三年时间,此次检验未发现有明显的 变化,据以上分析,该1-V-01热高压分离器可以继续使用。 允许操作参数为:操作压力:13.62MPa;操作温度:380℃;工作介质:生成油、 H2、H2S安全状况等级为3级。下次检验日期:2002年9月
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检验实例⑶
大连WEPEC催化重整反应器(R204)检验: ⑴ 主要技术参数:该压力容器系1988年由日本引进的旧设备,1974年 由日本制造,在国外已运行(包括停用)计16年。 容器规格:Sφ3232×30.2mm;容器类别:三类;主体材质:SA204A; 设计压力:2.2 Mpa;设计壁温:350℃; 操作压力:2.0MPa; 介质温 度:530℃;隔热层:150mm;介质:油汽、H2。。 ⑵ 检验结论 球壳0.5Mo钢,包括对接焊缝和接管母材(SA387C)的材质,出现局部 劣化。钢显微组织珠光体内碳化物球化并有碳化物在晶界聚集,有的部位 珠光体形态基本已消失,有的部位渗碳体分解出现了石墨化倾向。 在R-204球壳上,查出球壳对接焊缝C4和B1的焊缝区,发现渗碳体分解 有石墨化倾向的材质劣化现象。由于缺乏材料劣化后性能数据,因此在焊 缝中查出的超标缺陷已失去进一步断裂力学分析评定的材质基础。 此外,据美国石油学会提供的经验,这四台反应器的操作温度和压力 正处于Nelson曲线的事故多发区范围,因此高温氢腐蚀对0.5Mo钢的内部 损伤必须引起重视,在对球壳板的抽查中,超声波检测发现了钢板内部的 许多缺陷反射波,是钢板内的冶金缺陷还是伴有氢腐蚀损伤的冶金缺陷, 目前从技术上还难以分辨。 根据以上从容器外部检验后的初步评定结论,安全状况等级暂定为4级, 待2001年对内壁检验结果出来后,再正式评定安全状况等级。 2013-8-4 53

检验实例⑷

齐鲁石化公司R-1360热壁加氢反应器的检验 ⑴ 主要技术参数 容器规格:φ4000×(251+7.5)×28300;容器类别:三类; 主 体 材 质 : 封 头 锻 件 3Cr-1Mo-1/4V-Ti-B +309L+347L ; (SA336-F3VW)(137+7.5);筒体钢板3Cr-1Mo-1/4V-Ti-B +309L+347L;(SA542C.CL.4aw)(251+7.5) 设计压力:18.94Mpa; 设计温度:454℃; 操作压力: 18.0 MPa; 操作温度:445℃;投用日期:1993年9月;介 质:催化柴油、焦化柴油、H2 、H2S(1.2%);保温层:微孔硅 酸钙,厚度为180mm;本次检验为首次开罐检验。 ⑵ 变化情况 ①、使用温度高出50℃; ⑵、增加V元素焊接性能降低; ③、筒体钢板(SA542C.CL.4aw)和封头锻件(SA336-F3VW) 的化学成分不一致(P、S含量)。
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检验实例⑸
中石化金陵分公司联合柴油加氢反应器(R101)于99年9 月出厂,2000年7月28日投入使用。主要技术参数:容器类别: 三类;设计压力:6.4MPa;最高工作压力:6.0MPa;设计温 度:435℃;最高工作温度:420℃;耐压试验压力:8.3MPa ( 卧 ) ; 工 作 介 质 : 柴 油 、 H2 S 、 H2 等 ; 材 质 : SA387MGr11CL2 / UB309L + UB347L 堆 焊 ; 规 格 : Ф3600× (104(70)+6.5)×27448;制造单位:南京大化机。 2004年6月进行首次内外部检验,在反应器外壁H6环缝MT 发现裂纹15处(单个裂纹长度2~570mm),处在焊缝上下熔 合线区域,打磨最深2.5mm,并圆滑过渡;H6环焊缝与其它环 焊缝相比较热影响区(HAZ)较宽、粗晶区晶粒度大1~2级。 裂纹产生于热影响区的粗晶区和细晶区交接处,走向大体平 行焊道,微观曲折,断续交替,边缘光滑,穿、沿晶并存。 H6环缝为合拢缝,是采用远红外板局部加热进行中间消应力 热处理的。此外在H4环缝UT发现内部埋藏超标缺陷1处。 处理情况:主体材料和焊接材料符合要求,裂纹是制造 工艺控制不严等因素产生的,安全状况等级定为3级,下次全 面检验周期定3年。运行一年后进行高温在线磁粉检测。 2013-8-4 55

检验实例⑹
换热器是石化行业使用十分广泛的热量交换设备,一般 地说重量在石化装臵中约占设备总重量的30%。管壳式换热器 在换热设备中约占70%,其余30%主要为各类高效紧凑式换热 器、新型热管热泵和蓄热器。福建炼化加氢装臵E-4003/1反 应物与混氢原料油换热器主要技术参数: 容器规格:φ1000×56×8197;设计压力:管程9.3MPa; 壳程10.3 MPa;设计温度:管程430℃;壳程400℃;操作压 力:管程7.26MPa;壳程8.44 MPa;操作温度:管程252℃; 壳程190℃;公称壁厚:封头60mm;筒体56mm;材质:管程 2.25Cr-1Mo+00Cr25Ni13+00Cr20Ni10Nb ; 壳 程 : SA387GR22CL2;设计单位:北京设计院;制造单位:金重; 93年9月投用;介质:壳程:混氢 原料油;管程:反应物。 检验:磁粉检测发现马鞍式支座垫板因制造时没有留出 气孔,板与母材有大片撕裂,经打磨深3.8mm。渗透检测发 现管箱内壁不锈钢隔板有网状裂纹。X、J系数分析测定数值 合格。对检查出的裂纹部位进行金相组织分析。 根据检验结果,对换热器进行综合分析、评定,确定该 设备安全状况等级为3级,下次检验周期为3年。
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检验实例⑺
福建炼化公司加氢重整装臵进料/产物立式换热器,主要 技术参数:进口温度540℃/485℃,出口温度200 ℃左右,材 质SA387GR22CL2,最高压力为1.57/2.06MPa,壁厚为16mm。 介质为油气、H2、汽油。91年抚顺机械厂制造。93年投用。 2004年在使用中发现泄漏现象。2005年2月开罐渗透检测 发现换热器下管板有十几处管束部位的母材开裂,下管板厚 度为63mm,材质为15CrMo,根据操作工艺该处温度200 ℃左 右。经壳体处加水测试,有好几处管子与管子相联部位母材 已裂穿,无法再使用,定购新设备需用11个月。 现场处理:下管板有多根管穿入,15CrMo材料返修后无 法进行该部位的整体热处理,普通的焊接返修无法进行。 1、在管板开裂部位,用沙轮开出坡口采用A302奥氏体不 锈钢焊条焊补堵漏。根据99《容规》该情况可不做热处理。 2、在管板开裂部位,用沙轮开出坡口采用进口堵漏剂在 该部位粘接固化。 同时采用带锥度的聚四氟棒料将有泄漏的管子堵死。现 场首先采用第二种方法堵漏,如果不行,再采用第一方案。 目前设备运转良好。
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加氢反应器在线和不卸催化剂检测
在济南炼油厂、辽阳炼油厂、茂名石化、 长岭炼油厂等四家企业对十余台加氢反应器进 行了进行了带温带压在线检测。大连、辽化、 茂名、济南等石化企业的加氢裂化、加氢精制 的热壁加氢反应器在停机不卸料的情况下进行 了安全检测。抚顺石化、吉化、独山子石化、 林源炼油、福建炼化等中石油、中石化企业已 有意向邀请合肥失效分析中心开展加氢反应器 停工不卸料检测。
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高温超声检测
早期主要研究热钢板、高温锻件的超声波检测,开发了用 ?水冷却的超声波探头,电磁声探头。 其后,研究高温焊缝缺 ?陷检测技术。德国、美国已有商用横波高温探头、高温耦合 ?剂出售。国内过去所做工作主要是高温状态下的超声波测 厚。
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dB
24 20 16 12 8 4 0 200° 400° 15°

20
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温度变化对衰减的影响

高温超声检测-现场应用
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1、催化装臵沉降器----再生器在线检测 设备壁温70~200℃、壁厚20~32mm;内有100~150mm隔热 耐磨衬里自90年代以来,相继发生应力腐蚀开裂在线超声波检 测,有无裂纹、裂纹部位、裂纹大小。 2、预加氢反应器裂纹监控 介质温度330℃、壁厚48mm,复合板。定期检修发现4条横向 裂纹,制造周期1年,经评定后监控使用定期对4条裂纹进行在 线监控,每月一次。1年半后更换 3、转化气高温管线在线检测 温度400℃、规格φ325×10mm,原为15CrMo,后改为 1Cr18Ni9Ti,99年投用。2001年 对管道泄漏点周围区域进行 带温、带压超声波检测,在4个区域发现大量环向裂纹,但未 穿透壁厚. 4、ARDS工艺管线在线检测 125条工艺管线为利旧管道,温度范围:40℃~430℃ ;规格 φ48~φ323mm、壁厚7.1~32mm;材质有碳素钢,CrMo钢,不 锈钢,进行高温在线检测,并对其进行评估。
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热壁加氢反应器– TOFD检验检测技术
随着我国经济和科技的发展,大直径厚壁压力容器日益增多,目前神 华集团公司煤直接液化项目开发的壁厚达到336mm,使用温度达到450℃的 热壁加氢反应器,由于运输困难,反应器焊缝主要采用现场组焊,由于直 线加速器价格昂贵和射线屏蔽的影响,在这种情况实施射线照相,是很困 难、甚至是不可能的。因此超声TOFD技术的应用对国内大型压力容器的制 造发展具有重要意义,且具有必要性和紧迫性。 超声TOFD法(即衍射波时差法)是上世纪七十年代由英国哈威尔无损 检测中心首先提出的。它是依靠超声波与缺陷端部的相互作用发出的衍射 波来检出缺陷并对其进行定量的。所记录的衍射信号传播时差就是缺陷高 度的量值, 从理论上讲,超声TOFD法克服了常规超声波探伤的一些缺点,缺 陷的检出和定量不受声束角度、探测方向、缺陷表面粗糙度、试件表面状 态及探头压力等因素的影响。 1993年,英国BS7706标准中规定了用TOFD法进行缺陷定量评价的具体 程序和要求。1996年,美国ASME规范在案例2235中对TOFD法检测压力容器 和动力锅炉焊缝的方法和验收条件作出了详细规定。1999年ASME规范修订 版中,明确提出允许在UT中用TOFD法取代RT。2000年ASME规范第I卷(动 力锅炉)也允许用UT取代RT,用TOFD法记录焊缝检测结果。2000年欧共体 也在原英国标准BS7706:1993基础上,制订了焊缝TOFD法检测的现行标准 ENV583-6:2000《超声衍射波时差法用于缺陷检出和定量》。
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热壁加氢反应器– TOFD检验检测技术
一重与锅检中心联合成立了科研课题组。2003年购买了美国AIS公司 八通道超声波检测设备NB 2000- MC,该设备应用三种超声波技术,即 TOFD技术+爬波扫查+脉冲回波扫查(PE),其中以TOFD技术作为检测 主体技术,并向锅炉局申请用TOFD技术取代射线照相检验。 根据中国锅检协会的要求,由强天鹏、袁榕、张平、毛小虎、许遵 言等人组成评审组,对NB 2000- MC、及其技术与工艺进行鉴定评审。扫 查分三个步骤进行:①采用多组探头D扫描(TOFD技术)进行扫查;②采 用单斜探头B扫描扫查;③采用单斜探头B扫描进行横向缺陷扫查。 1、检测可靠性:对埋藏缺陷的检测具有较高的可靠性。 2、定性准确性:对缺陷的性质有一定判断能力,但准确性不高。 3、定量准确性:对较长的条形缺陷的测长精度可以满足工程应用的要求; 对圆形缺陷和小条形缺陷的定量误差较大。对高度在20mm以下的面积型 缺陷测高精度很高,对高度在20mm以上的面积型缺陷测高出现大的误差。 4、成像性能: NB 2000- MC及其所采用的TOFD技术所显示的图像只是块 状影像,观察不到缺陷的形状和细节,不能据此判定缺陷性质。 5、系统可操作性:较轻便,适宜现场使用,扫查装臵工作稳定可靠,仪 器调试相对简单,可记录全过程检测信号;但探伤参数仍需通过试块校 准,信号的解释和评定仍在一定程度上受人为影响。 2013-8-4 62

谢谢大家
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