徐彬

(中國(guó)石化海南煉油化工有限公司，海南洋浦578101)

高壓加氫反應(yīng)器外壁裂紋分析及修復(fù)措施

徐彬

(中國(guó)石化海南煉油化工有限公司，海南洋浦578101)

列舉了高壓加氫反應(yīng)器常見腐蝕類型及防護(hù)措施，重點(diǎn)對(duì)某煉油化工企業(yè)兩套高壓加氫裝置反應(yīng)器出現(xiàn)的裂紋問(wèn)題進(jìn)行了分析，并針對(duì)性地采取了相應(yīng)修復(fù)措施，同時(shí)提出操作和后續(xù)改進(jìn)建議。反應(yīng)器暴露出問(wèn)題的解決為設(shè)計(jì)、制造單位在技術(shù)上、管理上加強(qiáng)質(zhì)量控制，改進(jìn)制造工藝提供了寶貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)幾年的生產(chǎn)運(yùn)行，證明高壓加氫反應(yīng)器要想實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)行，必須在設(shè)計(jì)、選材和制造上打好基礎(chǔ)，在工藝操作上嚴(yán)格控制升降溫速度不大于10℃/h、升降壓速度不大于1.0 MPa/h、最低升壓溫度大于93℃，在反應(yīng)器檢測(cè)、防腐等方面加強(qiáng)管理，最終達(dá)到“安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)期”運(yùn)行的目的。

高壓加氫 反應(yīng)器 外壁裂紋 修復(fù)措施

原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化和硫含量升高的趨勢(shì)與清潔輕質(zhì)燃料需求增加的矛盾日益突出，重質(zhì)油輕質(zhì)化成為現(xiàn)代煉油企業(yè)的一項(xiàng)重要工作，其轉(zhuǎn)化的主要工藝——高壓加氫。由于其具有改善油品質(zhì)量、轉(zhuǎn)化率高、低碳和經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)勢(shì)得到重視和廣泛應(yīng)用。高壓加氫反應(yīng)器處在高溫、高壓、臨氫、易燃、易爆和高腐蝕性的運(yùn)行環(huán)境，為確保高壓加氫反應(yīng)器安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)期運(yùn)行，其防腐蝕工作就顯得尤為緊迫和重要。對(duì)于反應(yīng)器常見的腐蝕類型，已總結(jié)出相應(yīng)的防護(hù)措施，重點(diǎn)討論反應(yīng)器外壁裂紋分析與修復(fù)。

1 反應(yīng)器常見腐蝕類型及對(duì)策

高壓加氫反應(yīng)器是在高溫、高壓、臨氫的條件下運(yùn)行，特別是在開停工期間，系統(tǒng)中存在有濃度較高的硫、硫化氫和氯離子等腐蝕介質(zhì)。反應(yīng)器主要存在以下腐蝕類型:高溫高壓氫腐蝕、氫脆、高溫硫化氫或硫與氫共存的腐蝕、奧氏體不銹鋼的氯化物應(yīng)力腐蝕和連多硫酸腐蝕、奧氏體不銹鋼堆焊層的氫致剝離、鉻鉬鋼的回火脆化等。某煉油化工企業(yè)高壓加氫反應(yīng)器常見腐蝕部位、腐蝕類型、形態(tài)及設(shè)計(jì)、操作中應(yīng)采取對(duì)策見表1。

表1 反應(yīng)器腐蝕類型及對(duì)策Table 1 Reactor corrosion types and countermeasures

2 反應(yīng)器裂紋腐蝕及分析

某煉油化工企業(yè)擁有的3.1 Mt/a渣油加氫(RDS)和1.2 Mt/a加氫裂化(HC)裝置于2006年9月建成投產(chǎn)，其中渣油加氫裝置操作壓力為17.5 MPa，操作溫度為427℃;加氫裂化裝置操作壓力為15.5 MPa，操作溫度為427℃。到目前為止，裝置已經(jīng)運(yùn)行六年，在2009年底進(jìn)行的一次大檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器外壁存在裂紋問(wèn)題。

2.1 加氫裂化反應(yīng)器外壁的裂紋

加氫裂化反應(yīng)系統(tǒng)共有兩臺(tái)反應(yīng)器，規(guī)格分別為Φ3815 mm×13500 mm(切)×198 mm和Φ3815 mm×15560 mm(切)×198 mm，材質(zhì)均為2.25Cr-1Mo-0.25V+雙層堆焊(4.5 mm 309L+3 mm 347)。定期檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)加氫精制反應(yīng)器(1401-R-101)在上封頭與筒節(jié)之間的焊縫接頭上有一條環(huán)向線性微裂紋，其長(zhǎng)度為540 mm，如圖1所示。又發(fā)現(xiàn)加氫裂化反應(yīng)器(1401-R-102)在上封頭與筒節(jié)之間的焊縫接頭上也有一條環(huán)向線性微裂紋，其長(zhǎng)度為435 mm，見圖2。

圖1 加氫精制反應(yīng)器環(huán)向微裂紋Fig．1 Central to the micro-crack of hydrotreating reactor

圖2 加氫裂化反應(yīng)器環(huán)向微裂紋Fig．2 Central to the micro-crack of hydrocracking reactor

對(duì)加氫裂化反應(yīng)器外壁微裂紋觀察，發(fā)現(xiàn)兩處微裂紋都是連續(xù)的、直線狀，沒(méi)有寬度，沒(méi)有形成開口。對(duì)微裂紋部位進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大部分裂紋為沿晶裂紋，個(gè)別為穿晶裂紋，金相組織未見異常。母材金相組織位為貝氏體，見圖3，熱影響區(qū)和焊縫金相組織為貝氏體和索氏體，見圖4和圖5。對(duì)母材及焊縫部位進(jìn)行光譜分析，母材和焊縫化學(xué)成分符合產(chǎn)品技術(shù)要求;對(duì)母材及焊縫部位進(jìn)行硬度檢測(cè)均小于220HB。采用裂紋測(cè)深儀和超聲波對(duì)微裂紋深度探測(cè)，深度估計(jì)在3～4 mm。從微裂紋位置上分析:微裂紋位于封頭與筒節(jié)環(huán)焊縫上，筒節(jié)厚度比封頭設(shè)計(jì)厚度大30 mm，需要通過(guò)焊接過(guò)渡形式保證焊縫外觀圓滑，使得焊道加寬，當(dāng)焊接速度過(guò)快時(shí)，容易產(chǎn)生局部融合不良或夾渣現(xiàn)象。因此，判斷微裂紋性質(zhì)屬于回火焊道局部熔合不良所致淺表面線形微裂紋，是在開、停工運(yùn)行過(guò)程中線形微裂紋受應(yīng)力作用逐漸擴(kuò)展產(chǎn)生的，初步判斷為再熱裂紋。另外制造單位在質(zhì)量過(guò)程管理上存在漏洞也是造成缺陷原因之一。

圖3 母材金相組織Fig．3 Microstructure of the base metal

圖4 熱影響區(qū)金相組織Fig．4 Heat-affected zone microstructure

圖5 焊縫金相組織Fig．5 Weld metallographic organization

2.2 渣油加氫反應(yīng)器外壁裂紋

渣油加氫兩列反應(yīng)系統(tǒng)各有一臺(tái)反應(yīng)器，規(guī)格分別為Φ4615 mm×12000 mm(切)×261 mm和Φ4615 mm×15400 mm(切)×261 mm，材質(zhì)均為2.25Cr-1Mo-0.25V+雙層堆焊(4.5 mm 309L +3 mm 347)。在定期檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)A列第二反應(yīng)器(201-R-102A)有兩部分焊縫缺陷，一部分是在上封頭與上封頭過(guò)渡段之間的焊縫上有五條環(huán)向線性微裂紋，裂紋長(zhǎng)度分別為80，85，150，45和30 mm。經(jīng)裂紋測(cè)深儀和超聲波檢測(cè)深度大約2 mm。對(duì)其進(jìn)行金相檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)微裂紋產(chǎn)生于焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，主要為沿晶裂紋，金相組織未見異常，母材為貝氏體，焊縫和熱影響區(qū)為貝氏體和索氏體。對(duì)母材及焊縫部位進(jìn)行光譜分析，母材和焊縫化學(xué)成分符合產(chǎn)品技術(shù)條件，對(duì)焊縫部位進(jìn)行硬度檢測(cè)均小于220HB，母材部位硬度檢測(cè)則小于200HB。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)主裂紋拐彎處產(chǎn)生的小裂紋是在運(yùn)行過(guò)程中主裂紋受應(yīng)力作用擴(kuò)展產(chǎn)生的，初步判斷為再熱裂紋。在2010年12月?lián)Q劑期間，對(duì)反應(yīng)器(201-R-102A)復(fù)檢，在上封頭與上封頭過(guò)渡段之間焊縫上又發(fā)現(xiàn)一條長(zhǎng)度50mm的縱向微裂紋。

另一部分是在筒節(jié)二和筒節(jié)三之間的焊縫表面上有兩處微裂紋，裂紋方向?yàn)榭v向。一處有三條裂紋，見圖6，長(zhǎng)度最長(zhǎng)為15 mm;另一處有十一條微裂紋，見圖7，長(zhǎng)度最長(zhǎng)為50 mm。

圖6 焊縫表面3條微裂紋Fig．6 Three micro-cracks on the weld surface

圖7 焊縫表面11條微裂紋ig．7 Eleven micro-cracks on the weld surface

渣油加氫第二反應(yīng)器筒節(jié)2與筒節(jié)3之間兩處微裂紋均為縱向，經(jīng)裂紋測(cè)深儀和超聲波檢測(cè)深度大約為2.5 mm和7.5 mm。對(duì)微裂紋部位進(jìn)行金相檢驗(yàn)，上、中、下裂紋處的金相組織分別見圖8～10，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大部分裂紋為沿晶裂紋，金相組織未見異常，母材金相組織位為貝氏體，熱影響區(qū)和焊縫金相組織為貝氏體和索氏體。對(duì)母材及焊縫部位進(jìn)行光譜分析，母材和焊縫化學(xué)成分符合產(chǎn)品技術(shù)條件，對(duì)母材及焊縫部位進(jìn)行硬度檢測(cè)均分別小于200HB和220HB。

圖8 裂紋上尖端Fig．8 Cracks on the cutting edge

圖9 裂紋中部Fig．9 Crack central

圖10 裂紋下尖端Fig．10 Cracks under the tip

反應(yīng)器筒節(jié)2與筒節(jié)3之間的環(huán)焊縫為最終合攏焊縫，上下段在最終合攏之前，由于接管焊縫、其它環(huán)焊縫的焊接要求，已經(jīng)進(jìn)行多次中間熱處理，導(dǎo)致筒節(jié)2，3的端口已出現(xiàn)少量橢圓變形。因筒節(jié)2，3橢圓變形的方向相反，造成最終合攏焊縫裝配時(shí)有5 mm的錯(cuò)邊量。為了消除錯(cuò)邊量，焊接回火焊道的同時(shí)，通過(guò)焊接過(guò)渡形式修飾環(huán)焊縫表面，使回火焊道加寬，再通過(guò)碳弧氣刨和砂輪打磨修飾焊道表面。此過(guò)程中，如果砂輪打磨不徹底，局部表面殘存淬硬層，形成微小冷裂紋，因其具有延遲的特性，在檢測(cè)過(guò)程中往往難于發(fā)現(xiàn)。在最終熱處理或使用過(guò)程中，冷裂紋的尖端出現(xiàn)應(yīng)力松弛，就會(huì)形成表面再熱裂紋，裂紋起始于焊縫上，終止于焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)。另外，制造單位工作銜接不緊密、管理存在漏洞也是造成缺陷的原因之一。

3 解決措施

3.1 加氫裂化反應(yīng)器裂紋解決措施

經(jīng)過(guò)上述分析，決定采用砂輪磨削并圓滑過(guò)渡方式將微裂紋完全清除掉。第一步，對(duì)微裂紋兩端做出標(biāo)識(shí)，確定砂輪修磨區(qū)域在微裂紋周圍200 mm范圍內(nèi);第二步，采用一邊砂輪修磨一邊進(jìn)行探傷的方式將缺陷清除。先用砂輪在反應(yīng)器微裂紋處打磨出金屬光澤，再進(jìn)行MT(磁粉)探傷。從缺陷兩端向中間進(jìn)行均勻磨削，為防止局部過(guò)熱，每次磨削量要盡可能小，要求每次砂輪磨削量不大于0.2 mm，修磨過(guò)程中接頭表面嚴(yán)禁出現(xiàn)金屬氧化色。第一次修磨后應(yīng)進(jìn)行MT損傷，發(fā)現(xiàn)線狀微裂紋已變成斷斷續(xù)續(xù)狀，微裂紋長(zhǎng)度由540 mm變成200 mm;再次打磨掉約0.2 mm后進(jìn)行MT探傷，微裂紋長(zhǎng)度剩下約30 mm;針對(duì)剩下的微裂紋再次打磨深度大約2 mm后缺陷消失。對(duì)整個(gè)微裂紋區(qū)域進(jìn)行打磨圓滑過(guò)渡，再對(duì)該區(qū)域多次進(jìn)行全面MT探傷和UT(超聲波)探傷，確認(rèn)微裂紋完全消除。

采用同樣的方法對(duì)加氫裂化反應(yīng)器進(jìn)行處理，兩次打磨后微裂紋剩下50 mm左右，打磨深度約3.5 mm時(shí)，微裂紋完全消失。同樣，對(duì)該區(qū)域多次進(jìn)行全面MT探傷和UT探傷，確認(rèn)微裂紋完全消除。

加氫精制和裂化反應(yīng)器下封頭比上封頭切線高度尺寸小得多，且下過(guò)渡段開口尺寸是通過(guò)機(jī)械加工與下封頭開口尺寸進(jìn)行配合制造，不存在焊接過(guò)渡修飾焊縫的問(wèn)題。為確保檢查全面，再次對(duì)下封頭和過(guò)渡段焊縫進(jìn)行MT探傷和UT探傷，又采用TOFD(超聲波衍射時(shí)差法)檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷。在后來(lái)的開停工過(guò)程中采用聲發(fā)射檢測(cè)，也未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

3.2 渣油加氫反應(yīng)器裂紋解決措施

3.2.1 上封頭與過(guò)渡段之間裂紋解決措施

上封頭與上封頭過(guò)渡段之間環(huán)向微裂紋產(chǎn)生原因與加氫精制、裂化反應(yīng)器原因相同，清除微裂紋方法也相同。在反應(yīng)總裂紋表面修磨2.5 mm左右之后，對(duì)整個(gè)微裂紋區(qū)域進(jìn)行打磨圓滑過(guò)渡，再對(duì)該區(qū)域多次進(jìn)行全面MT探傷和UT探傷，確認(rèn)微裂紋完全消除。

3.2.2 筒節(jié)2與3之間裂紋解決措施

反應(yīng)器筒節(jié)2與筒節(jié)3經(jīng)實(shí)際測(cè)量最小基層厚度為264 mm，最小壁厚為250 mm，因此而設(shè)計(jì)上的厚度上有14 mm的打磨余量。采用砂輪消磨或電動(dòng)旋轉(zhuǎn)銼(電銑頭)銑削，并圓滑過(guò)渡的方式消除缺陷。首先，采用電銑頭在微裂紋兩端銑出圓窩，確定裂紋終止位置，再對(duì)兩端圓窩采用UT探傷檢測(cè)，確認(rèn)止裂效果。止裂后從中間用風(fēng)銑按每段10 mm向兩端銑削，每次銑削深度不大于0.2 mm，然后對(duì)其進(jìn)行UT探傷檢測(cè)，確認(rèn)微裂紋已完全清除，再用砂輪從微裂紋兩端向中間均勻消磨并圓滑過(guò)渡，為防止局部過(guò)熱，每次磨削量要盡可能小，每次磨削深度不大于0.2 mm，修磨過(guò)程中接頭表面嚴(yán)禁出現(xiàn)金屬氧化色。由于該處微裂紋排布緊密，經(jīng)過(guò)數(shù)次打磨，最終磨掉9.5 mm所有微裂紋消失，又對(duì)該區(qū)域多次進(jìn)行全面MT探傷和UT探傷，以確認(rèn)微裂紋完全消除，見圖11。為確保檢查全面，同樣對(duì)下封頭和過(guò)渡段焊縫進(jìn)行MT探傷、UT探傷和TOFD檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖11 11條微裂紋修復(fù)后的外壁Fig．11 The outer wall of eleven cracks repair

4 結(jié) 論

(1)某煉油化工有限公司渣油加氫和加氫裂化裝置是我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、國(guó)產(chǎn)化設(shè)備主導(dǎo)的高壓加氫裝置，經(jīng)過(guò)近6 a的運(yùn)行，設(shè)備經(jīng)受住了考驗(yàn)。隨著新材料、新焊接工藝的研發(fā)，將逐步消滅一些高壓加氫裝置的腐蝕類型。

(2)反應(yīng)器外壁裂紋多產(chǎn)生于焊縫接頭和應(yīng)力集中處，因此在制造過(guò)程中就應(yīng)避免焊縫缺陷和應(yīng)力集中的產(chǎn)生。

(3)反應(yīng)器要嚴(yán)格按照“先升溫后升壓”開工，“先降壓后降溫”停工的原則操作?？刂坪蒙⒔禍厮俣炔淮笥?0℃/h、升降壓速度不大于1.0 MPa/h和最低升壓溫度(大于93℃)。生產(chǎn)期間加強(qiáng)管理，嚴(yán)禁“飛溫”，當(dāng)緊急停工發(fā)生有超溫或急冷時(shí)，需對(duì)反應(yīng)器損傷情況評(píng)估，決定最低升壓溫度和運(yùn)行中監(jiān)控措施。

(4)建議在裝置運(yùn)行期間，采用聲發(fā)射、干磁粉檢測(cè)方法對(duì)發(fā)生過(guò)微裂紋部位在線進(jìn)行檢驗(yàn);利用每年渣油加氫換劑和裝置停工檢修時(shí)機(jī)，反應(yīng)器定要做全面檢驗(yàn)。

(5)建議在有條件的情況下，對(duì)發(fā)現(xiàn)的鉻鉬鋼反應(yīng)器再生熱裂紋進(jìn)行掃描電鏡觀察，對(duì)裂紋中產(chǎn)物做能譜分析，進(jìn)一步研究確認(rèn)裂紋成因。

［1］ 中國(guó)石油和石化工程研究會(huì)．煉油設(shè)備工程師手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)石化出版社，2010:16-21．

(編輯 杜婷婷)

Abstract:The common corrosion types of HP hydrogenation reactors and protection measures are presented．The cracks in the external wall of two HP hydrogenation reactors of a petrochemical company were analyzed，corresponding repairing measures were taken，and improvements in operation were proposed．The problems from reactors have provided valuable experience for improvement of quality and manufacturing process for engineering contractor and manufacturer．Several years’operation has proved that，a good design，proper material section and fabrication as well as effective corrosion protection management are the indispensible bases for the long－term safe stable operation of hydrogenation reactors in addition to controlling temperature rising and lowering speed at no greater than 10℃/hr，pressure raising and reducing speed at no greater than 1．0 MPa/hr and minimum pressure raising temperature at greater than 93℃．

Keywords:HP hydrogenation，reactor，cracks in external wall，repairing measures

Analysis of Cracks in External Wall of HP Hydrogenation Reactor and Maintenance Measures

Xu Bin
(SINOPEC Hainan Refining＆Chemical Co．，Ltd．，Zhanzhou，Hainan 578101)

TE988

A

1007－015X(2012)05－0035－05

2012－06－16;修改稿收到日期:2012－07－20。

徐彬(1969－)，高級(jí)工程師，從事煉油化工設(shè)備技術(shù)管理工作。E-mail:hnlyxb@126.com。