对在役加氢反应器缺陷的现场检验及其成因分析.pdf
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1、对在役加氢反应器缺陷的现场检验及其成因分析( 一) 反应器内壁及人孔大盖内壁中的裂纹 李蓉蓉 , 陈学东, 李平瑾 , 艾志斌 ( 合肥通用机械研究所压力容器检验站 , 安徽 合肥2 3 o 0 3 1 ) 摘要: 从近百台在役加氢反应器的现场检验 中, 选择 了 1 0台有缺 陷反应器作为实例 , 通过宏观观 察、 金相检验 、 硬度测试 以及对内壁不锈钢进行铁磁相测定等手段并经综合分析, 从而判 断缺陷的 性质。为缺陷的处理以及反应器的再投用提供 了科学依据。 关键词: 在役加氢反应器; 缺陷; 成因 中图分类号 : T E 9 6 6 文献标识码 : B 文章编 号 : 1 0 0 1
2、4 8 3 7 ( 2 0 0 9 ) 0 3 0 0 3 0 0 7 d o j : 1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 0l一4 8 3 7 2 0 0 9 0 3 0 0 7 Si t e I ns p e c t i 0 n a n d Ca us e An a l y s i s 0 f De f e c t s f 0 r Hy d r 0 g e n a t i 0 n R e a c t 0 r i n S e r V i c e ( 1 ) The Cr a c k s o f Re a c t 0 r I nn e r W a l l a n d M a n
3、 hO l e CO v e r I n ne r W a l l L I Ro n g r o n g ,C HE N X u e d o n g , L I P i n g j i n , AI Z h i b i n ( P r e s s u r e V e s s e l I n s p e c t i 0 n S t a t i 0 n , H e f e i G e n e r a l Ma c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u t e , He f e i 2 3 0 0 3 1 , C h i n a ) Abs t r a
4、c t: Thi s p a p e r s h o ws t e n s i t e i n s p e c t i o n e x a mp l e s f lr 0 m 1 0 0 s i t e i n s pe c t i o n s o f h y d I D g e n a t i 0 n r e a c t o r i n s e r v i c e C o m p r e h e n s i V e a n a l y s i s w a s m a d e o n d e f e c t p mp e r t i e s b y m e a n s o f ma c r o
5、 s e o p i c o b s e n r a t i 0 n , me t a l l o g r a p h i c e x a mi n a t i o n,h a r d n e s s t e s t i n g,f e n ma g n e t i c t e s t i n g f 0 r i n n e r wa l l 0 f S S e t c I t p r o v i d e s s c i e n t i f i c b a s i s f 0 r d e f c t t r e a t me n t a n d h y d I _I ) g e n a t i
6、 o n I le a c t o r i s a v a i l a b l e a g a i n Ke y wO r d s: h y d r o g e na t i o n r e a c t 0 r i n s e r v i c e;d e f e c t s ;c a u s e l 前言 加氢反应器是炼油厂 中催化重整、 加氢裂化和 加氢精制装置中的关键设备 , 由于它长期处于高温、 高压和临氢环境 中运行 , 对设备的用材 、 制造的要求 都比较苛刻。加氢裂化和加氢精制装置一般均选用 铬钼钢制作 , 并在其 内表面堆焊奥 氏体不锈钢层 以 提高其抗硫化氢和氢腐蚀的能力 。而
7、催化重整装置 反应器一般选用碳钢或低合金钢 , 内衬不锈钢板或 隔热层。对这些反应器必须按照专门的技术规范和 3 0 技术要求制造 。 加氢反应器的主要损伤形式有 : ( 1 ) 基材铬钼钢的回火脆化 ; ( 2 ) 氢损伤 ( 包括 氢脆和氢 腐蚀 ) ; ( 3 ) 堆 焊层氢 致裂 纹 ( 堆 焊层剥 离) ; ( 4 ) 连多硫酸应力腐蚀开裂、 c l 一 应力腐蚀开裂 等。 自2 O 世纪9 0年代初至今的l 0多年期间, 笔者 参加了近百台在役加氢反应器的现场检验 , 着重于 对设备的缺陷进行宏观观察 、 金相检验 、 硬度测试以 及对内壁不锈钢进行铁磁相测定等, 从而取得了丰 富
8、的第一手反应器缺陷的资料。 第2 6卷第 3期 压 力 容 器 总第 1 9 6期 经现场检验和试验室分析表明 : 设备 上的缺陷 有的是制造时遗留下来 的; 有的制造缺陷经长期运 行后加以扩展; 有的是原材料本身存在的; 有的是使 用过程中或开停车期间产生的, 特别是开 、 停车时操 作程序不当或停车期间未加 以有效保护而造成的。 笔者从近百台在役加氢反应器 中选 取了 1 0台 有典型缺陷的反应器, 组成9个实例, 分为两部分进 行论述 。下面分别介绍各类缺陷状态 、 特征及性质 , 以供同行借鉴。 2 实例 1 : 催化重整预加氢反应器内衬不锈钢焊接 ( b ) 补焊H A z 上裂纹B
9、 接头处裂纹 2 1 简介 该容器是 1 9 8 9年从美国购买的旧设备 , 在国外 已运行( 包括停用) 1 9年。l 9 9 6年国内某石化企业 成套引进启用 , 1 9 9 8年进行了定期检验, 安全状况 等级定为 3 级。合肥通用机械研究所压力容器检验 站( 下称检验站 ) 在 2 0 o o年对其进行全面检验。 设备主要 技术 参数 :容器 规格 : 7 4 3 mm ( 3 8 1+2 8 1 )mm 1 2 9 2 9 m m; 设计 压 力 : 3 0 3 MP a , 设计温度 : 4 2 7 ; 操作 压力 : 2 6 0 MP a , 操作 温度: 3 2 0; 主体材质
10、: s A 2 0 4一 G r c+ T P 4 1 O s ( 复 合板) ; 介质: 油气 + H : 。 2 2裂纹部位 对该容器内壁 P rI 1 检 测发现 , 设备 的上 封头与 简体相交的环焊缝以及该筒节的纵焊缝上均有裂 纹 , 经金相制样检验表明 : ( 1 ) 环焊缝上 的裂纹 A部 位有补焊迹象 , 裂纹 A位于补焊焊道 内; ( 2 ) 环焊缝 补焊焊道的热影响区上有裂纹 ; ( 3 ) 纵焊缝上的裂 纹 c均在焊缝金属 内。裂纹 A, 日和 c具体部位见 图 1 。 ( a ) 补焊焊缝上裂纹 A 焊道 焊道 焊道、 裂纹( ( c ) 简体纵焊缝上裂纹 C 图 1
11、裂纹所处部位示意 2 3 裂纹检验与特征 裂纹 A位于环焊缝补焊焊道上 , 其裂纹多数集 中于熔合线附近, 裂纹走 向与熔合线基本垂直( 见 图 2 ( a ) ) , 裂纹主要呈沿晶特征 ( 见图 2 ( b ) ) 。原焊 道的金相组织为: 奥氏体 + 铁素体 + 碳化物, 补焊焊 道的金相组织为: 奥氏体 + 铁素体; 原焊道的硬度 为 : H B 2 4 6 2 4 9 , 补焊焊道为 : H B 1 7 61 8 9; 原焊 道 的铁磁相为: 4 5 5 5 2 2 , 补焊焊道 的铁磁相 为 : 1 6 2 1 。 裂纹 B位于环焊缝补焊焊道热影响区上 , 裂纹 对在役加氢反应器缺
12、陷的现场检验及其成因分析 ( 一) ( b ) 图2 补焊焊道处裂纹 长约 2 m m, 与熔合线基本垂直, 裂纹的微观形貌见 图 3 。裂纹的走 向以穿晶为主, 并呈典 型的树枝状 特征 , 裂纹附近的组织为铁素体 +奥氏体 +马氏体 , 裂纹附近的硬度高达 H B 2 7 82 8 4 。 图 3 热影 响区裂纹 裂纹 c全部位于纵焊缝金属左侧 的焊道上 , 为 密集的横裂纹。图 4为裂纹的微观形貌 , 裂纹走 向 主要是沿晶的, 其附近的硬度为 H B 1 7 21 8 6 , 铁素 体含量为 1 8 2 0 。 2 4裂纹成因分析 从裂纹的形貌判断 , 裂纹 A具有焊接热裂纹 的 典型
13、形貌特征。它是在焊接凝固过程的后期形成 的 结晶裂纹。在焊接凝 固过程中, 局部聚集在晶粒边 界的低熔点共晶形成液态簿膜 , 冷却收缩时 , 在焊缝 【 b ) 图 4 纵焊缝裂纹 中形成微裂纹。为避免奥氏体不锈钢焊缝产生热裂 纹 , 一般应控制焊缝金属 中 6铁素体含量大于 3 , 而补焊焊缝中铁素体含量仅为 1 6 2 1 , 加上 焊接线能量较大 , 因此易发生热裂纹 。 裂纹 B具有较为典型的应力腐蚀开裂的特征。 由于反应器介质 中含有 c l 一 离子 , 裂纹的启 裂处是 在熔合线上 , 焊缝为补焊的奥 氏体不锈钢, 而内衬板 材则为铁素体型不锈钢, 这就造成熔合线两侧的成 分差异
14、 , 使热影响区成分复杂 , 出现奥氏体和马氏体 的组织。同时热影响区存在较大的残余应力; 设备 又是在高温 ( 3 2 0 q C ) 的条件下运行 , 促进 了 c l 一 离 子应力腐蚀的开裂。文献 2 阐述了铁素体不锈钢 一 般对应力腐蚀是免疫的, 但若熔入一些合金元素 如 : N i 和 C u , 则会发生 C l 一 离子应力腐蚀。对于裂 纹 B处的热影 响区就是熔人 了 N i ( 奥氏体形成元 素) 元素 , 而导致应力腐蚀开裂的发生。 裂纹 c与裂 纹 4处 的性质相 同, 属焊 接热裂 纹 3 实例 2 : 加氢反应器内壁堆焊层补焊处裂纹 3 1 简介 该容器是由 日本制
15、钢室兰制作所制造 , 石油部 六公司安装 。1 9 9 0年 7月投用 , 1 9 9 8年 7月检验站 对该容器进行了检验 。 设备 主要技术参数 : 规格 : 2 2 0 0 m m( 6 0 8 6 + 4 )mm1 4 9 1 0 mm; 设计压力 : 8 4 4 MP a , 设计温 度 : 4 3 0 ; 操作 压力 : 8 1 4 M P a , 操 作 温度 :4 l 0 q C ; 主体材质: s A 3 8 7 2 2 c 1 T P 3 4 7 L ; 介质: 油气、 氢气 、 H , S 。 3 2裂纹部位 在金相抽检时发现, 反应器内壁简体下部的堆 第 2 6 卷第
16、3 期 压 力 容 器 总第 1 9 6 期 焊层补焊焊道上存在微裂纹 , 裂纹长约 0 2 1 0 2 5 m m, 裂纹所处部位见 图 5 。 图 5 裂纹所处部位 3 3 裂纹检验与特征 金相观察表 明, 裂纹具有沿 晶特征 , 见 图 6 , 裂 纹附近的硬度为 H B 1 7 21 7 8 , 经过 3年 的使用后 , 2 0 0 1年再次对该部位进行金相检验 , 制样后在 同一 部位未发现有裂纹 , 说明该处裂纹较浅 , 在金相制样 时就被磨掉。 3 4 裂纹成 因分析 ( b ) 2 0 O 图 6 微裂纹 该处裂纹为焊接热裂纹 , 是制造时遗 留的微裂 纹 , 在补焊焊道与带极
17、 堆焊交界 处 , 补焊焊道收弧 快, 其尾部的火 口冷却速度快, 熔池边缘最后结晶 时, 局部集聚的低熔点共晶在应力作用下被拉裂。 4 实例 3 : 加氢反应器人孔大盖 内壁堆焊面上的裂 纹 4 1 简介 该容器 是 由 中石化 洛 阳石 油 化 工 工 程公 司 2 0 0 3年设 计 , 某厂 制造 。2 0 0 4年 9月投 用。2 0 0 8 年 8月检验站对其进行检验。 设备主要技术参数 : 容器规格 : 2 0 0 0 m m( 7 6 + 6 5 )mm ( 4 9+ 6 5 )mm1 7 5 6 7 mm; 设计压力 : 8 7 2 MP a , 设计温度 : 4 3 0 q
18、 C; 操作压力 : 8 3 M P a , 操作温 度 : 4 1 0; 主体 材 质 : s A 3 8 7 2 2 c L 2 WT P 3 4 7 L O L ; 介质 : 油 、 H2 、 H 2 S 。 4 2裂纹部位 经渗透检测发现 : 在上人孔大盖内壁堆焊面有 约( 3 O 4 5 )m m 。 的区域存在网状裂纹, 裂纹所处部 位及形貌见图 7 。裂纹距油气入 口孔约 3 5 m m。 4 3 裂纹检验与特征 裂纹 的微观形貌见 图 8 。由图 8可见 , 裂纹是 沿晶扩展的, 裂纹附近的组织有两种, 一种为奥氏体 +马氏体( 见图8 ( a ) ) , 在该处其硬度高达 H
19、 B 3 3 4 , 铁磁相也高达 3 6 4 , 裂纹大部分 位于该组织 内; 另一种为正常的奥氏体 + 铁素体 ( 见 图 8 ( b ) ) , 该 处 的硬度为 H B 1 6 51 8 5 , 铁素体含量 为 4 5 7 1 , 均属正常范围。 4 4 裂纹成 因分析 根据金相组织 ( 奥 氏体 +马氏体 ) 并结合硬度 和铁磁相测试结果分析, 此区域堆焊层较薄, 在焊接 时稀释度较大, 导致表层出现马氏体组织 , 并存在较 大的残余应力。由于设备处于高温和含有 H s的 环境中, 因而在设备运行期间, 钢表面会生成 F e s , 当设备停车冷却到室温时, F e s与湿空气相接触
20、并 反应生成连多硫酸, 从 而导致沿晶的连多硫酸应力 腐蚀开裂。 5 实例 4: 加氢反应器人孔盖密封槽底处的密集裂 纹 5 1 简介 该容器是由兰州炼油厂设计所 1 9 8 8年 2月设 33 对在役加氢反应器缺陷的现场检验及其成因分析 ( 一) V 0 I 2 6 N 0 3 2 o o 9 ( b ) 图7 人孔大盖内壁堆焊面裂纹所处部位及宏观形貌 计 , 某 石 油化 工机 械 厂制造 。l 9 9 1年 6月投 用。 2 O 0 0年检验站对其进行检验。 设备主要技术参数 : 容器规格 : 1 8 0 0 m m( 6 5 3 4 ( b) 图 8 裂纹局部微 观形貌 + 6 )m
21、m 1 2 5 5 5 mm; 设计压力 : 8 MP a ( 反应 ) 2 7 M P a( 再生) , 设计温度 : 3 6 8 ( 反应 ) 4 8 O ( 再 生) ; 操作压力 : 7 6 MP a ( 反应 ) 2 3 M P a( 再生 ) , 操作温度 : 3 4 0 ( 反应) 4 8 0( 再生) ; 主体材质: 1 2 5 C r 一 0 5 M0 S i ( O 0 C r 2 5 N i 1 3+0 0 C r 2 0 N i 1 0 N b ) ; 介质 : 柴油、 H 、 H S 。 5 2裂纹部位 经渗透检测发现 , 容器的人孔 、 人孔盖密封槽底 有大量的表面
22、裂纹 , 裂纹均匀分布于各个方位 ( 见 图 9 ) 。 图9 裂纹分布示意 第 2 6卷第 3期 压 力 容 器 总第 l 9 6期 5 3裂纹检 验 与特征 裂纹大多数沿径向分 布, 少量沿环 向或不规则 取向 , 裂纹最长约 1 5 m m, 最深约 3 7 mm。裂纹表 面宏观形貌主要有: 单条、 树枝状及网状三种特征, 绝大多数裂纹均位于槽底 中部 , 少量越过梯形槽拐 角进入斜面。在人孔顶盖密封槽的底部选取三处进 ( a ) 3 O 行金相复膜、 硬度测试和铁索体含量测定。对其进 行抛光侵蚀后 , 发现在密封槽底 中间部位均出现有 补焊痕迹 , 裂纹密集分布 的区域主要在补焊焊道上
23、。 裂纹走向基本 属沿 晶 +穿 晶混合特征 ( 见 图 1 0 ) 。 裂纹附近的硬度高达 H B 2 5 32 8 1 。密封槽底铁素 体含量为 3 4 5 O , 属正常。 ( c ) l o o ( d ) 6 0 ( e ) 1 5 0 图 l 0 5 4裂 纹成 因分析 从裂纹 的形貌和特征及硬度测试推断 , 人孔顶 盖密封槽底 的裂 纹为典 型 的 c l 一 离子应 力腐蚀 开 裂。由于设备在运行状态下 , 密封槽底不接触介质 , 不具有应力腐蚀 的环境 。停工开罐后 , 可能接触到 含 c l 一 离子的雨水或其它水源, 由于补焊部位硬度 高、 残余应力较大, 成为应力腐蚀开
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- 加氢 反应器 缺陷 现场 检验 及其 成因 分析
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