加氢反应器失效因素的探析

曹跃彬 李宁 徐文惠

摘要：本文以加氢反应器失效为主要研究对象展开分析，首先阐述加氢反应器失效因素，然后结合实际案例对反应器的失效因素进行分析，并通过试验说明诱发原因，指出产生原因。

关键词：加氢反应器；失效因素；金相分析

引言

为确保油品质量，加氢反应器需要长期处于高温高压环境中运行，而天然气、硫化氢将对容器造成腐蚀，为避免容器出现开裂情况，需要加强研究。

1加氢反应器失效因素

为有效提升油品质量，加氢反应器长期在高压、高温环境中运行，并承受着油气、硫化氢、氢气等具有腐蚀性的介质腐蚀。为对高温环境中，复合板剥离倾向加以有效解决，多应用堆焊工艺。但是因为堆焊层与母材膨胀系数、氢溶解度存在差异，因此容易出现堆焊层与母材剥离、焊层出现层下裂纹、焊层裂纹情况^[1]。本文对加氢反应器失效因素进行分析。在正常运行时存在缺陷和位置见下表：

表一：加氢反应器易产生的缺陷及部位

缺陷种类	缺陷发生温度与缺陷现象	缺陷部位
氢腐蚀裂纹	≥250℃温度中运行，介质和钢的内部、表面脱碳	设备母材和焊缝金属
回火脆化	350℃至600℃温度使用，晶界处不纯物偏析，出现高温脆化情况	设备母材、焊缝金属以及焊接材料
蠕变裂纹	＞400℃蠕变区域	母材和接管锻件连接位置焊缝存在热影响区
应力集中裂纹	因为结构存在不连续性，温度应力梯度差造成局部存在应力集中	裙座和封头连接位置，外部结构件的连接位置
奥氏体不锈钢焊接位置氢脆裂纹	高温环境中操作导致氢扩散至不锈钢中，停工之后冷快速，造成开裂	设备表面的堆焊层，法兰的密封槽以及内部构件的连接焊缝
奥氏体不锈钢焊层剥离	高温环境操作快速冷却，导致焊层和母材剥离	堆焊层
奥氏体不锈钢和硫酸应力腐蚀裂纹	检修中焊层硫化铁和环境中的氧气、水发生反应产生硫酸，造成腐蚀开裂	反应器的内部构件以及堆焊层

虽然裂缝出现原因、位置有所不同，堆焊层出现裂缝的原因可以总结为堆焊缺陷、高温δ相变、氢离子堆积和应力集中。

1.1氢离子聚积

反应器实际运行时，表面层和母体金属介质充分接触，所以溶解金属内饱和氢浓度较大。正常运行时，相比于堆焊层、过渡层，铬钼钢氢离子的浓度较低，但处于关闭状态时，基底金属氢扩散的速率＞堆焊层扩散速度，同时其积聚于晶间空间与非金属杂质内，产生局部高压，晶界加宽，裂缝随着时间形成钢的韧性和强度，造成反应器的主要材料出现失效情况。

1.2 σ相转变

为避免焊接时出现热裂情况，一般在奥氏体表面层适量加入铁素体。在500℃至925℃温度环境中长期工作，铁素体σ相将发生变化，造成表面层变得较脆，降低焊层的韧性，因为σ相富含Si、Mo、Cr，导致周围存在贫Si、Mo、Cr区域，对钢耐蚀性产生影响。

1.3热应力

加氢反应器的表面层导热率相比于母体金属导热系数较低。但是因为反应器的表面层的膨胀系数＞母体金属导热系数。反应器处于运行状态时，不锈钢与铬钼钢间膨胀差异逐渐增加。处于冷却状态时，焊层冷却速率＜母材冷却速率，同时焊层集中区域所产生热应力比较高。针对表面层，应力、热应力较为集中将产生屈服应变，继而引发疲劳应变，焊层表层出现细小裂缝，导致主材失效。所以在实际施工设计时，为防止出现裂纹，首先，合理设计制造，例如焊接之前进行预热，在焊接结束后进行消氢处理、热处理，使用低氢类型焊条，多焊道小电流，合理设计装配顺序，层间锤击处理，防止应力集中^[2]。其次，对铬钼钢铁素体数进行规定，借助金相检测筛除网状组织，控制焊层处于无热裂纹时出现σ相转变。再次，表面处理中，完成TP309过渡层堆焊后，开展热处理，之后堆积高应力区TP347。对结构进行设计时需要避免出现不连续性问题，增加圆角的半径，保证平滑过渡。最后，反应器需要平稳操作，降低温度波动对母材所产生冲击。在非检修期间，不可频繁启停。

2加氢反应器失效实例分析

2.1加氢反应器技术参数

容器的设计温度为425℃，设计压力为3.7MPa，材料为15CrMoR，内径为1800mm，设计厚度为34mm，封头和筒体实际厚度为36mm至38mm。反应器工作原理：应用加热器将石脑油加热到390℃至410℃，之后流进反应器。石脑油由烯烃、芳烃、乙烷、甲烷等不饱和烃，借助钴钼作用，通入氢气，将石脑油中有机硫转变为无机硫。

2.2解剖分析

首先，对容器的外部进行检查时，反应器的外壁不存在腐蚀情况，容器的下封头和裙座焊接上方位置存在开裂情况。①裂缝长度为760mm，宽处为20mm。裂缝在裙座和下封头角焊缝和筒体、下封头环缝间，裂口上部存在外鼓情况，下部内凹，存在较小的变形。焊缝标示距离100mm。在裂缝的尖端存在大量和主裂纹平行小裂纹。

在开裂位置的上方，筒体的环焊缝位置存在筒体鼓包情况，面积约700mm²，周长约6010mm，高度30mm。把设内部耐火球、触媒、物料清理干净，化验合格进入反应器的内部展开检查工作。内壁筒体上封头不存在氧化、腐蚀情况。容器下封头存在氧化层，厚度约为3mm。容器的下封头和裙座角焊缝热影响区存在开裂，②裂缝长度约750mm。宽处最大值为40mm，和①裂缝交汇在角焊缝位置。通过宏观检查，通过取样试验，共发现五处，取样位置在①裂缝的东尖端、裂缝中间、②裂缝东尖端、鼓包位置和开裂对面的筒体。裂缝的断口较为平齐，呈现出明显的脆性断口，断口的外壁较为平滑，内壁比较粗糙。

其次，对容器的壁厚进行测量。数据如表二所示。

表二：容器壁厚测量结果

序号	厚度（mm）	位置		序号	厚度（mm）	位置
1	35.3	鼓包边缘		6	37.16	筒体
2	33.63	鼓包中心		7	37.92	封头裂缝
3	32.16	鼓包中心		8	38.01	封头裂缝
4	35.8	鼓包边缘		9	9.66	裙座
5	37.22	筒体		10	38.05	鼓包对面

通过数据分析，筒体鼓包处的壁厚最薄，厚32.16，因为变形减薄。其他位置保持在正常单位，不存在明显减薄。

2.3试验分析

首先，进行硬度分析，借助硬度计测量容器的里氏硬度，分析测量结果，封头的裂缝位置周围相比其他位置硬度较高，结果都在正常范围。其次，分析机械性能。对试块3、4、5取样开展拉伸试验，对材质延伸率和强度进行测定。按照相关规定，当厚度为6mm至60mm，15CrMoR材质钢板屈服强度295MPa，抗拉强度需要保持在450MPa至590MPa，延伸率为19%，通过试验分析，裂缝对面的试样机械性能满足要求，鼓包位置试样的机械性能有所下降，分析裂缝位置试样的化学元素并非15CrMoR，其机械性能低于标准值。再次，分析金相。取五处试样分析金相，通过分析，试样一金相组织是铁素体+片状珠光体，裂缝的及东南存在大量和主裂缝保持平行的裂缝。试样二金相组织为铁素体+片状珠光体，容器的内壁钢材存在脱碳情况，相比于中部，内壁碳含量较少，脱碳情况平均厚度2.5mm，能够观察到平行开裂裂缝，试验三金相分析为铁素体+片状珠光体，试样四金相分析为铁素体+珠光体，试样五金相分析为铁素体+珠光体。

总结

结合实际情况对加氢反应器的失效因素进行分析，容器的下封头没有Mo、Cr元素，导致其屈服强度不满足设计要求。另外，容器的内部氢分压1.3MPa，因为材质不满足要求，出现氢腐蚀情况，氢气扩散至筒体材料的内部，发生反应产生GH₄，出现脱碳情况，进而造成容器产生鼓包、裂纹情况。最后，容器开裂位置在下封头和裙座焊接处。因为该位置需要承载容器重量，因此属于开裂敏感部位，并且焊接热影响区属于焊接薄弱位置，容易出现开裂情况。

参考文献

[1]肇郁. 浅析加氢反应器压差增大原因及应对探讨[J]. 中国化工贸易, 2018(001):205.

[2]李作涛.加氢反应器的腐蚀分析与检验[J].化学工程与装备,2020(04):191-192.