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1、加氢设备与选材,中国石化集团洛阳石油化工工程公司 黎国磊2004,序言,加氢装置的临氢设备操作条件相当苛刻。从损伤角度说，可能会发生一些全体装置设备不会有或不容易有的腐蚀或损伤现象。另外，由于有氢气存在，一旦泄露易引起爆炸及发生二次灾害。 制造条件要求高，造价昂贵，一般动、静高压设备费用约占整个装置建设投资的30%40%。,序言,所以对这些设备的设计和制造都很重视，提出至少要满足以下几点要求：1. 满足工艺过程各种运行方案的需要； 2. 使用可靠性高 ； 3. 维护检修方便，所需时间短； 4. 投资费用较低。,一. 加氢裂化装置主要设备结构与特点,(一) 反应器 加氢反应器是加氢装置的核心设备
2、。操作条件苛刻，技术难度大。所以，反应器的设计和制造成功，在某种意义上说体现一个国家总体技术水平的重要标志之一。 1. 反应器技术发展梗概 随着加氢工艺技术的广泛应用，加氢工艺设备特别是反应器技术相应得到很快的发展与显著的进步。主要表现：,1. 反应器技术发展梗概,(1) 安全使用性能越来越高。这也是整个技术发展过程所围绕的核心问题 * 设计方法的更新 由“常规设计”即“规则设计” 以“应力分析为基础的设计”，即“分析设计” * 设计结构的改进 本体结构：单层 多层 更高级的单层 使用状态：冷壁结构 热壁结构 细部结构的改进,1. 反应器技术发展梗概,* 材料制造技术的发展，质量明显提高 体现
3、在冶炼技术、热处理技术、分析技术等等方面。最终反映在材料的内质特性(纯洁性、致密性、均质性)非常优越 * 制造技术的进步 如制造装备、制造工艺、焊接技术(含堆焊技术)、热处理技术、检测技术等等都有很大进步。,(2) 为了获得较佳的经济效益，装置日趋大型化带来了反应设备的大型化。,热壁加氢反应器技术演变,热壁加氢反应器技术演变,热壁加氢反应器技术演变,热壁加氢反应器技术演变,2. 反应器本体结构特征,单层结构 钢板卷焊结构 锻焊结构 多层结构 绕带式 热套式 等等,2. 反应器本体结构特征,我国华南工大针对国外80年代初所开发的一种多层结构存在的某些缺点开发出了多层夹紧式结构。 结构形式的选择一
4、般是依据使用条件、反应器尺寸、经济性和制造周期等诸因素来确定。,2. 反应器本体结构特征,单层结构中的钢板卷焊结构和锻焊结构的选择，主要取决于制造厂的加工能力与条件以及经济上的合理性和用户的需要。但锻焊结构优点更多。 锻件的内质特性(纯洁性、致密性、均质性)好； 焊缝少，特别是没有纵焊缝，从而提高了反应器耐周向应力的可靠性； 制造装配易保证，制造周期短； 可设计和制造成对于防止某些脆性损伤很有好处的结构； 使用过程中对焊缝检查维护的工作量少，无损检测容易。,2. 反应器本体结构特征,锻造结构的材料利用率比板焊结构低，当壁厚较薄时，其制造费用相对较高。一般，厚度大于150mm时采用较合适，壁厚越
5、厚，锻造结构的经济性更显优越。,3. 反应器内件型式及作用,反应器内件设计性能的优劣将与催化剂性能一道体现出所采用加氢工艺的先进性。 对于气液并流下流式反应器的内件，通常都设有入口扩散器、气液分配器、积垢篮、冷氢箱、热电偶和出口收集器等。 主要内件的作用、典型结构及注意要点,3. 反应器内件型式及作用,在反应器内件设计中最关键的一点是要使反应进料(气液相)与催化剂颗粒(固相)有效地接触，在催化剂床层内不发生流体偏流现象。 从设备设计角度说，有两点是特别值得注意的： 内件要具有高效和稳定操作的性能； 最大限度地利用反应器容积。,（二）高压换热器,1. 加氢装置常用的高压换热器型式 通常有以下3种
6、型式： * 普通大法兰型换热器 * 密封盖板封焊式换热器 * 螺纹环锁紧式换热器 应该根据不同的使用条件合理地进行选择。对于高温高压场合，选用后2种型式较为合理。一般大致按压力大于8010MPa时选用后2种。, 2. 螺纹环锁紧式高压换热器结构及使用注意要点：,（1）主要结构特点 （a） 密封性能可靠 * 螺栓载荷小，故螺栓小，便于拧紧。 不同结构换热器螺栓大小的对比情况如下： 不同型式换热器用螺栓比较 设计条件 压力：17.65MPa 温度：430 内径：900mm 螺栓规格数量 法 兰 型 ：M8520根 螺纹环锁紧式：M3840根,* 在运转中如管壳程间发生串漏有消除泄漏的手段,* 法兰
7、联接点少，减少了许多可泄漏点。 (b) 拆装方便 可在短时间内完成，所需时间比法兰型少三分之一以上。 (c) 金属用量少 (d) 结构紧凑，占地面积小。 缺点：结构比较复杂，公差与配合要求较严。,（2）设计、使用中应注意的问题,(a) 由于它的结构复杂，在设计中务必进行仔细的计算。 (b) 要保证有足够的管箱端部螺纹啮合高度（不小于毫米）及尽量限制螺纹啮合高度的变化。 (c) 管束拆装要使用专门工夹具，以保护好管箱大螺纹。 (d) 使用过程务必保证管壳程间的压差不超过设计规定值。,(e) 在检修中，发现有关零件的变形或损伤超过规定值时，务必及时更换。,（三）高压空冷器 1. 高压空冷器的结构型
8、式与优缺点 * 一般采用的管箱结构有： (a) 丝堵式管箱 （应用较多） 0 锻造式结构 0 板焊式结构 (b) 集合管式管箱,* 传热管用翅片型式：,L 型 LL 型 KL 型 G 型 DR 型 应根据操作温度、使用环境及经济性能等要求来选择。下表是几种翅片管的适用温度与有关性能的对比情况：,主要翅片管型式对比,L LL KL G DR 最高使 150 170 250 350 280 用温度 抗大气 可 中等 中等 差 好 腐蚀性 能 传热 差 略好 好 很好 很好 性能 价格 低 略高 略高 较高 高,2.高压空冷器使用注意要点,此类空冷器过去使用中曾发生过的突出损伤问题是管子的腐蚀穿孔（
9、因有NH4HS水溶液存在）。这是设计、使用中最值得注意的问题。 可从选材、控制工艺条件、结构设计和空冷器与管线的布置上采取一些相应措施使腐蚀减至最小。,（四） 高压分离器,加氢装置设置高压分离器（高分），是为将反应器流出物中的气液相进行分离。为此，需要有合适的气相分离空间和充分的液相停留时间。 随着装置所采用的高分流程的不同，高分也相应地分为热高分和冷高分两类。,四、加氢反应器主要损伤型式与材料选择,加氢装置由于操作条件的特殊性，所以反应器有可能发生一些特殊的损伤现象。为防止这些破坏性的损伤发生，不仅要有正确的设计与选材，而且与正确的制造工艺和正确的操作维护关系极大。 下面介绍热壁加氢反应器可
10、能发生的主要损伤型式及其对策。 高温氢腐蚀 氢脆 高温硫化氢腐蚀 铬-钼钢的回火脆性损伤 连多硫酸应力腐蚀开裂 奥氏体不锈钢堆焊层的氢致剥离,高温氢腐蚀 (HAHydoqgen Attack),(1) 高温氢腐蚀形式 表面脱碳 内部脱碳与开裂,表面脱碳不产生裂纹，表面脱碳的影响一般很轻，其钢材的强度和硬度局部有所下降而延性提高。,高温氢腐蚀 (HAHydoqgen Attack),内部脱碳是由于氢扩散侵入到钢中发生反应生成甲烷，即Fe3C+2H2CH4+ 3Fe 。甲烷聚集于晶界空穴和夹杂物附近，形成很高的局部应力，使钢材产生龟裂、裂纹或鼓泡，并使钢材强度和韧性显著下降。由于这种损伤是发生化学
11、反应的结果，所以它具有不可逆的性质，也称永久脆化现象。其实际的进展是甲烷气泡在晶界形核、成长及气泡串通产生晶间微裂纹，最终这些微裂纹能够连通而形成断裂通道。,高温氢腐蚀 (HAHydoqgen Attack),高温氢腐蚀 (HAHydoqgen Attack),这里要引出一个“孕育期”(或称潜伏期)的概念。就是对于处在形成甲烷气泡，但成长速度缓慢且没有串通的阶段，钢材的力学性能不发生明显改变的这段时间称为“孕育期”。 “孕育期”的概念对于工程上的应用是非常重要的。它可被用来确定设备和管道所采用的钢材的大致安全使用时间。“孕育期”的长短取决于许多因素，包括钢种、氢压、温度、冷作程度、杂质元素含量
12、和作用应力等。,(2) 影响高温氢腐蚀的主要因素 温度、压力和暴露时间的影响 合金元素和杂质元素的影响 热处理的影响 应力的影响,高温氢腐蚀 (HAHydoqgen Attack),(3) 抗高温氢腐蚀的材料选用及注意要点 多少年来都是按照原称为“纳尔逊(Nelson)曲线来选择抗氢材料。现为API RP(推荐准则)941(第5版)“炼油厂和石油化工厂用高温高压临氢作业用钢”标准上的一个图线。,高温氢腐蚀 (HAHydoqgen Attack),在应用这个图线进行选材时，还应该注意以下几点： 本图线只涉及到材料抗高温氢腐蚀的性能，它并不考虑在高温时其它重要因素引起的损伤。 由于纳尔逊曲线已经过
13、多次修订，使用时务必按照最新版的曲线选用，才能保证使用的可靠性。 在实际应用中，焊缝部位的氢腐蚀更是不可忽视的。 在依据此图线进行选材时，应尽量减少不利影响的杂质元素含量，注意控制非金属夹杂物的含量和作用应力水平以及进行充分的回火和焊后热处理等对提高钢材抗高温氢腐蚀都是有好处的。,高温氢腐蚀 (HAHydoqgen Attack),氢脆 (HEHydrogen mbrittlement),(1) 氢脆现象的特征 所谓氢脆，是由于氢残留在钢中所引起的脆化现象。产生了氢脆的钢材，其延伸率和断面收缩率显著下降。氢脆是可逆的，也称作一次脆化现象。氢脆发生的温度一般在150以下。所以，实际装置中氢脆损伤
14、往往都是发生在装置停工过程的低温阶段。,氢脆 (HEHydrogen mbrittlement),(2) 防止产生氢脆的有关要点 氢脆的敏感性一般是随钢材强度的提高而增加 钢的显微组织对氢脆也有影响 钢材的氢脆化程度与钢中的氢含量密切相关(可以认为，在可能发生氢脆的温度下，会存在着不引起亚临界裂纹扩展的氢浓度，称之为安全氢浓度。它与钢材的强度水平、裂纹尖端的拉应力大小以及裂纹的几何尺寸有关),氢脆 (HEHydrogen mbrittlement),对于操作在高温高压氢环境下的反应器，在操作状态下，器壁中会吸收一定量的氢。在停工的过程中，若冷却速度太快，使吸藏的氢来不及扩散出来，造成过饱和氢残
15、留在器壁内，就有可能引起亚临界裂纹扩展，对设备的安全使用带来威胁。 为避免氢脆发生，可注意以下要点： 钢材强度不要超过设计规定值。且要注意降低焊接热影响区的硬度(2Cr-1Mo钢应控制220HB) 通过无损检测消除宏观缺陷 消除残余应力使负荷应力降低,氢脆 (HEHydrogen mbrittlement),在加氢反应器等临氢设备中还存在不锈钢氢脆损伤的现象(有的还兼有相脆化)，其部位多发生在反应器催化剂支持圈的角焊缝上以及法兰梯型槽密封面的槽底拐角处。防止此类损伤的发生，主要应从结构设计上、制造过程中和生产操作方面采取如下措施： 尽量减少应变幅度，降低热应力和避免应力集中； 尽量保持Tp.347堆焊金属或焊接金属有较高的延性。 装置停工时尽量使钢中吸藏的氢释放出去。 尽量避免非计划的紧急停工。,高温硫化氢腐蚀 (H2+ H2S腐蚀),加氢装置中的高温硫化氢腐蚀是指H2S在氢气流中对设备和管道的腐蚀。硫化氢和氢共存条件下，比硫化氢单独存在时对钢材产生的腐蚀还要更为剧烈和严重
