含堆焊层临氢设备HTHA敏感性评价修正方法

李鹏飞　赵建平

(南京工业大学机械与动力工程学院　南京 211816)



含堆焊层临氢设备HTHA敏感性评价修正方法

李鹏飞赵建平

(南京工业大学机械与动力工程学院南京 211816)

加氢反应器等高温临氢设备由于长期在高温高压含氢或氢与硫化氢环境下服役，可能会出现高温氢腐蚀(HTHA)、氢脆等损伤现象，直接关系到装置的长期稳定可靠运行。为了防止出现氢损伤现象，多采用奥氏体不锈钢单层或多层堆焊技术。针对RBI技术中HTHA模块对于含堆焊层结构的临氢设备在评估时并未考虑堆焊层的影响，从氢扩散理论出发，考虑堆焊层的影响，提出采用有效氢分压的方法开展HTHA敏感性Pv因子的计算，并改进了E347+E309L双层堆焊层结构的临界Pv修正因子。

堆焊层风险评估临氢设备RBI技术

0　引言

由于长期在高温高压、含氢或氢与硫化氢环境下服役，加氢反应器等高温临氢设备可能会出现高温氢腐蚀、氢脆、硫化物的应力腐蚀开裂等损伤现象[1]，高温氢损伤一直以来都是人们关注的重点。

加氢设备在高温环境中渗氢后，发生氢损伤和滞后断裂的事故在国内外有较多的报道，可是没有一种方法能够预示或监测氢蚀的程度[2]。避免氢蚀的唯一常规做法，是根据众多经验数据所组成的NELSON曲线[3]选择在高温高压条件下使用的材料，并在内部堆焊单层或多层奥氏体不锈钢。

为了兼顾生产安全与经济利润，基于风险的检验(Risk based Inspection, RBI)技术应运而生。国外多年的实践表明，RBI技术是一种高效、可行的检验方法，并在各行各业均取得了良好的效果[4-5]，但在国内应用时发现了许多问题[6-8]。针对RBI技术中HTHA模块对于含堆焊层结构的临氢设备在评估时并未考虑堆焊层的影响，本文从氢扩散理论出发，考虑堆焊层的影响，提出采用有效氢分压的方法开展HTHA敏感性因子的计算，并改进了E347+E309L双层堆焊层结构的临界修正因子。

1　API 581中HTHA技术模块的局限性

目前，高温氢腐蚀模块在进行敏感性分析时，是基于部件暴露于高温高压下的时间来确定的，并因此提出了一个因子[9]：

(log[t]+14)

式中，PH2为操作工况下氢分压，MPa；T为温度，℃；t为服役时间，h。

Pv因子的提出，很好地解决了敏感性的定量分析问题，根据图1的流程可以确定HTHA损伤因子。在评估某内壁具有堆焊层的加氢反应器过程中，其风险评估等级较高。因此，对于带堆焊层或复层的结构，按API 581的过程计算并不合理，因为堆焊层对氢分压存在一定的降低作用，并会对Pv因子的计算结果有一定影响，例如当氢分压降低10%时，Pv值将降低约0.05，对敏感性等级的判断有一定影响。

图1　HTHA损伤因子的确定

2　基于堆焊层的氢扩散

氢在堆焊层中的扩散如图2所示。

图2　氢在堆焊层中的扩散示意

图2中，C1，C2，B表示堆焊层1、堆焊层2及基层；XC1，XC2，XB分别表示堆焊层1、堆焊层2及基层的厚度；P0为操作工况下氢分压；PC1，PC2，PB为作用于堆焊层1、堆焊层2及基层的实际氢分压；JC1，JC2，JC3为通过堆焊层1、堆焊层2及基层的氢通量；DC1，DC2，DB为通过堆焊层1、堆焊层2及基层的扩散系数。

2.1基于氢扩散理论的有效氢分压

氢扩散主要是基于Fick第一定律和Fick第二定律，第一定律说明了流量与浓度梯度成正比的关系，第二定律则是在第一定律的基础上进行推导，得出浓度随时间变化的关系，其表达式分别为

对于带双层堆焊结构则有

其中，SC1，SC2，SB分别表示氢在堆焊层及基材中的溶解度；PC1为作用于第1层堆焊层表面的有效氢分压，且PC1=P0；PC2为作用于第2层堆焊层表面的有效氢分压；PB为作用于基材表面的有效氢分压。

通过计算可得出：

令

则

2.2针对堆焊层的修正方法

由于堆焊层的影响，作用于母材的实际氢分压为PH2eff，PH2eff=PB，且可用来定义各层堆焊层的影响。

(log[t]+14)

=Pv-2log(1+Z1+Z2)

式中，P0为操作工况下氢分压，MPa；T为温度，℃；t为服役时间，h。

由此可以发现，经过修正后的Pveff因子，是在原有Pv因子的基础上减去一个系数得出的，而该系数的值取决于堆焊层的材料、厚度及温度。不同的堆焊层材料、厚度以及操作温度，都会对因子的修正产生影响。

3　基于堆焊层的修正因子案例分析

某装置加氢反应器，氢分压为18.5 MPa，操作温度为450 ℃，基层为310 mm厚的2.25Cr-1Mo钢，反应器内为E347+E309L的双层堆焊，堆焊层厚度为(3.2+4.3) mm。在不考虑堆焊层的情况下，Pv=6.485，根据HTHA中2.25Cr-1Mo的临界Pv因子判定其敏感性等级应为中敏感性。

在考虑堆焊层的情况下，采用Fujii，余刚等人提出的氢扩散系数及溶解度公式[2，10]，TP347堆焊层中的氢扩散系数及氢溶解度为

D=2.586e-6 767/T，S=1.288e-1 078/T

TP309L堆焊层中的氢扩散系数及氢溶解度为

D=4.7e-6 442/T，S=1.327e-1 861/T

2.25Cr-1Mo钢中的氢扩散系数及溶解度为

式中，D为氢在钢中扩散系数，mm2/s ；S为氢在钢中溶解度，10-6Pa-1/2；T为热力学温度，K。

为了便于计算，在此作一些假设：氢只以原子形式在堆焊层及基材内扩散，且在扩散过程中不会形成氢分子；氢在逸出金属表面时不会受到表面效应的影响；在氢扩散计算过程中忽略气孔、夹杂等宏观缺陷的影响；氢在不均匀介质的边界处其化学势是连续变化的；氢在同种介质中各位置的扩散系数均是各向同性的[11]。

经过计算可得：Z347=0.101 2，Z309=0.136 7，所以

Pveff=Pv-2·log(1+Z347+Z309)=Pv-0.18

通过计算发现，由于堆焊层的存在，实际有效的Pveff因子要比API 581中提出的值约低0.18，其敏感性等级可以判定为无敏感性。由此可见，堆焊层的存在对HTHA模块的定量风险分析有一定影响，并可能影响最后结果的准确性。因此，在实际评估过程中可以在原来基础上适当提高评级标准。

另外，当不考虑氢在材料中的扩散系数与溶解度变化时，堆焊层厚度会直接影响Pv因子的修正值。表1是计算得到的不同厚度时Pv因子的修正表。

表1　带堆焊层2.25Cr-1Mo钢临界Pv因子修正

4　结论

(1)目前API 581中HTHA模块对于含堆焊层结构的加氢反应器在进行敏感性分析时存在不足，未将堆焊层的作用考虑在内。

(2)针对某装置的加氢反应器，其在不考虑堆焊层情况下得出的敏感性等级和考虑堆焊层情况下得出的敏感性等级，分别为中敏感性和无敏感性，表明堆焊层的存在对HTHA敏感性有一定影响。

(3)针对E347+E309L的双层堆焊结构，对风险分析中提出的临界系数进行了适当修正，修正结果表明,当不考虑氢在材料中的扩散系数与溶解度变化时，堆焊层每提高1 mm，有效因子将降低约0.02。

[1]陈晓玲,李多民,段滋华.加氢反应器的发展现状[J].化工装备技术,2009,30(1):28-31.

[2]余刚,张学元,杜元龙.三层结构加氢反应器器壁中氢扩散的数学模型[J].航空材料学报,1999,19(2):1-7.

[3]American Petroleum Institute, The Technical Basis Document for API RP 941[S]. September 2008.

[4]Jovanovic A. Risk based inspection and maintenance in power and process plants in Europe[J].Nuclear Engineering and Design, 2003(266):165-182.

[5]Chien C H, Chen C H, Chao Y J. A strategy for the risk-based inspection of pressure safety valves[J]. Reliability Engineering and System Safety, 2009,94(4):810-818.

[6]陈学东,艾志斌,李景辰,等.压力容器风险评估技术在国家安全技术规范中的采用[J].压力容器,2008,25(12):1-4.[7]陈学东,王冰,杨铁成,等.基于风险的检测(RBI)在中国石化企业的实践及若干问题讨论[J].压力容器,2004,21(8):39-45.[8]杨阳,赵建平.介质浓度波动对承压设备动态风险评估影响研究[J].工业安全与环保,2014,40(5):33-36.

[9]American Petroleum Institute, Risk-Based Inspection Technology[S]. API 581, September 2008.

[10]Fujii, T T Nazama, H Makajima, et al. A safety analysis on overlay disbonding of pressure vessels for hydrogen Service[J].Journal of the American Society for Metals, 1982,68:361-368.

[11]张显辉,谭长瑛.焊接接头氢扩散数值模拟(Ⅰ)[J].焊接学报,2000,21(3): 51-54.

Correction of HTHA Sensitivity Assessment of Hydrogen-containing Equipment with Surfacing Layers

LI PengfeiZHAO Jianping

(CollegeofMechanicalandPowerEngineering,NanjingTechUniversityNanjing211816)

Due to the long-term contact with high temperature and high pressure with hydrogen or hydrogen and hydrogen sulfide of hydrogen-contacting equipment, such as hydrogenation reactors, high temperature hydrogen attack(HTHA) and hydrogen embrittlement will be caused, which is directly related to the long-term, stable and reliable running. To prevent the damage of hydrogen, the technology of single or multiple surfacing layers of austenitic stainless steel is used. But the effect of surfacing layers is not considered under HTHA module of RBI technology when assessing hydrogen-contacting equipment with surfacing layers, so in this paper, by the theory of hydrogen diffusion and considering the effect of surfacing layers, the method of effective hydrogen partial pressure is proposed to calculate the sensitivity factor of HTHA,Pv, in addition, the critical correction factor,Pv, of double surfacing layers structure of E347+E309L is improved.

surfacing layersrisk assessmenthydrogen-contacting equipmentRBI technology

李鹏飞，男,1990年生,硕士研究生,主要研究方向:过程装备可靠性与风险评价技术。

2015-08-14)