加氢反应器RBI 检验及缺陷分析处理

2021-09-11吴远建李修能赵文静张春义

化工机械 2021年4期

吴远建李修能赵文静张春义

（中国特种设备检测研究院）

加氢裂化是原料油在高温、高压和催化剂共同作用下进行的加氢、脱硫、脱氮、分子骨架结构重排及裂解等反应的一种催化转化过程。尽管加氢裂化有很多种工艺过程，但其中反应可概括为两类——加氢精制反应和加氢裂化反应。加氢精制反应一般指原料油的净化，即杂原子烃中杂原子的脱除反应，如加氢脱硫、加氢脱氮及加氢脱金属等；加氢裂化反应主要是烃类的加氢异构化和裂化反应。完成这两类反应的加氢裂化装置的核心设备是加氢反应器。其中，加氢精制反应器完成原料油的净化以满足加氢裂化进料的要求；加氢裂化反应器完成原料油的裂化反应，将重质油转化为轻质油，为后续工艺分割不同的产品提供原料［1］。

精制反应器一般操作压力4～14MPa，操作温度371～454℃；裂化反应器操作压力10～21MPa，操作温度343～454℃。两种反应器处于高温、高压且临氢的工况下，物料含有硫、氮等杂质，与氢反应生成具有腐蚀性的硫化氢和氨，该反应是放热反应，难免出现局部超温损伤反应器，再加上许多设备超期服役产生各种缺陷，RBI 检验能有针对性地发现存在的安全隐患，是保障此类设备安全运行的重要手段。

1 加氢反应器主要损伤机理

加氢反应器本体采用低合金钢制造，以防高温氢腐蚀，一般选用2.25Cr-1Mo 钢为基底、奥氏体不锈钢（321、347 等不锈钢）做内构件，并用奥氏体不锈钢堆焊防止氢气、硫化氢腐蚀。损伤机理有高温硫化氢/氢气腐蚀、高温氢腐蚀、再热裂纹、回火脆化、连多硫酸应力腐蚀开裂、堆焊层氢致裂纹、堆焊层剥离、保温层下腐蚀和开裂、承压螺栓裂纹和不锈钢表面氯离子应力腐蚀裂纹［1］。

1.1 高温硫化氢/氢气腐蚀

在催化剂的作用下，原料油中的硫在临氢环境下生成硫化氢，高温（温度超过204℃）时H2S与H2介质同时作用时腐蚀会加剧，腐蚀形态为均匀腐蚀。失效部位多在衬里和基材，特别是入口弯管、内构件等流速较高、气液两相共存的部位易发生腐蚀和冲蚀。

1.2 高温氢腐蚀

反应器母材在高温、高压且临氢工况下长期运行，钢中的碳与氢反应生成甲烷气体，导致表面脱碳或内部脱碳形成鼓泡或裂纹。

1.3 再热裂纹

金属在焊后热处理或高温服役期间，高应力区发生应力消除或应力松弛，粗晶区应力集中区域的晶界滑动量超过该部位塑性变形能力而发生开裂。长期运行后，反应器外表面可能产生裂纹，特别是在结构不连续、焊接接头、高残余应力区、高应力集中区、补焊处以及割除制造中临时附件处等部位。

1.4 回火脆化

回火脆化为低合金钢长期暴露在343～593℃范围内，在此操作温度下材料韧性没有明显降低，但材料组织微观结构有所变化，降低温度后会发生脆性开裂。回火脆化主要发生在开/停车阶段，开车时先升温再升压，停车时先降压再降温可有效防止回火脆化。

1.5 连多硫酸应力腐蚀开裂

奥氏体不锈钢经历大于425℃的高温阶段时，过饱和的碳向奥氏体晶粒边界扩散，并与铬元素化合形成碳化铬，使得晶界附近贫铬。碳化物在晶界沉淀称之为敏化。在停工期间，设备内壁的硫化物腐蚀产物，与空气和水反应生成连多硫酸，对敏化后的奥氏体不锈钢（如焊接接头热影响区）易引起连多硫酸应力腐蚀开裂，一般为沿晶开裂，能在短短几分钟或几小时内迅速扩展穿透，大多发生在反应器内壁复合层、堆焊层、奥氏体不锈钢接管法兰和内构件处。氮气保护或者保持温度在露点以上是防止停工过程中连多硫酸应力腐蚀开裂的有效方法。

1.6 堆焊层氢致裂纹

在高温、高压且临氢环境中，氢气会扩散侵入钢材中。在反应器停工冷却时，若温度较快降至150℃以下，氢气来不及向外释放，钢中会保留一定量的氢，在某些情况下可能导致开裂，裂纹从表面产生并向母材方向扩展。

堆焊层的表面裂纹一般出现在可能存在三向应力的内件支撑表面，通常有以下特征：

a. 裂纹一般出现在热壁反应器内支撑凸台的部位；

b. 裂纹以环向裂纹和龟裂为主；

c. 铁素体含量偏高或偏低的部位容易出现裂纹；

d. 裂纹从堆焊层表面向内部扩散，严重时会穿透347 堆焊层，大部分终止在347 与309 堆焊层的界面上，极少数裂纹会穿透309 过渡层。

反应器上最易发生氢致裂纹的部位是主法兰梯形密封槽底部拐角处和内部支撑圈的角焊缝部位。裂纹的产生与不锈钢中氢含量的多少有很大关系。如果堆焊层中有σ 相，σ 相脆化与氢脆作用叠加，会使堆焊层金属的延伸性遭到进一步损伤，更易引发裂纹。

在设备停车时，放慢冷却速度，较高温度阶段多停留一段时间，以利氢释放；设置脱氢工艺；应避免异常升温和紧急停车；避免水压实验；升压时采取措施将设备壁温升至20℃以上可有效防止此类缺陷产生。

1.7 堆焊层剥离

堆焊层与母材的界面在正常操作环境中积累了很多氢，停车冷却时来不及逸出被滞留在界面上。冷却时，反应器内壁比外壁降温快，加上堆焊层与母材的热膨胀系数有差别，会产生较大的切向应力，再加上材料氢脆等因素的叠加，导致比较薄弱的部位产生剥离。停车时，应缓慢降温使晶界间吸收的氢充分释放。

1.8 保温层下腐蚀和开裂

由于保温材料受潮或受到污染，可能导致反应器外表面锈蚀甚至开裂，应定期进行保温层的完好检查和保温层材料的质量检查。

1.9 承压螺栓裂纹

长期使用后高强螺栓可能产生裂纹，特别是螺纹根部。

1.10 不锈钢表面氯离子应力腐蚀裂纹

反应器内壁复合层、堆焊层及法兰等奥氏体不锈钢对氯离子应力腐蚀很敏感，应加强对停工期间所用水的氯离子的控制［2］。

2 加氢反应器RBI 策略

以某炼化企业一台加氢精制反应器R1101为例，通过RBI 分析软件得出风险矩阵如图1 所示，风险评估结果见表1。

表1 反应器风险评估结果

图1 反应器风险评估矩阵

根据反应器R1101 的风险评估结果，初步制定的检验策略如下：

a. 检验类型。停车内外部检验、宏观检验和壁厚测定。

b. MT 检测。外表面对接焊缝及其附近母材不低于20%检测；接管抽查。

c. PT 检测。内表面手工堆焊部位PT 抽查。

d. UT 检测。对接焊缝及其附近母材不低于20%检测。

e. TOFD 检测。对接焊缝不低于10%检测；硬度抽查；内表面铁素体抽查；金相抽查（硬度异常时进行）。

3 检验方法及缺陷处理

3.1 资料审查

根据损伤机理可以看出，很多损伤发生在设备开/停车过程中，资料审查时应重点抽查企业年度检查报告、运行记录、开/停车记录、运行条件变化情况和运行中出现异常情况的记录，并针对异常情况选择有效方法进行检验检测。

3.2 宏观检测

针对加氢反应器这类压力容器，应对其内/外部进行整体宏观检测。内部，重点检查是否有堆焊层开裂、鼓包、气孔及腐蚀冲蚀等缺陷；外部，检查保温层情况和拆除保温层检查反应器外表面是否有锈蚀、裂纹等缺陷。宏观检测的重点部位为主焊缝、接管焊缝、凸台及其他应力集中部位，以及人孔、接管密封面及螺栓等部位。螺柱应逐个清洗后再检验其损伤和裂纹情况，重点检验螺纹及其过渡部位有无环向裂纹，必要时进行无损检测。

3.3 测厚

采用超声测厚法对反应器筒体、封头和堆焊层厚度分别进行测量。接管测量时，如发现存在分层情况，应增加测点或采用超声检测，查明分层分布情况和母材表面倾斜度。堆焊层测厚时，应采用与本体相当的试块进行校准后再用超声波仪器测量。

3.4 硬度

由检验人员选择有代表性部位进行硬度测量，其中母材、焊缝和热影响区的硬度应分别测量。硬度测量时，应在同一位置测量3 次，当3 次测量值中的某一值与另两个值相比存在较大偏差时，应在该位置附近再次测量进行确认，以判断是测量误差还是材料本身问题。应注意：硬度测量时不要在同一点上反复测量；加氢反应器的硬度应控制在225HB 以下。

3.5 UT 和TOFD 检测

加氢反应器埋藏缺陷检测，优先选择UT 和TOFD 检测，必要时可以用NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》中的声发射检测方法判断缺陷的活动性。主要抽查部位包括封头环焊缝、筒节环焊缝和制造过程中焊缝曾经过返修的部位。同时，应对封头与筒体相连焊缝、筒体焊缝需抽查的环焊缝、筒体催化剂凸台、冷氢盘凸台对应的外部上/下各300mm 范围内堆焊层进行堆焊层剥离、堆焊层内部缺陷和层下裂纹的抽查检测。

以壁厚138mm+6.5mm 的反应器为例，UT 检测按照NB/T 47013—2015 《承压设备无损检测》中的技术等级C 级检测，推荐方法如下：

a. 对所检测焊缝斜探头扫查声束通过的母材区域，采用直探头检测是否有影响斜探头检测结果的分层或其他缺陷；

b. 因结构限制只能进行单面双侧检测，需使用浅盲区斜探头对近表面缺陷进行检测（推荐使用双K 值检测）；

c. 推荐采用双K 值斜探头检测焊缝缺陷；

d. 使用直探头检测焊缝缺陷；

e. 对于堆焊层内缺陷、堆焊层与基材未结合缺陷和堆焊层层下缺陷，一般应在堆焊层侧使用双晶直探头和纵波双晶斜探头进行检测，如条件所限可在基材侧使用单间直探头和纵波斜探头进行检测。

同时，可抽取一定比例的UT 检测部位（尤其是UT 检测出缺陷的区域）进行TOFD 检测。因反应器内壁有堆焊层、厚度较厚等原因，TOFD 检测应使用对比试块调节检测灵敏度。制定检测工艺时，应充分考虑检测盲区、探头频率、楔块角度和晶片尺寸的大小。

检测中发现埋藏缺陷应首先按照TSG 21—2016 《固定式压力容器安全技术监察规程》8.5.10 部分进行评定，如超过规范要求（因反应器返修过程中的热处理、焊接等过程都会对反应器性能产生不利因素，影响设备的运行安全，进而报废则会造成巨大的经济损失），可依据GB/T 19624—2019《在用含缺陷压力容器安全评定》中合于使用原则，对在用含缺陷压力容器进行安全评定。

3.6 MT 检测

应对超声检测斜探头扫查区域母材及其焊缝部位进行MT 检测，为保证检测重叠率，推荐在检测面施画100mm×100mm 左右大小的网格，随网格依次进行检测。主要抽查部位为：

a. 反应器本体外部保温拆除处环焊缝检测，主要包括上/下封头的环焊缝、中部筒节抽查环焊缝、催化剂及冷氢盘凸台对应的外部母材部位等；

b. 反应器拆除保温层处的各类接管，包括进料、出料管和仪表接管的全焊透焊缝；

c. 制造过程焊缝返修部位；

d. 裙座焊缝和主螺栓也应进行抽查检测。

检测过程中，针对封头与筒体焊缝附近的外表面不连续裂纹，主要处理方式为对缺陷部位进行打磨消除并圆滑过渡，按照TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中8.5.4 进行凹坑评定，如不符合要求则进行返修补焊或通过GB/T 19624—2019 《在用含缺陷压力容器安全评定》中凹坑缺陷安全评定方法和有限元计算方法对该凹坑进行安全评价［3，4］。

超声检测中经常会发现堆焊层剥离缺陷的存在，此时应详细记录所使用的仪器探头、缺陷波形及缺陷面积等信息，可按TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中8.5.11分层缺陷处理，随后的每次定期检验时应监控是否有扩展情况发生。

3.7 PT 检测

对反应器内/外表面进行渗透检测，检测的具体部位是：

a. 外部可抽查部位，因为结构原因或者需要配合磁粉检测对不确定的缺陷复查时，进行渗透检测；

b. 上/下封头环焊缝、筒体环焊缝、内部催化剂凸台、冷氢盘凸台和内部对应堆焊层的上/下500mm 区域；

c. 对接管密封槽、密封垫和接管的堆焊层也应进行检测。

现场检测中，PT 检测发现某台加氢反应器凸台堆焊部位下表面开裂，通过对该缺陷附近堆焊层进行硬度、铁素体和金相检查，未发现异常。此种情况可对渗透缺陷部位进行打磨消除，通过安全评定确定剩余厚度是否可以继续使用。另一次检验检测中，发现法兰密封槽内出现环状裂纹，经应力分析计算是因螺栓预紧力偏大引起的开裂，此种情况应进行法兰更换处理。

3.8 铁素体检测

铁素体检测应重点测定凸台拐角堆焊部位和手工补焊部位。堆焊层中适量铁素体的存在，使之能在临氢环境中具有较高的抗裂纹生长能力，但铁素体含量过高则会造成堆焊层材料脆化、降低材料的韧性及易产生裂纹等弊端，导致脆性破坏。堆焊层铁素体含量应严格控制在3%～10%之间，若发现局部堆焊层铁素体超标，应对超标区域内表面进行渗透检测、外表面进行超声检测确认。若有微裂纹存在，应分析原因并进行修复；若无微裂纹存在，应制定合理措施以监控使用。

3.9 挂片检验检测

反应器长期服役后，容器内壁易产生回火脆化现象，进行各项测试需要在反应器本体进行取样，因直接从反应器取样不合理，故反应器内部会放置一定数量且与反应器材料一致的挂片，在停工检修期间取出进行解剖和测试，掌握准确的测试数据是了解反应器运行状态的最佳依据。通常需对挂片进行：宏观检查，包括氢鼓泡、堆焊层剥离等；化学成分分析测试，铁素体测试、常规力学性能测试，金相组织检查，挂片夏比冲击试验，材料延性断裂韧度试验等。

中国特种设备检测研究院承担的某炼化加氢挂片存在氢鼓泡宏观缺陷、焊缝金属脆化系数高于母材等问题，此种情况应重点进行反应器内部本体宏观检查、焊缝UT 检测等。