嘉峪關(guān)加氫反應(yīng)器是加氫裂化裝置的核心設(shè)備，它操作于高溫、高壓、臨氫(含H2S)環(huán)境下，且進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)的物料中往往含有硫和氮等雜質(zhì)。由于加氫反應(yīng)器使用條件苛刻，在反應(yīng)器的發(fā)展歷史上主要圍繞提高反應(yīng)器使用的安全性。所以無論是設(shè)計(jì)還是制造 ，除了需要強(qiáng)調(diào)使用性能外，還必須強(qiáng)調(diào)其安全性能。

影響加氫過程的因素

1.1氫氣分壓      

提高氫分壓有利于加氫過程反應(yīng)的進(jìn)行，加快反應(yīng)速度。在固定反應(yīng)溫度及其他條件下，壓力對轉(zhuǎn)化深度有正的影響。產(chǎn)品的質(zhì)量受氫分壓影響較大。

1.2 反應(yīng)溫度

影響反應(yīng)速率和產(chǎn)品的分布和質(zhì)量。

1.3 空速

空速影響反應(yīng)器的體積和催化劑用量，降低空速對于提高加氫過程反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率是有利的。

1.4 氫油比

氫油比對加氫過程的影響主要有三個方面：影響反應(yīng)的過程；影響催化劑使用壽命；過高的氫油比將增加裝置的操作費(fèi)用及設(shè)備投資。

2.加氫反應(yīng)器可能發(fā)生的主要損傷型式有哪些呢？

2.1 高溫氫腐蝕

在高溫高壓操作狀態(tài)下，侵入并擴(kuò)散在鋼中的氫與固溶碳或不穩(wěn)定的碳化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成甲烷；即 Fe3C+4[H]→CH4+3Fe。

影響高溫氫腐蝕的主要因素溫度、壓力和暴露時(shí)間的影響、合金元素和雜質(zhì)元素的影響、熱處理的影響、應(yīng)力的影響。

2.2 氫脆

氫脆是由于氫殘留在鋼中所引起的脆化現(xiàn)象。產(chǎn)生了氫脆的鋼材，其延伸率和斷面收縮率顯著下降。

2.3 高溫H2S腐蝕

硫化氫和氫氣共存條件下，比硫化氫單獨(dú)存在時(shí)對鋼材產(chǎn)生的腐蝕還要更為劇烈和嚴(yán)重。其腐蝕速度一般隨著溫度的升高而增加。

2.4 連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂

連多硫酸(H2SXO6，x＝3-6)與作用對象中存在的拉應(yīng)力共同作用發(fā)生的開裂現(xiàn)象。

2.5 鉻鉬(Cr-Mo)鋼的回火脆性

鉻鉬鋼在325~575℃溫度范圍內(nèi)長時(shí)間保持或從此溫度范圍緩慢地冷卻時(shí)，其材料的破壞韌性就引起劣化的現(xiàn)象，這是由于鋼中的微量雜質(zhì)元素和合金元素向原奧氏體晶界偏析，使晶界凝集力下降所至。

2.6 奧氏體不銹鋼堆焊層的剝離

反應(yīng)器本體材料的Cr-Mo鋼和堆焊層用的奧氏體不銹鋼具有不同的氫溶解度和擴(kuò)散速度，使堆焊層過渡區(qū)的堆焊層側(cè)出現(xiàn)了很高的氫濃度；在高溫高壓操作狀態(tài)下氫向反應(yīng)器器壁侵入，在停工時(shí)氫會從器壁中逸出。從而導(dǎo)致奧氏體不銹鋼堆焊層的剝離。

2.加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)方法主要有常規(guī)設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)兩種計(jì)算方法。

2.1 常規(guī)設(shè)計(jì)法

常規(guī)設(shè)計(jì)基于彈性失效準(zhǔn)則，可供使用的規(guī)范有美國ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》第Ⅷ卷冊以及我國GB150－2011《壓力容器》等。常規(guī)設(shè)計(jì)主要計(jì)算機(jī)輔助軟件有:針對ASME規(guī)范的PVElite-2017，針對GB150的SW6-2011

2.2 分析設(shè)計(jì)法

分析設(shè)計(jì)基于塑性失效準(zhǔn)則，可供使用的規(guī)范有美國ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范》第Ⅷ卷第二冊以及我國JB4732《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等。

“分析設(shè)計(jì)”要求對反應(yīng)器的有關(guān)部位的應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算及按應(yīng)力的性質(zhì)進(jìn)行分類，并對各類應(yīng)力及其組合進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)對材料、制造、檢驗(yàn)提出了比“常規(guī)設(shè)計(jì)”更高的要求，從而提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與使用可靠性，但相對設(shè)計(jì)費(fèi)用大大增加。

分析設(shè)計(jì)主要計(jì)算機(jī)輔助軟件有: ANSYS經(jīng)典版和workbench有限元應(yīng)力分析軟件3.加氫反應(yīng)器在設(shè)計(jì)上需要注意什么呢？

3.1高溫氫腐蝕

①在選材上。

a）正確選擇能抵抗氫腐蝕的材料，嚴(yán)格以最新版的納爾遜曲線為依據(jù)；

b）盡量減少鋼材中對氫腐蝕不利影響的雜質(zhì)元素(如Sn、Sb)；

c）主材應(yīng)采用正火（允許加速冷卻）+回火的處理制度，不允許淬火。

②在熱處理上。設(shè)備必須進(jìn)行焊后熱處理。

③在操作指導(dǎo)上。

a）嚴(yán)格禁止設(shè)備超溫；

b）控制外加應(yīng)力水平（不要急劇升溫或者降溫，升壓或者降壓）。

3.2氫脆

①氫脆的敏感性一般是隨鋼材強(qiáng)度的提高而增加；鋼材強(qiáng)度不要超過設(shè)計(jì)規(guī)定值。且要注意降低焊接熱影響區(qū)的硬度，所以設(shè)計(jì)文件應(yīng)該規(guī)定焊縫及其熱影響區(qū)的硬度。

②鋼的顯微組織對氫脆有影響，通過無損檢測消除宏觀缺陷。

③殘余應(yīng)力對氫脆有影響，通過熱處理消除殘余應(yīng)力。

3.3 高溫H2S腐蝕

內(nèi)壁堆焊TP309L+TP347奧氏體不銹鋼（奧氏體不銹鋼抵抗高溫H2S腐蝕能力很強(qiáng)）。

3.4  連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂

①選用超低碳或穩(wěn)定型的不銹鋼，如Tp321、Tp347。

②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量避免有應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)。

3.5 鉻鉬(Cr-Mo)鋼的回火脆性

設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格控制材料化學(xué)成分中的雜質(zhì)元素(如P、Sn、As、Sb)和某些合金元素(如Si、Mn等)

3.6 奧氏體不銹鋼堆焊層的剝離

①在選材上。從材質(zhì)上加以改進(jìn)，例如降低Cr-Mo鋼母材中的C含量，而通過添加V等能彌補(bǔ)由于C量的降低可能影響強(qiáng)度下降的元素，控制Tp.347堆焊金屬中的Nb的適當(dāng)含量等等；

4.加氫反應(yīng)器在制造上需要注意什么呢？

4.1高溫氫腐蝕

在制造上，應(yīng)采用堿性焊條，控制焊條的含水量，焊接材料需作熔敷金屬擴(kuò)散氫試驗(yàn)。焊接時(shí)應(yīng)焊前預(yù)熱，控制層間溫度，焊后消氫。設(shè)備必須進(jìn)行焊后熱處理。 

4.2氫脆

在制造上，

a）盡量減少應(yīng)變幅度，降低熱應(yīng)力和避免應(yīng)力集中。如加大倒角，采用圓滑過渡的結(jié)構(gòu)，控制焊縫余高。

b)盡量保持Tp.347堆焊金屬或焊接金屬有較高的延性。控制Tp.347不銹鋼堆焊金屬中的δ鐵素體含量小于10%(下限應(yīng)大于3％)；對于容易發(fā)生氫脆的部位TP.347要在PWHT后進(jìn)行。規(guī)定適宜的焊后熱處理規(guī)范，盡量減少δ鐵素體轉(zhuǎn)變成σ相的量。

4.3高溫H2S腐蝕

在制造上，制造廠應(yīng)復(fù)驗(yàn)材料的硫、磷含量，嚴(yán)格控制焊縫和母材熱影響區(qū)的硬度，熱處理前后及時(shí)測量其硬度值。設(shè)備焊接完畢后，焊接接頭除了要做RT檢測，還應(yīng)增加UT檢測，確保焊縫無缺陷。

4.4連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂

制造上要盡量消除或減輕由于冷加工和焊接引起的殘余應(yīng)力，并注意加工成不形成應(yīng)力集中或應(yīng)力集中盡可能小的結(jié)構(gòu)。不允許打焊縫鋼印，嚴(yán)禁強(qiáng)力組裝，采用合適的熱處理工藝，消除焊接應(yīng)力和冷加工應(yīng)力。

4.5鉻鉬(Cr-Mo)鋼的回火脆性

制造上盡量減少熱加工的次數(shù)，減少制造過程對鉻鉬(Cr-Mo)鋼回火脆性的影響，同時(shí)做模擬整個熱加工過程的模擬熱處理試板，檢驗(yàn)材料的各項(xiàng)力學(xué)性能，模擬整個熱加工過程對材料的損傷。

4.6奧氏體不銹鋼堆焊層的剝離

制造上做堆焊工藝評定，選擇合適的堆焊方法，采用大電流、高焊速的堆焊方法。(如有研究結(jié)果表明，采用大于20Cm／min的高焊速、大約25%的適當(dāng)稀釋串進(jìn)行堆焊的堆焊層具有較好的抗剝離能力。總之堆焊時(shí)要設(shè)法避免生成粗晶)。選取合適的焊后熱處理?xiàng)l件(焊后熱處理溫度、保持時(shí)間對于抗剝離性能有很大影響)(恒溫解氫)。