洛陽院加氫反應器技術

加氫反應器技術黎國磊2009年2月一.加氫反應器概述*

加氫反應器是各種加氫工藝過程或加氫裝置的核心關鍵設備。其操作條件相當苛刻。技術難度大，制造技術要求高，造價昂貴。所以人們對它備無論在設計上還是使用上都給予極大的重視。反應器的設計和制造成功，在某種意義上說是體現(xiàn)一個國家總體技術水平的重要標志之一。一.加氫反應器概述（續(xù)）

*所謂加氫過程是催化加氫過程的總稱，其種類品牌繁多，API曾將其劃分為三大類：

·

加氫處理

·加氫精制

·加氫裂化

一.加氫反應器概述（續(xù)）

*加氫反應器的分類

·按工藝過程特點分類有：

°固定床反應器

°移動床反應器

°流化床反應器

·按反應器使用狀態(tài)分類有：

°冷壁結構反應器

°熱壁結構反應器加氫反應器的分類(續(xù))

·按反應器本體結構特征分類有：

°單層結構

–

鋼板卷焊結構

–

鍛焊結構

°多層結構，一般有：

–

繞帶式

–

熱套式等一.加氫反應器概述（續(xù)）

*對于這樣重要、使用條件又很苛刻的設備設計，應該至少要滿足以下幾點要求：

·滿足工藝過程各種運作方案的需要。

·使用可靠性高。

具體應體現(xiàn)在：

–滿足力學強度要求

–具有可靠的密封性能

–有較好的環(huán)境強度適應性

–便于維護和檢修，所需時間短。

–盡可能降低投資費用。二.反應器技術發(fā)展梗概

*隨著加氫工藝技術的廣泛應用，加氫工藝設備特別是加氫反應器技術相應得到很快的發(fā)展，并取得顯著的進步。主要表現(xiàn):(1)

加氫反應器使用安全性不斷提高:(2)

為了獲得較佳的經(jīng)濟效益，裝置日趨大型化，同時也帶來了反應設備的大型化。

具體表現(xiàn)如下：二.反應器技術發(fā)展梗概（續(xù)）

(一)加氫反應器使用安全性不斷提高*這是加氫反應器技術發(fā)展過程中始終圍繞的核心問題。使用安全性不斷提高的主要表現(xiàn)：

·設計方法的更新°由“常規(guī)設計”即“規(guī)則設計”→以“應力分析為基礎的設計”，即“分析設計”

·設計結構的改進°本體結構：單層→多層→更高級的單層°使用狀態(tài)：冷壁結構→熱壁結構°細部結構的改進（見后）

(一)加氫反應器使用安全性不斷提高（續(xù)）材料生產(chǎn)技術的發(fā)展，質(zhì)量明顯提高°體現(xiàn)在冶煉技術、鍛造技術、熱處理技術、分析技術等等方面。最終體現(xiàn)在材料的內(nèi)質(zhì)特性(純潔性、致密性、均質(zhì)性)非常優(yōu)越。制造技術與裝備水平的進步與提高°如制造技巧與經(jīng)驗以及包括焊接、堆焊、熱處理、無損檢測等領域的技術與裝備水平都有很大進步與提高。

例如：(一)加氫反應器使用安全性不斷提高（續(xù)）

–單層堆焊技術

–雙絲焊接技術

–多頭堆焊技術

–有堆焊層的反應器上下部90度彎管整體成形技術

–無損檢測上采用的“TOFD”（TimeofFlightDiffraction）技術——超聲波衍射時差法

–大型（如150、160MN）自由鍛造水壓機，可鍛造最大毛坯外徑達6500mm以上等等裝備的建成投用二.反應器技術發(fā)展梗概（續(xù)）(二)設備向大型化發(fā)展為了獲取較佳的經(jīng)濟效益，裝置日趨大型化,如：美國建造了325萬t/a加氫裂化裝置和

480t/a加氫脫硫裝置；我國建造了360t/a加氫裂化裝置和300t/a

加氫脫硫裝置。

設備的大型化帶來了反應設備的大型化。(二)設備向大型化發(fā)展（續(xù)）

*（國外大型化進展例）(二)設備向大型化發(fā)展（續(xù)）*

（國內(nèi)大型化進展例）(二)設備向大型化發(fā)展（續(xù)）*為適應設備大型化的需要，高壓加氫設備的現(xiàn)場組焊制造技術應運而生。

·國外：很早就開發(fā)了此項技術；

·國內(nèi)：從1996年開始實施。特別是2002

年在條件很艱苦的內(nèi)蒙古現(xiàn)場組焊制造了當今世界上最重的2100

噸反應器。積累了很寶貴的在現(xiàn)場組焊制造大型反應器的經(jīng)驗。(二)設備向大型化發(fā)展（續(xù)）二.反應器技術發(fā)展梗概（續(xù)）*熱壁加氫反應器技術的演變熱壁加氫反應器技術的演變可劃分為四個歷史時期。如：熱壁加氫反應器技術的進展歷程熱壁加氫反應器技術的進展歷程時期

技術特征

備注第一個歷史時期1972年以前

開發(fā)初期第二個歷史時期1973～1980

改進期第三個歷史時期1981～1987

成熟期第四個歷史時期1988～現(xiàn)在

更新期

以開發(fā)成功新Cr-Mo鋼為標志熱壁加氫反應器技術演變內(nèi)容概況階段起止時間技術特征技術進步內(nèi)涵與存在問題第一個歷史時期1972年以前開發(fā)初期設計：由常規(guī)設計→分析設計。

設計對材料只提出滿足力學性能及

抗氫腐蝕和硫化氫腐蝕的要求；材料：冶煉由平爐→電爐，開始材

料純凈度和均質(zhì)性較差；堆焊：采用SAW工藝(末期開發(fā)出淺熔深堆焊工藝）；使用中曾出現(xiàn)過Cr-Mo

鋼的回火脆化現(xiàn)象和不銹鋼的氫脆損傷問題。熱壁加氫反應器技術演變內(nèi)容概況（續(xù)）階段起止時間技術特征技術進步內(nèi)涵與存在問題第二個歷史時期1973~1980改進期設計：分析設計應用較普遍。設計對材料已提出控制回火脆化的要求(如控制J-系數(shù)和X系數(shù))。結構設計已有所改進，一是盡量減小應力集中，二是方便在役檢測；材料：冶煉由電爐(或

+保溫爐)→電爐+爐外精煉技術(如真空碳脫氧工藝及其它新的冶煉工藝的應用)可以冶煉出低Si或低S、P，甚至超低S、P且微量雜質(zhì)元素含量很低的鋼；熱壁加氫反應器技術演變內(nèi)容概況（續(xù)）階段起止時間技術特征技術進步內(nèi)涵與存在問題第二個歷史時期1973~1980改進期焊接：由常規(guī)的焊接→窄間隙焊接。堆焊：由較普遍采用的淺熔深堆焊→改進的單層或雙層(帶極)堆焊。而且在有關部位采取了PWHT后才堆焊

Tp.347的方法；制造：可制造出大型反應器用整體封頭，鍛造筒體的縮口技術開發(fā)。這一階段的反應器，回火脆化問題已基本得到解決。但在此階段末發(fā)現(xiàn)了堆焊層氫致剝離現(xiàn)象。熱壁加氫反應器技術演變內(nèi)容概況（續(xù)）階段起止時間技術特征技術進步內(nèi)涵與存在問題第三個歷史時期1981~1987成熟期綜合應用針對使用中出現(xiàn)的各種損傷所開展的預防對策的多項研究成果，包括在反應器的細部結構(如保溫結構)上又有進一步改進，材料的純凈度進一步提高，J-系數(shù)和X系數(shù)的控制不斷趨嚴；焊接方面，由于焊接設備、焊接材料和焊接結構的改進，焊縫質(zhì)量大有提高。堆焊技術由于采用了高焊速、大電流的堆焊工藝，提高了堆焊層金屬的韌性。其結果各種損傷發(fā)生極少。但由于有更加高溫高壓加氫新工藝的出現(xiàn)，現(xiàn)有反應器用材料又存在難以滿足要求的問題。

第三個歷史時期綜合應用改進的研究成果通過冶煉工藝的改進和管理，嚴格控制鋼中有害的雜質(zhì)元素和氣體含量，提高了鋼材的純凈度（如J-系數(shù)在100以下；有害氣體含量大為降低等）。改善和提高焊材的質(zhì)量和純凈度，使焊縫的性能與質(zhì)量較好。焊縫金屬的X系數(shù)一般都在11ppm以下。盡量省略堆焊層Tp.347的PWHT，以提高其韌性。堆焊工藝有了改進，堆焊層抗剝離性能有較大提高。第三個歷史時期綜合應用改進的研究成果（續(xù)）*反應器細部結構改進改進之一：

·支持圈結構的改進第三個歷史時期綜合應用改進的研究成果（續(xù)）*反應器細部結構改進之二：

·法蘭密封槽的改進

第三個歷史時期綜合應用改進的研究成果（續(xù)）*反應器細部結構改進之三：

·裙座結構

的改進第三個歷史時期綜合應用改進的研究成果（續(xù)）*反應器細部結構改進之三：

·裙座結構的改進（續(xù)）第三個歷史時期綜合應用改進的研究成果（續(xù)）*反應器細部結構改進之四：

·增設熱箱

第三個歷史時期綜合應用改進的研究成果（續(xù)）*反應器細部結構改進之五：

·保溫結構的改進熱壁加氫反應器技術演變內(nèi)容概況（續(xù)）階段起止時間技術特征技術進步內(nèi)涵與存在問題第四個歷史時期1988～現(xiàn)在更新期

以開發(fā)新的Cr-Mo鋼，并很快得到推廣應用，將加氫反應器技術推進到一個新的階段。三.反應器本體結構特征

*

根據(jù)不同年代的技術水平與需求，曾使用了不同形式的本體結構，如：

·單層結構

°鋼板卷焊結構

°鍛焊結構

·多層結構

°繞帶式

°熱套式等等

*

結構形式選取取決于設備操作條件與規(guī)格、制造廠加工裝備與能力、制造周期、經(jīng)濟合理性和用戶需要與經(jīng)驗等。三.反應器本體結構特征（續(xù)）*單層結構中的鋼板卷焊結構和鍛焊結構的選擇，主要取決于制造廠的加工能力、經(jīng)驗和條件以及經(jīng)濟上的合理性和用戶的需要。在選用鍛焊結構時，一般有如下優(yōu)點：·鍛件的內(nèi)質(zhì)特性(純凈性、致密性、均質(zhì)性)好；·焊縫少，特別是沒有縱焊縫，從而提高了反應器耐周向應力的可靠性；·制造裝配易保證；·可設計和制造成對于防止某些脆性損傷很有好處的結構；·使用過程中對焊縫檢查維護的工作量少，無損檢測容易?！ゅ懺旖Y構材料利用率低，當壁厚較薄時，其制造費用相對較高。一般，厚度大于～180mm或更大時采用較合適，厚度越厚，鍛造結構的經(jīng)濟性更顯優(yōu)越。三.反應器本體結構特征（續(xù)）鍛焊結構板焊結構多層結構適用范圍條件可用于高溫高壓場合，其最高使用溫度取決于所用材料的性能（如抗氫腐蝕性能等）。一般宜用于厚度大于~180mm的場合可用于高溫高壓場合，其最高使用溫度取決于所用材料的性能（如抗氫腐蝕性能等）可用于高壓，但溫度不宜太高。因為它存在結構上不連續(xù)性的缺點，會造成較大的熱應力和因缺口效應而使疲勞強度下降等。所以對于溫度大于350℃和溫度、壓力有急劇波動的場合，選用應謹慎最大厚度mm約500約300總厚約600。內(nèi)筒厚約20，層板厚4~8三.反應器本體結構特征（續(xù)）鍛焊結構板焊結構多層結構設計時的應力分析可采用有限元法等進行

可采用有限元法等進行

對層間和焊縫部位的應力狀況需要根據(jù)實驗來分析材料選用1.須選擇能滿足力學性能和抗環(huán)境脆裂（如氫腐蝕）性能的材料。2.為防止H2S腐蝕要在內(nèi)表面堆焊不銹鋼堆焊層。1.須選擇能滿足力學性能和抗環(huán)境脆裂(如氫腐蝕)

性能的材料。2.為防止H2S腐蝕要在內(nèi)表面堆焊不銹鋼堆焊層。1.內(nèi)筒選用能抗氫腐蝕和H2S腐蝕的材料(如不銹鋼)。2.層板可采用高強鋼，以利設備輕量化。三.反應器本體結構特征（續(xù)）鍛焊結構板焊結構多層結構材料內(nèi)質(zhì)特性（致密性、純凈性、均質(zhì)性）及材料利用率筒節(jié)鍛坯由于需經(jīng)墩粗、拔長、墩粗、沖孔的鍛造加工過程，可沖掉中心部位的偏析與夾雜，使筒節(jié)材料的內(nèi)質(zhì)特性得到改善，從而提高反應器的抗氫損傷能力。材料利用率相對較低。在合適厚度范圍內(nèi)，采用合適的冶煉工藝方法鋼板也能獲得與鍛件相近的特性。材料利用率相對較高。由于鋼板較薄，其內(nèi)在質(zhì)量較容易保證。材料利用率相對較高。焊縫僅有環(huán)焊縫，對提高反應器耐周向應力的可靠性有利。而且焊縫少。有縱,環(huán)焊縫,焊縫多焊接工作量大。有縱、環(huán)焊縫，焊縫多。但焊縫系薄(或較薄)板焊接，其質(zhì)量易保證。三.反應器本體結構特征（續(xù)）鍛焊結構板焊結構多層結構

射線或超聲檢測易易難聲發(fā)射檢測易較易較易焊后熱處理必需必需一般不進行破壞行為

超過臨界裂紋后迅速擴展

超過臨界裂紋后迅速擴展

緩慢地、階段地擴展四.反應器內(nèi)件型式及作用*反應器內(nèi)件設計性能的優(yōu)劣將與催化劑性能一道體現(xiàn)出所采用加氫工藝的先進性。*對于固定床氣液并流下流式反應器的內(nèi)件,

通常都設有入口擴散器、氣液分配器、積垢籃、冷氫箱、熱電偶和出口收集器等。

*主要內(nèi)件的作用、典型結構及注意要點如下：四.反應器內(nèi)件型式及作用（續(xù)）

四.反應器內(nèi)件型式及作用（續(xù)）內(nèi)件名稱設置目的及有關說明典型結構型式注意要點入口擴散器（或稱預分配器）對于圖示的(b)型，還可起到積存進料中的一些銹垢的作用。防止高速流體直接沖擊液體分配盤，影響分配效果，從而起到預分配的作用。見圖5(a)(b)(a)型：進料方向應垂直于入口擴散器上的兩條開孔；兩層水平檔板上的開孔應對中；水平擋板上的開孔應垂直于板面。(b)型：根據(jù)液體及沉積物量確定長槽孔的大小、數(shù)量和位置。四.反應器內(nèi)件型式及作用（續(xù)）四.反應器內(nèi)件型式及作用（續(xù)）內(nèi)件名稱設置目的及有關說明典型結構型式注意要點氣液分配盤使進入反應器的物料均勻分散，與催化劑顆有效觸，充分發(fā)揮催化劑的作用。見圖6(a)(b)應保證分配盤上不漏夜,可采用合適填料墊密。安裝后充水100

mm高，在5分鐘內(nèi)液位降低小于25mm為合格;控制安裝水平度。對于噴射型,

包括制造公差和梁在荷載作用下的撓度在內(nèi)可按±5mm~±6

mm控制，對于溢流型，控制公差應稍嚴；四.反應器內(nèi)件型式及作用（續(xù)）內(nèi)件名稱設置目的及有關說明典型結構型式注意要點氣液分配盤目前國內(nèi)外所用的分配器按其作用機理大致可分為溢流型和(抽吸)噴射型兩類或二者機理兼有的綜合型。

見圖6(a)(b)配盤的設計荷載，應包括通過分配盤的壓力降△P、盤上的液量及分配盤自重(按最大的操作溫度考慮)。此外，還要考慮到檢修的工況，其支承件至少同時也要滿足常溫下承受90~120kg集中荷載的要求。

四.反應器內(nèi)件型式及作用（續(xù)）四.反應器內(nèi)件型式及作用（續(xù)）內(nèi)件名稱設置目的及有關說明典型結構型式注意要點積垢籃(注)積垢籃置于催化劑床層的頂部，系由各種規(guī)格不銹鋼金屬絲網(wǎng)與骨架構成的籃筐。它為反應器進料提供更多的徑向方向的流通面積,使催化劑床層可聚集更多的銹垢和沉積物而不致引起床層壓降過分地增加。見下圖積垢籃在裝入反應器內(nèi)時,

其籃筐內(nèi)應是空的。在裝填催化劑時一定要注意這一點；積垢籃按三角形排列，安裝時用鏈條將其連在一起,

并栓到上面的分配器支承梁上，其栓緊鏈條要有足夠的長度裕量以適應催化劑床層的下沉(按下沉5％

考慮)。

四.反應器內(nèi)件型式及作用（續(xù)）(注)：近多年來采用在頂部裝填大孔隙惰性多孔球或脫金屬催化劑措施而替代積垢籃。四.反應器內(nèi)件型式及作用（續(xù)）內(nèi)件名稱設置目的及有關說明典型結構型式注意要點冷氫箱用以控制加氫放熱反應引起的催化劑床層溫升，圖示的冷氫箱結構由冷氫管、冷氫盤、再分配盤組成，可使來自上面床層的反應物料和起冷卻作用的冷氫充分混見圖8冷氫管內(nèi)設置的隔檔板應使從兩個開孔中噴出的氫氣量是相當?shù)模粸榘l(fā)揮冷氫的作用效果，冷氫盤和冷氫箱部分應用填料填密，以保證不漏液，可按氣液分配盤的試漏標準驗收；冷氫盤和噴射盤的安裝四.反應器內(nèi)件型式及作用（續(xù)）內(nèi)件名稱設置目的及有關說明典型結構型式注意要點冷氫箱混合，而又將具有均勻溫度的氣液混合物再均勻分配到下部的催化劑床層上。見圖8水平度，包括制造公差、荷載作用下的撓度等在內(nèi)，可按±6mm控制。再分配盤的要求與氣液分配盤同。四.反應器內(nèi)件型式及作用（續(xù)）四.反應器內(nèi)件型式及作用（續(xù)）內(nèi)件名稱設置目的及有關說明典型結構型式注意要點熱電偶為監(jiān)視加氫放熱反應引起床層溫度升高及床層截面溫度分布狀況而對操作溫度進行監(jiān)測。熱電偶的安裝有從筒體上徑向插入和從反應器頂封頭上垂直方向插入的方式。在徑向水平插入的形式中又有橫跨整個截面的和僅插入一定長度的兩種情況。以往床層測溫基本采用鎧裝熱電偶。近年多數(shù)在采用鎧裝熱電偶的同時，還采用了一種稱為柔性熱電偶(flexible見圖9(a)(b)(c)

(ⅰ)

對徑向水平插入的熱電偶套管要注意由于操作過程催化劑下沉和停工檢修卸出催化劑時被壓彎的可能性,特別是當反應器直接較大時更不可忽視；（ⅱ）徑向水平插入一定長度的熱電偶，其套管與反應器筒體在現(xiàn)場焊接的焊縫曾四.反應器內(nèi)件型式及作用（續(xù)）內(nèi)件名稱設置目的及有關說明典型結構型式注意要點熱電偶

thermocouples）的結構，它可在一個熱電偶開口接管上設置高密度的測點，并具有快速反應時間（4~8s）和對床層溫度飄移能迅速反應等特性，可對床層截面溫度進行許多點測量，因而可對工藝過程進行有效的控制。另外，為了監(jiān)控反應器器壁金屬的溫度情況，也往往在反應器外表面的筒體圓周上或封頭和開口接管的相關部位設置一定數(shù)量的表面熱電偶。見圖9(a)(b)(c)

有發(fā)生裂紋的實例，因此在設計時對于確定的設置位置應盡可能為現(xiàn)場施焊創(chuàng)造較為方便的條件，同時施焊操作也要更加細心；(ⅲ)頂部垂直插入的熱電偶套管，當長度較長時，要適當設置導向結構，以利套管在操作狀態(tài)下因受熱伸長時而不受到阻礙。四.反應器內(nèi)件型式及作用（續(xù)）四.反應器內(nèi)件型式及作用（續(xù)）內(nèi)件名稱設置目的及有關說明典型結構型式注意要點出口收集器用于支承下部的催化劑床層，以減輕床層的壓降和改善反應物料的分配。見圖10出口收集器與下封頭的下沿或與其連接的定心環(huán)圓周上應設數(shù)個缺口，以便停工時排液用。

四.反應器內(nèi)件型式及作用（續(xù)）四.反應器內(nèi)件型式及作用（續(xù)）*內(nèi)件設計中的主要考慮：

·從工藝角度說：

最關鍵的一點是要使反應進料(氣液相)與催化劑顆粒(固相)三相間有效地接觸，在催化劑床層內(nèi)不發(fā)生流體偏流現(xiàn)象。

·從設備設計角度說：

在保證內(nèi)件能具有高效和穩(wěn)定操作的前提下，應將內(nèi)件結構設計得更加緊湊，盡量縮小空間所占高度，以最大限度地利用反應器容積。五.反應器主要損傷型式與材料選擇*加氫裝置由于操作條件的特殊性，所以反應器有可能發(fā)生一些特殊的損傷現(xiàn)象。為防止這些破壞

性的損傷發(fā)生，不僅要有正確的設計與選材，而且與正確的制造工藝和正確的操作維護關系極大。*下面介紹熱壁加氫反應器可能發(fā)生的主要損傷型式及其對策?！じ邷貧涓g·氫脆·高溫硫化氫＋氫腐蝕·鉻-鉬鋼的回火脆性損傷·連多硫酸應力腐蝕開裂·奧氏體不銹鋼堆焊層的氫致剝離五.反應器主要損傷型式與材料選（續(xù)）（一）高溫氫腐蝕(HA—HydrogenAttack)1.

高溫氫腐蝕形式

*表面脫碳

*內(nèi)部脫碳與開裂

*

表面脫碳：表面脫炭不產(chǎn)生裂紋，表面脫碳的影響一般很輕，只是鋼材的強度和硬度局部有所下降而延性提高。（一）高溫氫腐蝕（續(xù)）

*內(nèi)部脫碳：

·Fe3C+2H2→CH4+3Fe

·使鋼材產(chǎn)生龜裂、裂紋或鼓泡，導致鋼材強度、延性和韌性顯著下降。

·具有不可逆的性質(zhì)，也稱永久脆化現(xiàn)象。

·進展過程：甲烷氣泡形核→成長→氣泡串通產(chǎn)生晶間微裂紋→連通形成斷裂通道。

·高溫氫腐蝕要經(jīng)過一段時間。即，有一個

“孕育期”（或稱潛伏期）。（一）高溫氫腐蝕（續(xù)）

°“孕育期”的特征：在此階段，甲烷氣泡形成，成長慢，未串通，鋼材力學性能不發(fā)生明顯改變。

°“孕育期”概念的應用：在工程上可利用“孕育期”的概念來確定設備和管道所選用鋼材能安全使用的大致時間。

°影響“孕育期”的因素：包括鋼種、氫壓、溫度、冷作程度、雜質(zhì)元素含量和作用應力等因素。（一）高溫氫腐蝕（續(xù)）

2.

影響高溫氫腐蝕的主要因素（1）溫度、壓力和暴露時間的影響

溫度和壓力對氫腐蝕的影響很大。溫度越高或者壓力越大,發(fā)生高溫氫腐蝕的起始時間就越早。

（2）合金元素和雜質(zhì)元素的影響

從高溫氫腐蝕機理可知，凡是添加能形成穩(wěn)定碳化物的元素（如鉻、鉬、釩、鈦、鎢等），就可提高鋼材抗高溫氫腐蝕的能力。（一）高溫氫腐蝕（續(xù)）(a)

下圖是不同合金元素對抗氫腐蝕的效應（一）高溫氫腐蝕（續(xù)）(a)下圖是不同合金元素對抗氫腐蝕的效應（一）高溫氫腐蝕（續(xù)）

(b)關于雜質(zhì)元素的影響

在針對21/4Cr-1Mo鋼的研究中已發(fā)現(xiàn)，錫、銻會增加甲烷氣泡的密度，且錫還會使氣泡直徑增大，從而對鋼材的抗氫腐蝕性能產(chǎn)生不利影響.（3）熱處理的影響

(a)不同顯微組織的影響

(b)淬火后不同回火溫度的影響

(c)PWHT的影響

（一）高溫氫腐蝕（續(xù)）(a)不同顯微組織的影響

淬火＋回火：

回火貝氏體

正火＋回火：

鐵素體＋回火貝氏體

Q+T和N+T材經(jīng)氫腐蝕后的力學性能變化

（材料：1.5Cr-0.5Mo,PH2:24.5MPa,加熱溫度:550℃）

（一）高溫氫腐蝕（續(xù)）(b)淬火后不同回火溫度的影響淬火后回火溫度對氫腐蝕的影響

（材料：21/4Cr-1Mo）（一）高溫氫腐蝕（續(xù)）(c)

PWHT的影響：

鉻-鉬鋼設備，是否施行焊后熱處理其高抗氫腐蝕效果大不一樣。曾有試驗證明，21/4Cr-1Mo鋼焊縫若不進行焊后熱處理，則發(fā)生氫腐蝕的溫度將比納爾遜（Nelson）曲線表示的溫度低100℃以上。（4）應力的影響應力存在會產(chǎn)生不利影響。特別是二次應力的存在會加速高溫氫腐蝕。（一）高溫氫腐蝕（續(xù)）

3.高溫高壓氫環(huán)境的材料選用及注意要點

(1)

選材依據(jù)：

*

通常都按原稱為的“納爾遜(Nelson)曲線來選擇。

*“納爾遜曲線”最早由G.A.Nelson于1949年提出。

*

1970年首次由API作為API出版物941(第1版)發(fā)行。

*“納爾遜曲線”曾經(jīng)多次修訂，從1997年起改為

APIRP(推薦準則)941（第5版）。

*

API941一直是最有用的抗高溫氫腐蝕選材的一個指導性文件。

（一）高溫氫腐蝕（續(xù)）

臨氫作業(yè)用鋼防止脫碳和微裂的操作極限（第6版）（一）高溫氫腐蝕（續(xù)）(2)注意要點：

*

本圖線只涉及到材料抗高溫氫腐蝕，不考慮在高溫時其它重要因素引起的損傷。

*使用時務必選用最新版的曲線，以保證使用的可靠性（現(xiàn)最新版為第6版——2006年）*在實際應用中，焊接接頭處的氫腐蝕行為更不可忽視。

*在依據(jù)此圖線進行選材時，應盡量減少不利影響的雜質(zhì)元素含量，控制非金屬夾雜物的含量和降低作用應力水平以及充分回火和施行焊后熱處理等。

*選材時要留有適當裕量。五.反應器主要損傷型式與材料選（續(xù)）（二）氫脆(HE—HydrogenEmbrittlement)

1.

氫脆現(xiàn)象特征

*是氫殘留在鋼中所引起的脆化現(xiàn)象。

*產(chǎn)生氫脆的鋼材，其延伸率和斷面收縮率顯著下降。

*當給予特定條件時氫又可從鋼中釋放出來，使鋼的性能得到恢復。所以氫脆是可逆的，也稱作一次脆化現(xiàn)象。

*氫脆發(fā)生的溫度從室溫~約150℃的范圍。隨溫度升高，氫脆效應下降，當溫度超過71℃~82℃時不太容易發(fā)生。所以,實際裝置中氫脆損傷往往發(fā)生在裝置開、停工過程的低溫階段。

（二）氫脆(續(xù))2.影響氫脆的有關因素：

*氫脆敏感性隨鋼材強度提高而增加。*顯微組織對氫脆有影響，如未回火的材料和珠光體組織對氫脆更敏感。*鋼材的氫脆化程度與鋼中的氫含量密切相關。*鋼材的強度越高，只要吸收少量的氫，就可引起嚴重的氫脆現(xiàn)象。*在發(fā)生氫脆溫度下，存在著亞臨界裂紋不擴展的氫濃度，稱為安全氫濃度。（它與鋼材的強度水平、裂紋尖端的拉應力大小以及裂紋的幾何尺寸有關）。（二）氫脆(續(xù))K1H與抗拉強度和氫含量的關系（二）氫脆(續(xù))

3.

加氫設備的氫脆損傷

*操作在高溫高壓氫環(huán)境中的反應器，器壁中吸收一定量的氫。

*停工過程冷卻速度太快，氫來不及擴散出去，造成過飽和氫殘留器壁內(nèi)，可能引起亞臨界裂紋擴展，對設備安全使用帶來威脅。*已有氫脆的材料，一旦再產(chǎn)生回火脆化，則影響更大。

（二）氫脆(續(xù))氫脆與回火脆化疊加的影響（二）氫脆(續(xù))

*

加氫反應器中發(fā)生氫脆的現(xiàn)狀

(a)近期已很少看到反應器母材發(fā)生氫脆損傷的報道。

原因:冶煉技術進步；鋼材質(zhì)量明顯提高（S、

P含量與有害氣體含量低，非金屬夾雜物少）。

(b)

但，反應器內(nèi)部的奧氏體不銹鋼焊接金屬時有發(fā)生氫脆開裂的現(xiàn)象，并伴有σ相脆化。

（二）氫脆

(續(xù))奧氏體不銹鋼氫脆裂紋特征*裂紋沿著奧氏體晶界上的鐵素體/σ相網(wǎng)狀組織傳播。*普遍發(fā)生在TP.347焊縫金屬上，通常擴展到

TP.347和TP.309的界面處就停止。但是，也有裂紋穿透TP.309堆焊層而進入到母材的實例。裂紋發(fā)生的主要部位

反應器催化劑格柵支持圈拐角焊縫上以及法蘭梯型槽密封面的槽底拐角處等。（二）氫脆

(續(xù))（二）氫脆

(續(xù))4.

防止氫脆損傷的措施

(1)對常規(guī)21/4Cr-1Mo鋼的防護措施

*抗拉強度Rm≤690MPa*屈服強度Rel≤620MPa*硬度≤220HB(2)對奧氏體不銹鋼焊接金屬的防護措施*從結構設計上應盡量減少應變幅度（如構件與母材作成一體結構，降低熱應力，避免應力集中等）；（二）氫脆

(續(xù))

*從制造上應盡量保持TP.347堆焊或焊接金屬有較高的延性。其辦法：(a)

要控制TP.347中δ-鐵素體含量(目標值<FN9,

但不應<FN3，可按WRC-1992組織圖計算)；WRC圖（二）氫脆

(續(xù))(b)

對易開裂部位，TP.347的堆焊應在PWHT

后進行。（二）氫脆

(續(xù))(c)

制造中應充分消除殘余應力，使負荷應力降低。并通過無損檢測消除宏觀缺陷等。(d)

在生產(chǎn)操作中，當裝置停工時應有一程序盡量使鋼中吸藏的氫釋放出去。(e)

應盡量避免非計劃的緊急停工。五.反應器主要損傷型式與材料選擇（續(xù)）（三）

高溫硫化氫＋氫腐蝕(H2S+H2腐蝕)

*高溫H2S+H2共存條件的腐蝕要比硫化氫單獨存在時對鋼材的腐蝕劇烈和嚴重。操作溫度高于204℃，腐蝕速度隨溫度升高而增加。*影響高溫硫化氫＋氫腐蝕的主要因素有：

·溫度

·氫

·硫化氫濃度

·合金成分

（三）高溫硫化氫＋氫腐蝕（續(xù)）

*硫化氫和氫共存條件下的材料選擇·按經(jīng)驗數(shù)據(jù)·按照柯珀(Couper)曲線估算

如按碳鋼曲線計算不同Cr-Mo鋼的腐蝕率時，還應乘以修正系數(shù)Fcr：

鋼種

Fcr系數(shù)鋼種

Fcr系數(shù)

C鋼

15Cr-0.5Mo0.80C-0.5Mo17Cr-1Mo0.741Cr-0.5Mo0.969Cr-1Mo0.682.25Cr-1Mo0.91（三）高溫硫化氫＋氫腐蝕（續(xù)）Couper曲線注:介質(zhì)為瓦斯油時再乘以1.896倍（三）高溫硫化氫＋氫腐蝕（續(xù)）

（三）高溫硫化氫＋氫腐蝕（續(xù)）

·另外，作為抗高溫硫化氫腐蝕的有效措施之一可以采用滲鋁鋼。

但要注意的是，不同的滲鋁工藝，其抗腐蝕性能大不一樣。(最好采用高溫擴散滲透法)。五.反應器主要損傷型式與材料選擇（續(xù)）

（四）連多硫酸應力腐蝕開裂

1.連多硫酸應力腐蝕開裂特征與起因

*連多硫酸（H2SXO6,X=3~6）應力腐蝕開裂也屬硫化物應力腐蝕開裂。一般為晶間裂紋。*連多硫酸的形成：操作在高溫硫化氫氣氛下的設備，會生成硫化鐵,

當裝置停止運轉(zhuǎn)或停工檢修時，與出現(xiàn)的水份和進入設備內(nèi)的空氣中的氧發(fā)生反應的結果。

即：（四）連多硫酸應力腐蝕開裂（續(xù)）3FeS+5O2→Fe2O3·FeO+3SO2SO2+H2O→H2SO3H2SO3+?O2→H2SO4FeS+H2SO3→mH2SxO6+nFe++FeS+H2SO4→FeSO4+H2SH2SO3+H2S→mH2SxO6+nSFeS+H2SxO6→FeSxO6+H2S（四）連多硫酸應力腐蝕開裂（續(xù)）

*產(chǎn)生連多硫酸應力腐蝕開裂必須同時具備

三個條件：

(a)環(huán)境條件－－能形成連多硫酸的環(huán)境；

(b)有拉應力(殘余應力或外加應力)存在；

(c)奧氏體不銹鋼處于敏化態(tài)（這是由于材料在制造、焊接過程中和長期在高溫條件下運轉(zhuǎn)時引起碳化鉻在晶界上析出，使晶界附近的鉻濃度減少形成貧鉻區(qū)所致）。（四）連多硫酸應力腐蝕開裂（續(xù)）2.

防止對策

*

在設計上要選用合適的材料。所設計的結構應為盡可能不形成應力集中的結構。

*

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力，并應特別注意不加工成應力集中或應力集中盡可能小的結構形狀。

*

使用上應采取緩和環(huán)境條件的措施，如：

·用干燥氮氣吹掃

·停工時向系統(tǒng)提供熱量

·中和清洗（按NACERP0170-2004）五.反應器主要損傷型式與材料選擇（續(xù)）（五）

鉻-鉬鋼的回火脆性損傷

(TE——TemperEmbrittlement)

1.

2?Cr-1Mo鋼回火脆性現(xiàn)象及其特征

*

2?Cr-1Mo鋼的回火脆性是鋼材長時間地保持在大約343℃~593℃或者從這溫度范圍緩慢地冷卻時,由于冶金的變化，使材料的斷裂韌性引起劣化損傷的現(xiàn)象。

*

TE產(chǎn)生的原因是由于鋼中有害的雜質(zhì)元素（如

P、Sn、Sb、As）和某些合金元素（如Si、Mn）向原奧氏體晶界偏析，使晶界凝集力下降所致。（五）鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）

*回火脆化對抗拉強度和延伸率不敏感，只能通過沖擊試驗才能觀測其變化。*從斷口看，呈晶間破壞形態(tài)。*回火脆性現(xiàn)象具有可逆性質(zhì)。*材料一旦發(fā)生回火脆化,其韌脆性轉(zhuǎn)變溫度向

高溫側(cè)遷移。

因此，設備處在低溫區(qū)時，若有較大附加應力存在，就有可能發(fā)生脆性破壞的危險。（五）鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）

轉(zhuǎn)變溫度曲線的遷移

（五）鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）2.

影響回火脆性的主要因素

(1)影響回火脆性的主要因素很多，如：

*化學成分

*制造中的熱處理條件

*加工時的熱狀態(tài)

*強度大小

*塑性變形

*碳化物形態(tài)

*保持溫度和時間，等等。

有些因素，相互間還有關連。

（五）鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）(a)化學成分的影響*雜質(zhì)元素(如P、Sn、As、Sb)的影響特別P、Sn含量高時，脆化特別顯著。（五）鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）*某些合金元素的影響

·Si、Mn對脆化都有促進作用，特別Si影響很大,且Si含量高時對P的影響很強烈。

（五）

鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）·Cr在2.0~3.0%范圍內(nèi)時，脆化敏感性較高?！o

>0.5%時，回火脆性現(xiàn)象就可發(fā)生?！u的有害影響，只限于貝氏體組織和雜質(zhì)元素含量較多的情況（見右圖）。（五）鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）·

純Ni鋼沒有回火脆性敏感性，但有P、Sn

等元素存在時，回火脆性敏感性就增加?！，降低其含量，可使回火脆性減少，但不會消除。*由于化學成分對回火脆性影響很大，在工程應用上為方便起見，經(jīng)試驗研究歸納出相關的經(jīng)驗式,用以描述回火脆性的大小。主要有：5.鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）Cu的影響（五）鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）J-系數(shù)——用于2?Cr-1Mo等鋼母材；(X)系數(shù)，也稱Bruscato系數(shù)—用于2?Cr-1Mo等鋼焊縫金屬。

J-系數(shù)

=(Si+Mn)×(P+Sn)×104(%)(X)系數(shù)

=(10P+5Sb+4Sn+As)×10-2

ppm另外，研究還表明，對于2?Cr-1Mo等鋼再控制(P+Sn)的含量是有效的。（五）鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）(b)熱處理工藝的影響

*主要是奧氏體化溫度及其奧氏體化后的冷卻速度對回火脆性敏感性影響很大。

·提高奧氏體化溫度，容易產(chǎn)生回火脆化。（五）鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）·從奧氏體化溫度的冷卻速度加快，回火脆化量就增加。（五）

鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）

*

由上可知，熱處理工藝對回火脆性的影響往往與所要求的力學性能是相互矛盾的，如：

·降低奧氏體化溫度，可使回火脆性減少，但，鋼材強度，特別是屈服強度卻明顯下降。

·降低從奧氏體化的冷卻速度，回火脆性敏感性可降低，但，鋼材強度、韌性都下降。為此，必須探索一個綜合性能優(yōu)越的熱處理工藝。（五）鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）3.回火脆化度的評價

*

等溫時效（Isothermalaging）處理，也即等溫脆化處理。

*階梯冷卻或步冷法（StepCooling）處理，是一種加速模擬處理方法。在工程上被廣泛地采用?！に^階梯冷卻法就是將試驗材料的試樣置于回火脆化溫度范圍內(nèi)階梯式地進行加熱、保溫與冷卻(一般多是采用5個階梯)，使它發(fā)生回火脆化的方法。（五）鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）·階冷處理工藝（五）鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）*脆化度的定量表示

·采用2毫米V型缺口夏比沖擊試驗獲得的韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度的變化量來評價。

·一般以vTrs的變化量△vTrs或是以54J(相當于

40英尺-磅)夏比沖擊吸收功的轉(zhuǎn)變溫度vTr54

的變化量△vTr54來考核。

·

△vTrs或△vTr54越大，說明回火脆化度就越大。

·通常按下式評定鋼材(或焊縫)的回火脆化傾向：

vTr54+α△vTr54≤Х℃（五）鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）式中：°vTr54：脆化處理前V型缺口夏比沖擊功為54焦耳所對應的溫度，℃；°△vTr54：按階梯冷卻工藝進行脆化處理后與處理前的V型缺口夏比沖擊功為54焦耳所對應溫度的增量，℃；°α：系數(shù)，原來為1.5，由于要求越來越嚴，逐步增大到2.5

或3.0；°Х：規(guī)定滿足的溫度值，最早為38℃，現(xiàn)已變?yōu)?0℃或0℃等。

（五）鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）4.防止2?Cr-1Mo鋼設備發(fā)生回火脆性破壞的若干措施

*加氫裂化反應器所選用的鉻-鉬鋼，以2?Cr-1Mo鋼為多，而它又是幾種鉻-鉬鋼中回火脆性敏感性較大的鋼種。（五）鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）（五）鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）*現(xiàn)以2?Cr-1Mo鋼作為代表提出防止產(chǎn)生回火脆性的一些措施：

·盡量減少鋼中能增加脆性敏感性的化學元素，如控制好Si、Mn含量，盡量降低P、Sn、Sb、As的含量。

·滿足對母材的（P+Sn）的控制要求。

·滿足對母材的J-系數(shù)和對焊縫的(X)系數(shù)的要求，以及對二者的回火脆化敏感性評定要求。

·制造中要選擇合適的熱處理工藝，以期獲得優(yōu)越的力學和抗回火脆化的綜合性能。（五）鉻-鉬鋼的回火脆性損傷（續(xù)）·采用“熱態(tài)型”的開停工方案。即開工時先升溫后升壓；停工時先降壓后降溫。為此，要確定一個合適的最低升壓溫度（MPT）。當操作溫度低于MPT時，應限制系統(tǒng)壓力大約不超過最高設計壓力的25％。·控制應力水平和采用合適的開停工升降溫速度，建議當溫度小于150℃時，升降溫速度以不超過25℃/h為宜。

（六）奧氏體不銹鋼堆焊層的氫致剝離

（Disbonding）

1.堆焊層氫致剝離現(xiàn)象的特征*堆焊層剝離現(xiàn)象也是氫致延遲開裂的一種形式。*從宏觀上看，剝離的路徑是沿著堆焊層和母材的界面擴展的，在不銹鋼堆焊層與母材之間呈剝離狀態(tài)，故稱剝離現(xiàn)象。*從微觀上看，剝離裂紋發(fā)生的典型狀態(tài)有兩大類：

·沿著熔合線上所形成的碳化鉻析出區(qū)

·沿著長大的奧氏體晶界擴展。（六）奧氏體不銹鋼堆焊層的氫致剝離（續(xù)）2.剝離現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因

*由于制作反應器本體材料的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散速度,

導致使用過程在堆焊層過渡區(qū)的堆焊層側(cè)出現(xiàn)很高的氫濃度。

（六）奧氏體不銹鋼堆焊層的氫致剝離（續(xù)）*由于母材和堆焊層材料的線膨脹系數(shù)差別較大，造成界面上存在著相當可觀的殘余應力；

*堆焊層界面處的冶金因素影響（由于制造中焊后熱處理，在境界層上受到析出的碳化物形態(tài)及可能形成沿融合層生長的粗大結晶的影響等）。3.影響堆焊層氫致剝離的主要因素*除金屬材料本身的因素外，環(huán)境條件和制造工藝都將對堆焊層氫致剝離產(chǎn)生影響。（六）奧氏體不銹鋼堆焊層的氫致剝離（續(xù)）(1)環(huán)境條件：

*操作溫度和氫分壓是最重要的影響參數(shù)。（六）奧氏體不銹鋼堆焊層的氫致剝離（續(xù)）

*冷卻速度的影響：冷卻速度越快越容易剝離。*反復加熱冷卻的循環(huán)次數(shù)影響：反復加熱冷卻次數(shù)越多越容易引起剝離和促進剝離的進展。（六）奧氏體不銹鋼堆焊層的氫致剝離（續(xù)）

(2)制造工藝：

*焊后熱處理的影響:

焊后熱處理溫度越高，材料抗剝離能力就更差。（六）奧氏體不銹鋼堆焊層的氫致剝離（續(xù)）

*焊接條件的影響:

曾有實驗證明，采用高焊速大電流可獲得良好的抗剝離能力。（六）奧氏體不銹鋼堆焊層的氫致剝離（續(xù)）4.防止堆焊層氫致剝離的對策：*降低界面上的氫濃度；*減輕殘余應力；*設法使堆焊層熔合線附近的組織具有較低的氫脆敏感性；*嚴格遵守操作規(guī)程，盡量避免非計劃的緊急停車；*在正常停工時應采取能使氫盡可能從器壁內(nèi)釋放出去的停工條件。六.新Cr-Mo鋼的開發(fā)與應用

（一）國外的開發(fā)應用從20世紀80年代初開始，美國石油學會的材料性能委員會(MPC)和日本幾乎是同時進行了高溫高壓加氫反應器用新鋼種的開發(fā)，相繼取得成功。并很快地在工業(yè)裝置的設備上應用，將加氫反應器技術推進到了一個新階段。

1.

開發(fā)背景

*

由于重質(zhì)或超重質(zhì)油裂化和煤液化等新工藝的出現(xiàn)使加氫反應器操作條件更趨高溫高壓化，原來所采用的Cr-Mo鋼難以適應。（一）國外的開發(fā)應用（續(xù)）*隨著裝置大型化引

起設備的大型化，原來使用的Cr-Mo

鋼強度顯偏低，使設備壁厚很厚，給制造、運輸和吊裝帶來難，希望能有更高強度的鋼材。

原2?Cr-1Mo鋼強度隨溫度的變化（一）國外的開發(fā)應用（續(xù)）

*熱壁反應器在長期使用中曾發(fā)生的一些損傷,

雖已有許多改進，但仍有某些問題未完全解決。(2)

開發(fā)目標

*

提高鋼材的設計應力強度值，以適應大型化的需要。

*

對環(huán)境強度有更好的適應性，以滿足更趨高溫高壓化的氫環(huán)境的使用條件。*

具有良好的加工工藝性能。

*

成本較低。（一）國外的開發(fā)應用（續(xù)）3.

實施方法

*

通過改變原鋼號的熱處理條件，以提高強度。如將原2?Cr-1Mo鋼的回火溫度由675℃降低到620℃，從而使抗拉強度由原515~690MPa

提高到585~760MPa。

*

在原鋼號的基礎上添加V，以實現(xiàn)高強度化,

同時為了改善鋼的其他性能，配套添加了某些合金元素，如Cb、Ti、B、Ca等。（一）國外的開發(fā)應用（續(xù)）4.

開發(fā)成功的鋼種*增強型(Enhanced)Cr-Mo鋼

·

Enh.

2?Cr-1Mo鋼*改進型(Modified)Cr-Mo鋼

·3Cr-1Mo-?V-Ti-B鋼

·3Cr-1Mo-?V-Cb-Ca

·2?Cr-1Mo-?V鋼

·2?Cr-1Mo-?V-Cb-Ca鋼（一）國外的開發(fā)應用（續(xù)）

5.

加釩Cr-Mo鋼的優(yōu)點

*

除增強型2?Cr-1Mo鋼是依靠降低原鋼號的回火或焊后熱處理溫度來達到高強度化，因而它的抗氫脆敏感性和氫致裂紋擴展的能力都不及2?Cr-1Mo鋼，且抗氫腐蝕的極限溫度也相對較低(被限制在440℃以下)外，加釩的改進型Cr-Mo鋼具有以下突出的優(yōu)點：

(1)

強度高在室溫下,標準規(guī)定的抗拉強度為585~760MPa，5.

加釩Cr-Mo鋼的優(yōu)點（續(xù)）

而原來的2?Cr-1Mo鋼僅為515~690MPa，可見標準規(guī)定的最小抗拉強度值就提高約13%。

不同Cr-Mo鋼強度的對比5.

加釩Cr-Mo鋼的優(yōu)點（續(xù)）

高強Cr-Mo鋼的蠕變斷裂強度對比5.

加釩Cr-Mo鋼的優(yōu)點（續(xù)）

再看設計應力值，與當時2001年版ASME

規(guī)范第Ⅷ卷第二冊中給出的3Cr-1Mo-?V鋼和2?Cr-

1Mo-?V鋼在454℃下的設計應力強度就分別比

2?Cr-1Mo鋼提高9.2%和12.4%以上（按現(xiàn)在最新的2007版提高的就更多，分別達到18.8%和

33.1%）。這可使設備輕量化，從而將相關的工程建設投資費用降低。

(2)抗高溫氫腐蝕性能大幅度提高因鋼中形成了熱穩(wěn)定性很高的碳化釩。因而使它5.

加釩Cr-Mo鋼的優(yōu)點（續(xù)）

具有很好的抗高溫氫腐蝕性能。從1997年第5版的

APIRP941（推薦作法）開始，就將2?Cr-1Mo-

?V鋼正式列入該標準中的納爾遜曲線圖里。從此圖線中可查到2?Cr-1Mo-?V鋼的使用極限溫度為

510℃，比原2?Cr-1Mo鋼提高了56℃。

(3)抗氫脆性能明顯改善

*

氫脆的機理雖有各種理論，但因所形成的碳化釩即使在常溫下仍具有較強的捕集氫能力，由此所5.

加釩Cr-Mo鋼的優(yōu)點（續(xù)）能提供給引發(fā)開裂部位的氫量比起2?Cr-1Mo鋼就少,所以氫脆敏感性低,抗氫致裂紋擴展能力強。

不同Cr-Mo鋼捕捉氫能力5.

加釩Cr-Mo鋼的優(yōu)點（續(xù)）*試驗還表明，加釩鋼在氫環(huán)境中的門檻應力強度因子K1H值比2?Cr-1Mo鋼高許多。從斷口情況看，2?Cr-1Mo

鋼已為晶間型裂紋時,

加釩改進型

Cr-Mo鋼仍呈準解理型。5.

加釩Cr-Mo鋼的優(yōu)點（續(xù)）(4)抗回火脆化性能更好國外曾對板材、鍛件和焊縫金屬進行過“階冷”處理試驗，其結果表明，試驗前后的轉(zhuǎn)變溫度增量都很小，說明沒有明顯的回火脆化現(xiàn)象。

改進型3Cr-1Mo鋼和焊縫階冷前后的vTr54

5.

加釩Cr-Mo鋼的優(yōu)點（續(xù)）(5)抗氫致剝離裂紋能力優(yōu)越加釩Cr-Mo鋼，不僅使鋼中的碳化物組成、形態(tài)、分布狀況發(fā)生了變化，而且可使界面上對氫致剝離敏感的顯微組織也得到改善；同時還改變了氫在鋼中的擴散速度和溶解度特性，從而使裝置在停工過程當溫度降至常溫附近時，其堆焊層界面上的氫濃度大大減少。顯示出了非常優(yōu)越的抗氫致剝離裂紋能力。5.

加釩Cr-Mo鋼的優(yōu)點（續(xù)）

*

抗氫致剝離能力的對比情況：（一）國外的開發(fā)應用（續(xù)）6.

標準化情況新Cr-Mo鋼開發(fā)成功后，首先都先向美國機械工程師學會(ASME)申請，以規(guī)范案例(CodeCase)

的形式認可，如增強型2?Cr-1Mo鋼為

CodeCase1960；2?Cr-1Mo-?V鋼為CodeCase2098；3Cr-1Mo-?V-Ti-B鋼為CodeCase1961；3Cr-1Mo-?V-Cb-Ca鋼為CodeCase2151。過了一段時間以后，才相繼地被美國的ASME、ASTM，日本的JIS，英國的BS5500及德國的VdTüV等一些國家標準所列入。（一）國外的開發(fā)應用（續(xù)）7.

應用情況增強型Cr-Mo鋼在20世紀80年代中期已開始應用；

3Cr-1Mo-1/4V-Ti-B鋼開發(fā)成功較早，1987年就用于實驗裝置上，1989年正式在工業(yè)裝置上使用；

3Cr-1Mo-1/4V-Cb-Ca鋼在1995年用于工業(yè)裝置。并于1997年制造出單臺質(zhì)量1500t的3Cr-1Mo-1/4V

鋼反應器；21/4Cr-1Mo-1/4V鋼，由于配套焊材研究成功較晚，直到20世紀90年代初才開始應用。但是由于標準規(guī)定的設計應力強度值比3Cr-1Mo-1/4V鋼還高。所以應用勢頭更好。

7.

應用情況（續(xù)）

截止1999年8月統(tǒng)計，世界上（不含中國,下同）采用改進型3Cr-1Mo-1/4V鋼制造的設備有51臺,而比3Cr-1Mo-1/4V鋼推廣應用相對晚約5年的改進型21/4Cr-1Mo-1/4V鋼制造的反應器就有43臺。到了2004年2月國外又有報導,世界上總共制造加釩Cr-Mo鋼反應器143臺，其中采用3Cr-1Mo-1/4V鋼制造的仍是51臺，采用21/4Cr-1Mo-1/4V鋼制造的為92臺。經(jīng)過四年半凈增49臺反應器的材質(zhì)均為21/4Cr-1Mo-1/4V鋼。且在2003年制造出單臺質(zhì)量為1485t的21/4Cr-1Mo-1/4V鋼反應器。在投入使用的反應器中，已有經(jīng)過了在役檢驗，包括采用超聲、磁粉、滲透和聲發(fā)射等無損檢測方法與手段在內(nèi)的檢測，還未見有發(fā)現(xiàn)任何異常或缺陷的報道。

六.新Cr-Mo鋼的開發(fā)與應用（續(xù)）

（二）國內(nèi)的開發(fā)應用

為能在此領域內(nèi)繼續(xù)保持與國外接近或相當?shù)募夹g水平，國家有關主管部門組織科研、設計、制造和使用單位從20世紀90年代初開始進行各種準備之后，于1994年正式納入國家重大裝備的開發(fā)計劃。先后研制成功了

3Cr-1Mo-?V和2?Cr-1Mo-?V兩種材料及其反應器。

（二）

國內(nèi)的開發(fā)應用（續(xù)）

1.國內(nèi)加釩Cr-Mo鋼（鍛）的開發(fā)項目3Cr-1Mo-1/4V鋼21/4Cr-1Mo-1/4V鋼正式啟動研制時間1994年初1998年下半年研制開發(fā)內(nèi)容材料開發(fā)、焊接試驗、模擬環(huán)研制和工業(yè)用加氫反應器研制材料開發(fā)、焊接試驗、模擬環(huán)研制和工業(yè)用加氫反應器研制實驗室試驗材料成分篩選及其對各種熱工藝參數(shù)測試與研究；開展包括焊接性試驗和焊接工藝試驗在內(nèi)的研究。材料成分篩選及其對各種熱工藝參數(shù)測試與研究；開展包括焊接性試驗和焊接工藝試驗在內(nèi)的研究。

1.

國內(nèi)加釩Cr-Mo鋼（鍛）的開發(fā)（續(xù)）項目3Cr-1Mo-1/4V鋼21/4Cr-1Mo-1/4V鋼工業(yè)性中間試驗在取得實驗室試驗成果的基礎上，研制了一個用90t鋼錠鍛制成的內(nèi)徑1800mm、壁厚340mm、重量42t筒體模擬環(huán)(含一條環(huán)焊縫和一個開口接管焊縫)。經(jīng)解剖對鍛件和焊縫的化學成分、各種力學性能、回火脆性、金相等進行全面測試與對比。另外，還開展3Cr-1Mo-1/4V鋼+Tp.309L+Tp.347在取得實驗室試驗成果的基礎上，研制了一個筒體模擬環(huán)鍛件(含一條環(huán)焊縫)，其內(nèi)徑為1260mm、壁厚為270mm、高度1500mm、重量15.3t。經(jīng)解剖對鍛件和焊縫的化學成分、各種力學性能、回火脆性、金相等進行全面測試與對比。另外還開展2?Cr-1Mo-?V鍛板+Tp309L+Tp347

1.

國內(nèi)加釩Cr-Mo鋼（鍛）的開發(fā)（續(xù)）項目3Cr-1Mo-1/4V鋼21/4Cr-1Mo-1/4V鋼工業(yè)性中間試驗不銹鋼各種堆焊工藝試驗并對其化學成分、力學性能、堆焊層厚度、鐵素體含量、金相、抗晶間腐蝕等進行測試或試驗。于1998年7月通過了專家鑒定，認為達到了國外同類產(chǎn)品的實物水平。

不銹鋼帶極堆焊工藝試驗并對其化學成分、力學性能、堆焊層厚度、鐵素體含量、金相、抗晶間腐蝕等進行測試或試驗。于2000年10月通過了專家鑒定。其母材和焊縫的各項技術指標均滿足研制和設計技術條件的要求。

氫損傷行為試驗*進行了高溫氫腐蝕試驗。試驗是以開發(fā)的3Cr-1Mo-?V鋼和國外SA336-F3V材料與國產(chǎn)21/4Cr-1Mo鋼*進行了高溫氫腐蝕試驗。試驗是以開發(fā)的2?Cr-1Mo-?V鋼、3Cr-1Mo-?V鋼和國外SA336-F3V1.

國內(nèi)加釩Cr-Mo鋼（鍛）的開發(fā)（續(xù)）項目3Cr-1Mo-1/4V鋼21/4Cr-1Mo-1/4V鋼氫損傷行為試驗在實驗裝置中進行對比試驗，其結果含釩Cr-Mo鋼的抗氫腐蝕能力大幅度提高，且所開發(fā)的3Cr-1Mo-?V鋼和國外SA336-F3V材料相當。*進行堆焊層抗氫致剝離試驗。將開發(fā)材料制成的試樣(帶Tp.309L+Tp.347堆焊層)在試驗裝置中經(jīng)16.4MPa氫壓、470℃、48h的充氫后，材料及國產(chǎn)2?Cr-1Mo鋼在實驗裝置中進行對比試驗，試驗結果表明含釩Cr-Mo鋼的抗氫腐蝕能力大幅度提高，而且所開發(fā)2?Cr-1Mo-?V鋼的抗高溫氫腐蝕性能還顯稍好。*進行了堆焊層抗氫致剝離試驗。將開發(fā)材料和國產(chǎn)3Cr-1Mo-?V材料及進口3Cr-1Mo-?V材料1.

國內(nèi)加釩Cr-Mo鋼（鍛）的開發(fā)（續(xù)）項目3Cr-1Mo-1/4V鋼21/4Cr-1Mo-1/4V鋼氫損傷行為試驗以450℃/h的速度降溫，如此經(jīng)6個循環(huán)，未見剝離。分別制成的試樣(均帶p309L+Tp347堆焊層)在試驗裝置中經(jīng)~17.8MPa氫壓、470℃、48h的充氫后，以450℃/h的速度降溫，如此經(jīng)6個循環(huán)，未見剝離。

工業(yè)用加氫反應器研制在取得上述充分可靠試驗研究數(shù)據(jù)的基礎上，經(jīng)國家有關部門的批準和認可于1999年9月底制造出了我國首臺3Cr-1Mo-1/4V鋼加氫反應器。在取得上述充分可靠試驗研究數(shù)據(jù)的基礎上，經(jīng)國家有關部門的批準和認可于2002年3月制造出了我國首臺2?Cr-1Mo-?V鋼加氫反應器。1.

國內(nèi)加釩Cr-Mo鋼（鍛）的開發(fā)（續(xù)）項目3Cr-1Mo-1/4V鋼21/4Cr-1Mo-1/4V鋼工業(yè)用加氫反應器研制

其規(guī)格為內(nèi)徑2600mm×切線長23016mm×壁厚169mm+7.5mm(雙層不銹鋼堆焊)，設計金屬總重~366t。主要設計參數(shù)為：壓力19.95MPa，溫度435℃，操作介質(zhì)：油、H2S、H2等。其規(guī)格為內(nèi)徑4000mm×切線長23300mm×壁厚150mm+7.5mm(雙層不銹鋼堆焊)，設計金屬總重~526t。主要設計參數(shù)為：壓力11.68MPa，溫度450℃，操作介質(zhì)：油氣、H2、H2S、NH3等。研制反應器使用情況首臺反應器用于克拉瑪依石化廠30萬噸/年高壓潤滑油加氫裝置，并于2000年12月正式投入使用。至首臺反應器用于鎮(zhèn)海煉油化工股份有限公司180萬噸/年蠟油加氫脫硫裝置,已于2002年8月投入正常1.

國內(nèi)加釩Cr-Mo鋼（鍛）的開發(fā)（續(xù)）項目3Cr-1Mo-1/4V鋼21/4Cr-1Mo-1/4V鋼研制反應器使用情況至今一直安全地運轉(zhuǎn)著。曾于2001年6月按計劃停工進行第一次在役檢測，包括采用外觀檢測、超聲檢測、磁粉檢測與硬度檢測等方法，均未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，完全符合標準要求。運轉(zhuǎn)至今。裝置在2006年4月按計劃停工檢修，對反應器采用各種無損檢測手段進行第一次全面檢驗，其結果狀況良好。（二）

國內(nèi)的開發(fā)應用（續(xù)）

2.國內(nèi)加釩Cr-Mo鋼（鍛）的推廣應用

(1)

開發(fā)成功的兩種加釩材料，如國外一樣很快地在國內(nèi)加氫裝置的反應器上推廣應用。而且還用于制造出口的加氫反應器。

(2)

主要推廣應用情況：

*

3Cr-1Mo-1/4V鋼反應器共制造了8臺

*

2?Cr-1Mo-?V鋼加氫反應器的研制成功，更為我國的加氫反應器技術奠定了堅固的基礎,成果顯著：

·為我國有資格參加神華煤直接液化兩臺單臺質(zhì)量約

2100t的大型2?Cr-1Mo-?V鋼煤液化反應器的國際招標,并一舉中標；（二）

國內(nèi)的開發(fā)應用（續(xù)）

·為近年國內(nèi)大量建造2?Cr-1Mo-?V鋼反應器提供了有力的物質(zhì)保證。截止2008年5月的統(tǒng)計，僅中國一重制造的2?Cr-1Mo-?V鋼反應器就有57臺，

其金屬總重已達41280t之多；

·更可喜的是，從

2006年起，我國制造的加氫反應