我国锻焊结构热壁加氢反应器技术的进步

——纪念首台国产化热壁加氢反应器诞生10周年

　　摘要：总结了我国自行研究、设计、制造的首台锻焊结构热壁加氢反应器成功安全运行10年的经验。介绍了该反应器的主要技术参数及技术特点。指出我国加氢反应器研制技术有了很大的进步且实力逐步加强，如制造能力的提高、大型化的进展和反应器性能与质量的提高，以及大型化反应器现场组焊技术的开发成功等。为进一步改善现有Cr-Mo钢对环境强度的适应性而自行研制成功的3Cr-1Mo-1/4V新钢材已在1台新加氢反应器的制造中得到应用。
　　主题词：中国　加氢裂化反应器　设计　制备　锻造　焊接　技术发展水平

TECHNICAL PROGRESS IN DOMESTIC FORGE WELDING
HOT-WALL HYDROGENATION REACTOR
——The 10th Anniversary of the Birth of the First Domestic
Forge Welding Hot-Wall Hydrogenation Reactor

Yin Fengchun
No.3 Refinery of Fushun Petrochemical Company(Fushun,Liaoning 113006)
Cai Lianzhong
The First Heavy Machine Group Corporation(Fulaerji,Heilongjiang 161042)
Li Guolei
Luoyang Petrochemical Engineering Corporation(Luoyang,Henan 471003)

　　Abstract Ten year experience of successfully running of the first forge welding hot-wall hydrogenation reactor made in China was summarized.Its features and techical parameters were introduced.It was pointed out that China has made great progress in hydrogenation reactor developing,such as manufacturing，large-size and performance and quality of the reactor as well as the successful development of the field-welding for large-size reactors etc.A new type steel 3Cr-1Mo-1/4V developed to improve the adaptability of the existing Cr-Mo steel to ambient condition has been applied in a new hydrogenation reactor.
　　Keywords China,hydrocracker,design,preparation,forging,welding,state-of-the-art

　　10年前，由原中国石油化工总公司组织洛阳石油化工工程公司、中国第—重型机器厂（下称一重厂）、北京钢铁研究总院、抚顺石油化工公司石油三厂(下称抚顺三厂)和合肥通用机械研究所等单位自行研究、设计、制造出我国第一台高温高压锻焊结构热壁加氢反应器，并以最快的速度(在2个月之内)完成了运输和安装，在抚顺三厂的改扩建加氢裂化装置上投入正常使用，结束了国内该类反应器依靠进口的局面，填补了我国一项技术空白。
　　10年来，该反应器一直正常运行，为企业创造了可观的经济效益。实践证明了我国锻焊结构热壁加氢反应器研制技术是非常成功的。

1　研制工作的经验

　　该项研制工作获得成功主要基于下面3点：
　　(1)对引进技术进行了充分地消化，将国外在该技术的发展和应用过程中的成功经验、出现的问题与对策，作为研制的借鉴。
　　(2)在研制中坚持科学态度，确保万无一失。从80年代初就开始了包括设计技术、制造技术、安全使用等主要内容的研究工作。特别是对于制造技术，首先进行实验室试验，进而开展工业性放大研制(含焊接材料)，以及外径为1.65 m、长约2 m、壁厚与实际产品相当、重约28 t的筒体模拟环工业性试制攻关，取得了3万多个数据，突破了主要技术难关。经国家组织专家评定认可后方进入实际产品的研制工作。
　　(3)依靠集体智慧，充分发挥了研究、设计、制造、使用单位的各自特长与优势，密切合作，联合攻关。

2　反应器的主要技术参数与特点

2.1　主要技术参数
　　　　根据当时抚顺三厂实际生产装置的需要，确定研制反应器的主要技术参数为：
　　　　内径：1.8 m　　　　　长度：22 m
　　　　设计压力：20.6 MPa　设计温度：450℃
　　　　材料：筒体为2 _{1/4Cr-1Mo＋Tp.347堆焊，封头为2 1/4Cr-1Mo＋Tp.309＋Tp.347堆焊；
　　　　壁厚：简体150 mm，另Tp.347堆焊最小有效厚度3 mm；
　　　　设备总重：约220 t。
2.2　主要技术关键与特点
　　从热壁加氢反应器的使用特点及以往国外使用中曾发生的诸如氢腐蚀、氢脆、回火脆化、连多硫酸应力腐蚀开裂及奥氏体不锈钢堆焊层的剥离现象等一些特殊问题和损伤情况来看，研究人员充分意识到，要处理和解决好这些问题，在很大程度上取决于制造反应器所用材料(包括焊接材料)要具有好的或特殊的性能，并要控制好实际产品上的应力分布与水平以及结构设计的技巧。这些就成为研制反应器的主要技术关键和特点。
　　(1)采用以“应力分析为基础”的设计方法，提高设计的准确性和使用可靠性。研制组开发或移植了多项应力分析程序，采用有限单元法对反应器中可能出现高应力区的有关部位，按内压和内压与温差联合作用进行应力分析计算与应力评定，并满足有关规范要求，这对于保证设备的安全使用是很重要的。
　　(2)采用合理的设计结构，以改善各部位结构的应力分布，减少塑性应变振幅。在反应器结构设计中，在筒体与封头的连接，裙座的支承等处都设计成应力分布较均匀且又方便在制造中进行无损检测的结构。又如，对国外反应器使用中曾出现脆性开裂的主密封、内部支承环等部件做了若干改进。
　　(3)利用各种先进技术与手段和合理的冶炼工艺，使主体材料获得纯洁、致密、均质的内质特性和具有特殊的优异性能：
　　①结合我国当时尚不具备完全采用电炉冶炼的实际情况，成功地采用了“碱性平炉和电炉冶炼，再在钢包炉中精炼，然后进行真空处理，最后在真空浇注过程中，通过真空碳脱氧(VCD)进行强化脱氧和脱气”的二次精炼工艺，冶炼出了高纯2 1/4Cr-1Mo钢，为保证锻件质量打下牢固基础。
　　②采用大变形度的强化锻造，充分利用高温下锻造时热扩散与机械扩散的叠加作用效应及严格控制总锻比和锻造变形度等多次控温加热和控温锻造的专项技术，使锻件获得了良好的致密性和均质性。
　　③在上述两项技术的基础上，采用了重复热处理，并选择合理的奥氏体化温度和冷却速度及对回火脆化特性与参数控制等技术措施，使锻件获得优良的综合性能。既满足了力学性能要求，又最大限度地消除或抑制2 1/4Cr-1Mo钢回火脆性敏感性，提高了材料抵抗回火脆性的能力。
　　(4)采用或开发先进的焊接装备，探索多种焊接新工艺，保证和提高了焊接质量：
　　①成功研制和采用了与2 1/4Cr-1Mo钢配套的超低氢焊条、高纯度焊丝、脱渣性能好的高碱度烧结焊剂和适应单层堆焊的Tp.347L焊带等。
　　②采用先进的自动焊机进行窄间隙焊接，使主焊道焊后经各种无损检测方法100%检测结果全部一次合格。且国产焊材试板经回火脆化处理后的韧性指标vTr54＋1.5△vTr54最小值达到－47.5℃。
　　③应用现代控制与焊接技术，成功研制了深坡口接管自动埋弧焊机，实现接管与壳体连接的自动焊，既加快了焊接速度，又提高了焊接质量。
　　④采用了焊接工艺难度很大的Tp.347L单层堆焊，并针对当时国外刚刚在在役反应器上发现堆焊层剥离现象的问题和普遍认为浅熔深的单层堆焊对抗剥离能力较差等看法，又做了一些研究与改进，比如对与剥离有关的诸如堆焊过程的稀释率、堆焊层中Nb的含量以及Nb/C值中的C含量上限等都摸索到了合适的控制指标。而且为了排除堆焊过程中某些因素对单层带极堆焊质量的影响，还研制出带极堆焊用自动移距装置及改进其磁场控制等，以保证稳定的堆焊质量，满足了设计要求，使堆焊层显现出较强的抗剥离性能。表1是当时对几种堆焊材料的堆焊层进行剥离试验的结果比较。}

表1　堆焊层抗剥离试验结果比较

试　样氢分压/MPa7.8411.6615.68国产Tp.347L单层无无轻微国产Tp.309＋Tp.347L双层无轻微轻微进口Tp.309＋Tp.347L双层无轻微轻微　　注：加氢条件：试验温度450℃，保持时间48 h，冷却速度200℃/h。

3　首台反应器的应用情况

　　该反应器从1989年5月28日正式投用至今已为装置和工厂的经济效益发挥了很大的作用。因为该装置原来使用冷壁结构反应器，多年来每年都要因内隔热衬里在使用中易发生破损而被迫停工检修至少一次，经济损失比较大。而热壁反应器的投用，不存在内隔热衬里损坏的现象，大大延长了开工周期，装置最长运行周期达323 d。
　　该反应器的操作条件较为苛刻，在正常操作中最高温度达428℃，最大压力达18.8 MPa。10年来，还经历了10多次计划停工和20余次非计划停工。非计划停工的原因，大多是由于配套装置或水、电、汽系统出现故障而引起的。有几次是由于反应器床层温度超温等原因，特别是在投用初期，由于缺乏对热壁反应器使用的经验，造成床层温度陡升，不得不采取启动2.1 MPa/min放空阀紧急泄压措施。最严重的一次床层超温，曾使壁温达到了465℃。
　　为了解和掌握反应器本体在运行后的内在质量及其变化，1990，1994，1996，1998年曾采用外观和磁粉、渗透、超声等检测方法进行了检查。检查确认，所有焊道未发现异常；有关部位的金相检验结果表明，显微组织无变化，堆焊层基本完好，仅在1994年的超声检测中发现第Ⅱ筒节和第Ⅴ筒节(筒体共9个筒节)上分别有1处和2处大于Ф 4 mm当量缺陷，1998年超声检测时发现第V筒节上又有一处Φ4 mm当量的缺陷，判定为剥离，但剥离尺寸都较小，另外在1998年的渗透检测中发现催化剂支承凸台表面上有几条很小的表面微裂纹，但对使用没有影响。因此，可以说，首台国产化锻焊热壁结构加氢反应器是很成功的，质量是好的，不但经受了10年运行的考验，还完全可以继续地长期安全运转下去。

4　我国加氢反应器技术的实力与进步

4.1　制造能力与大型化进展较快
　　近年来，我国已设计、制造了内径达4.2 m和重量约1 kt的大型加氢反应器。而且制造周期也有所缩短，过去制造一台反应器一般需要16～18个月，近年来仅需要13个月。表2是我国近10年在反应器制造方面大型化的进展情况。

表2　国产反应器大型化的进展

时　间19891990199119981998高度/m2218.524.99.526.7内径/m1.83.03.24.23.8壁厚
^{*/mm150200210281263重量/t2204006004661 000　　*未包括堆焊层厚度。}

4.2　反应器的性能与制造质量有很大提高
　　自第一台国产锻焊结构热壁反应器问世以来，国内所需的反应器大多数都由国内制造供应。而且随着经验的积累和技术的进步，所制造的反应器性能和质量也有很大提高。表3列举了不同年代由一重厂制造的反应器母材中一些对安全使用有影响的化学元素和参数的变化。表4为280 mm厚窄间隙焊道的回火脆化性能。

表3　冶金质量对比

年份筒节数化学成分分析/
μg^{.g-1系数J系数X备注PS1989940～11050～14052.2～88.27.7～12.4　1999950～6010～2049.6～64.08.5～10.3材质为新
Cr-1Mo钢}

表4　280 mm厚窄间隙焊道的回火脆化性能

vTr54vTr′54vTr54＋3ΔvTr54－87℃－77℃－57℃

4.3　开发了大型反应器的现场组焊技术
　　设备大型化后给有的建设现场的整体运输带来困难或受到限制，为此有必要开发现场组焊技术来解决这一矛盾。一重厂研制出了反应器升降用工装、组焊用活动基础、龙门式窄间隙焊机、环形热处理炉、密封面机加工动力头、射线检测现场防护等特殊装备，从而于1996年实现了2台大直径热壁加氢反应器的现场组焊。
4.4　建立了反应器内件实验研究装置
　　反应器内件性能的优劣，将与开发的催化剂性能一起体现出加氢工艺过程的先进性和经济效益。10多年来，国内对这方面的研究给予很大重视，建立了一些冷模试验装置，研究开发了一些分配器和急冷氢装置，已在工业装置的应用中显示出良好的效果，并获得了专利。
4.5　已开发出反应器用加钒的新Cr-Mo钢
　　为适应加氢工艺高温高压化和设备大型化的需要及进一步改善现有Cr-Mo钢对环境强度的适应性(包括提高现有钢材的抗氢腐蚀、氢脆、回火脆性及堆焊层剥离的能力等)，90年代初，由原中国石油化工总公司重大装备国产化办公室组织一重厂、中国石化北京设计院、洛阳石油化工工程公司、抚顺三厂、新疆石油管理局克拉玛依炼油厂组成攻关组，加速对添加钒的3Cr-1Mo钢的开发，并正式列入国家“九五”科研计划。通过一个用90 t钢锭锻制的带有接管的内径1.8 m、壁厚34 mm和长2.6 m的模拟环的研制，于1998年攻克了冶炼、焊接、热处理等技术难关，并完全掌握了此钢材反应器的整个制造工艺。所研制模拟环的化学成分、力学性能和抗环境强度性能等各项指标均达到设计要求。目前一台选用国内自行研制的3Cr-1Mo-_{1/4V新钢材的工业装置用加氢反应器正在制造中,不久即可问世。}