加氢反应器格栅支持圈堆焊层裂纹的成因与安全性判定方法.pdf

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1、第53卷第2期2016年4月化工设置与管遵PROCESSEQUIPMENT&PIPING、，01．53No．2Apr．2016加氢反应器格栅支持圈堆焊层裂纹的成因与安全性判定方法艾波，谢育辉，毕林涛，任相军(中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东青岛266071)摘要：分析了加氢反应器支持图表面不锈钢堆焊层经常出现裂纹的主要原因，包括盯相转变、氢脆、应力集中及热应力的影响，并提出了在反应器制造与操作中可以采用的应对措施，尽可能降低出现裂纹的可能性。对于已经出现裂纹的反应器，给出了判定裂纹是否会失稳扩展的方法，该方法可以用来对现有裂纹做

2、安全性评价，也可以用于指导支持圈的设计，在设计中留有充足的安全裕量。关键词：加氢反应器；堆焊层裂纹；安全性评价中图分类号：TQ050．3；TH17文献标识码：A文章编号：1009—3281(2016)02．0033．004加氢反应器是各种加氢工艺过程或者加氢装置中的核心设备，其操作条件苛刻，长期在高温、高压临氢环境下工作。加氢反应器的制造难度大，造价昂贵，且一旦发生事故后果将十分严重，所以工业界对加氢反应器的设计制造给予了极大的重视。在加氢反应器运行中出现的问题中，奥氏体不锈钢堆焊层开裂是最常见到的现象之一。堆焊层开裂发生的主要部位集中

3、于催化剂格栅支持圈拐角及法兰梯形槽密封面的槽底拐角处等。1994年，仅在金陵石化公司的3台加氢反应器中就发现了37条堆焊层裂纹，其中23条位于支持圈堆焊层处“j。目前尚无定量的安全性判定方法，判定这些裂纹是否还会继续扩展，影响反应器的安全使用[2-4]。本文从分析支持圈堆焊层材料性能出发，结合反应器工作环境，分析了支持圈堆焊层开裂的原因。在此基础上提出了判定支持圈堆焊层安全性的方法，本文提出的方法既可以用来指导支持圈的设计，也可以用于判断支持圈堆焊层已有裂纹是否会扩展时参考。1支持圈堆焊层裂纹产生原因与应对方法目前反应器格栅支持圈一般采

4、用双层堆焊的形式，母材一般为2．25CrlMo或2．25CrlMoV，与母材过渡的第一层堆焊采用TP309，之后在TP309表面再堆焊TP347。1．1堆焊层金属的拥转变为了避免奥氏体不锈钢在焊接过程中产生的热裂纹，通常规定奥氏体不锈钢堆焊层中含有一定量的铁素体。但是铁素体在高温条件下会转变成口相，导致堆焊层的脆化【5】。当堆焊层TP347在焊态+热处理的状态，在临氢环境中，断后伸长率可低至10％以下【6]，与一般技术条件中对规定铬钼钢母材伸长率大于18％～22％相比，差距很大。一般工程中以5％的断后伸长率为界区分塑性与韧性材料。从这点

5、上说，堆焊层在临氢环境下的性能更接近于脆性材料。1．2堆焊层中氢的聚积氢在加氢反应器铬钼钢母材和奥氏体不锈钢堆焊层中的溶解度和扩散能力有着较大差异。奥氏体不锈钢堆焊层中饱和氢浓度大于母材，而氢的扩散系数小于母材，在正常工作条件下，TP347和TP309堆焊层中的氢浓度要远大于母材中的氢浓度口】。而在停工过程中，堆焊层中的氢扩散速度相对母材而言较低，导致堆焊层与母材中的氢浓度差距进一步加大，堆焊层中氢的浓度可达母材中氢浓度的10倍以上【8】。堆焊层处氢浓度过高，这也将会导致堆焊层的脆性上升，发生脆性开裂的可能大大提高p。21。收稿日期：2

6、015—07—24作者简介：艾波(1987一)，男，陕西米脂人，工程师。从事炼厂静设备设计工作。化工设置与誓遵第53卷第2期1．3应力集中的影响对某加氢反应器支持圈进行三维建模，该格栅通过两根支撑梁将载荷传递至支持圈，简化起见，只对一根梁做应力分析。根据上述条件进行建模，并做出应力水平分析。得到结果如图1所示。从应力云图中可以清晰看到，在支持圈根部存在着较大的应力集中现象。脆性材料在应力集中区域，容易产生脆性开裂。1．4热应力的影响图1最大主应力分布Fig．1Distributionofmaximumprincipalstress反应器

7、母材的导热系数远远大于堆焊层材料，堆焊层的热膨胀系数大于母材的热膨胀系数。因此，反应器开工时，随着温度的升高，奥氏体不锈钢与Cr-Mo钢母材间的膨胀差也在不断增大，在400℃下，其膨胀差可达1．676mm／m。如果在操作过程中出现飞温，膨胀差将增大，壳体的凸台、接管与密封槽等堆焊层的应力集中部位会产生高的热应力：反应器停工时，母材的温度会迅速下降，而堆焊层的温度下降缓慢，尤其是停工速度过快时，堆焊层的应力集中部位也会产生高的热应力。热应力与应力集中会使这些部位的堆焊层屈服并产生屈服应变，加氢反应器在使用期间的开、停工以及操作过程中可能出

8、现的飞温工况，将使这些高应变部位产生应变疲劳【3】。在堆焊层的高应力集中部位，当堆焊层脆化现象严重时，如果加氢反应器开停工温度变化速度过快，那么当其开、停工到一定次数，堆焊层处就容易出现裂纹【l31。1．5