热壁加氢反应器运行中材质劣化现象研究

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1、热壁加氢反应器运行中材质劣化现象研究　　摘要：分析了加氢反应器运行中导致材质劣化的几种脆性现象，介绍评价材料脆性程度的方法，对几种脆性现象的相互影响做了分析并给出了安全评价方法，提出了反应器运行中应遵循的操作要点。关键词：加氢反应器材料脆化安全分析一、概述随着加氢工艺的迅速发展，热壁加氢反应器的数量迅速增加，全面正确的认识加氢反应器中安全运行的影响因素，防止反应器发生脆性失效事故是十分必要的。使用过程中的材质劣化是加氢反应器面临的重大安全问题，原因一方面与加氢反应器的材料特性和制造质量有关，另一

2、方面与其运行历程也有关系。不注重提高反应器制造材料的性能和制造质量，忽视反应器运行时操作规程的严格执行都可能加快反应器材质的劣化进程。本文着重分析反应器材质劣化的三个表现：1.回火脆化；2.氢腐蚀及氢脆；3.蠕变脆化。二、回火脆化7经过淬火的钢材，在特定温度区回火或者在该温度区保温时，其低温冲击值有显著降低的现象，称为回火脆性。热壁加氢反应器用材，主要是从材料具有好的高温性能和抗氢性能出发，采用低Cr-Mo合金钢，这种钢在制造过程中基本不产生回火脆性，主要是长期在回火脆性温度范围内使用而产生的脆

3、性。1.低Cr-Mo合金钢的回火脆性一般特征如下：1.1马氏体或贝式体针状组织的低合金钢，其杂质元素P、Sn、As、Sb等含量对材料的回火敏感性有很大影响。1.2产生脆化温度区为375℃-575℃，在此区域内保温、冷却时产生脆化。1.3脆化发生时表现为材料的夏比冲击断裂韧性值降低，可根据冲击试验时脆性转变温度的上升而判断其脆化程度。1.4该脆化现象具有可逆性，且对应于某温度存在一最大脆化量——饱和脆化量。将钢材在脆化温度以上的温度下保持短时间，脆化可被恢复而消失。脱脆化处理条件一般是在630-6

4、50℃短时加热，以制造时焊后热处理的冷却速度冷却。2.影响反应器材料回火脆化的因素：2.1化学成分7回火脆化是钢材中P、Sn、As、Sb等杂质元素的存在所引起的，P是最能增加回火脆化敏感性的元素，Sn次之，而Sb、As等影响较小。钢中添加Si、Mn元素后，显著的促进P的脆化作用，Si、Mn单独不能引起钢材的脆化，因而采用低Si化或高Si超低P化能有效地降低钢材的回火脆化的敏感性。Cr和Mo对回火脆化的促进作用相近，但它们只相当于Si的一半左右，Cr含量增加，回火脆化敏感性增强；Mo含量在0.5-

5、0.7%时，其脆化敏感性最低，超出此范围，或多或少都会导致脆化敏感性的增加。S元素本身就影响材料的韧性，含S低的钢材，其回火脆化后的韧性好。为了反映钢材中杂质元素对回火脆性的影响作用，工程上常用J-系数来衡量钢板及锻件的回火脆化敏感性：J=（Si%+Mn%）·（P%+Sn%）×104J-系数越大，材料的回火脆化敏感性就越大。2.2热处理条件一般认为奥氏体化温度越高，Cr-Mo钢的回火脆化敏感性就越大。随着钢材淬火冷却速度的增加，脆化敏感性也增大。据资料介绍，当钢材中P+Sn　　反应器用材抗氢腐蚀

6、的选用以纳尔逊曲线为基础。该曲线为动态调整，提出了碳钢、Cr-0.5Mo钢、Cr-Mo钢的使用界限，包括钢材的表面脱碳和内部脱碳。当反应器运转条件变更时，应保证不能离开纳尔逊图的安全区。投入运转的容器，应对运转条件和涉及条件加以对比，使运转参数在安全区内。2.氢脆7加氢反应器临氢环境下长期运行，会有一定数量的氢进入器壁，反应器停工时，大部分氢滞留在器壁之中，导致器壁材质劣化，并可能诱发亚临界裂纹的扩展，表现为氢脆。氢脆主要发生在反应器停工后的200℃以下环境中，Cr-Mo钢氢脆开裂倾向随着其中氢

7、含量的增加而增加。氢脆是由于氢在钢材的聚集而造成材质劣化，氢在钢材中溶解度与温度有关，温度越高溶解度越大，正常的溶解度并不对钢材造成损伤。当反应器温度降低时，若溶解氢不能及时逸出，则形成低温时钢材中氢的过饱和而导致氢脆发生。因此，反应器停工时采取器壁脱氢工艺，能有效地降低氢脆的危害。脱氢工艺一般要求采取缓和的降温速率和器壁200-250℃一定时间的保温。据资料介绍，24小时的恒温脱氢工艺可有效地降低氢浓度至较安全的水平。氢脆及氢腐蚀的主要影响因素是与材料强度水平有关系。氢脆及氢腐蚀是否引起材料产

8、生裂纹或裂纹扩展与材料临界应力强度因子KIH的水平有关，材料在氢环境下的临界应力强度因子KIH与材料的初始KIC相比大为降低，在同样应力条件下产生裂纹或裂纹扩展的可能性大为增加。四、蠕变脆化7当使用温度达到材料熔点的40%以上时，作用力即使保持不变，材料也要产生变形，最后导致断裂的现象称为蠕变。引起蠕变的决定性因素是外部的温度和压力。研究表明，在氢环境中材料的蠕变断裂温度要比在大气中低。材料的焊缝热影响区最易产生蠕变脆化现象。影响蠕变脆化的因素很多。在低Cr-Mo合金钢中，易产生消除应力脆化的材