浅谈加氢反应器产品及制造缺陷分析

浅谈加氢反应器产品及制造缺陷分析

刘石

一重集团大连核电石化有限公司，辽宁大连， 116113

摘要：加氢反应器主要应用于石油工业中，将最难利用的重制部分渣油加氢转化为轻质油，从而生产出汽油、柴油等重要动能燃料。本文主要对加氢反应器结构特点及制造过程中产品的缺陷进行阐述分析。

关键词：加氢反应器；石化化工；焊接缺陷

一、引言

加氢，分为加氢精制，加氢处理和加氢裂化。加氢精制一般是对某些不满足使用要求的石油通过加氢进行再加工，使之达到规定的性能指标；加氢处理是对于那些劣质的重油和渣油利用加氢技术进行预处理，主要是为了得到易于进行其他二次加工的原料，同时获得部分较高质量的轻质油品（这一过程也可叫做加氢精致）；加氢裂化是重要的重油轻质化加工手段，以重油或渣油为原料，在一定的温度、压力和有氢气存在的条件下进行加氢裂化反应，获得最大数（转化率可达90%以上）和较高质量的轻质油品。

二、加氢反应器分类

加氢反应器分类（按照工艺流程及结构分类）：1）固定床反应器；2）移动床反应器；3）流化床反应器，固定床反应器使用最为广泛。

固定床反应器是指床层内固定催化剂处于静止状态。特点：催化剂不易磨损，催化剂在不失活情况下可长期使用；主要始于加工固体杂质、油溶性金属含量少的油品。

反应器中催化剂分层放置，各层之间注入冷却介质（冷氢）以调节反应温度。原料油和氢气混合物经反应器入口扩散器后自上而下并流过催化剂床层。原料油和氢气经预热到适当温度在反应器中反应。加氢过程由于存在有气、液、固三相的放热反应，欲使反应进料（气、液两相）与催化剂（固相）充分、均匀、有效地接触，加氢反应器设计有多个催化剂床层，在每个床层的顶部都设置有分配盘，并在两个床层之间设有温控接头（冷氢箱），以确保加氢装置的安全平稳生产和延长催化剂的使用寿命。

三、反应器内部结构介绍

反应器内设置有入口扩散器、积垢篮、卸料管、催化剂支撑盘、出口捕集器、气液反应物流分配盘、冷氢箱、热电偶保护管和出口收集器等反应器器内构件。

1）入口扩散器：来自反应器入口的介质首先经过入口扩散器，在上部锥形体整流后，经上下两挡板的两层孔的节流、碰撞后被扩散到整个反应器截面上。

其主要作用为：一是将进入的介质扩散到反应器的整个截面上；二是消除气、液介质对顶分配盘的垂直冲击，为分配盘的稳定工作创造条件；三是通过扰动，促使气液两相混合。

2）分配盘：国内加氢反应器所使用的反应物分配器，按其作用原理大致可分为溢流式和抽吸喷射式两类。在催化剂床层上面，采用分配盘是为了均布反应介质，改善其流动状况，实现与催化剂的良好接触，进而达到径向和轴向的均匀分布。

3）积垢篮：由不同规格的不锈钢金属网和骨架构成的篮框，置于反应器上部催化剂床层的顶部，可为反应物流提供更大的流通面积，在上部催化剂床层的顶部捕集更多的机械轧制的沉积物，而又不致引起反应器压力过快地增长；积垢篮框在反应器内截面上呈等边三角形均匀排列，其内是空的，安装好后须用不锈钢链将其串联在一起，并牢固地拴在其上部分配盘的支撑梁上。

4）催化剂支撑盘：由T形大梁、格栅和丝网组成。大梁的两边搭在反应器器壁的凸台上，而格栅则放在大梁和凸台上。格栅上平铺一层粗不锈钢丝网和一层细不锈钢丝网，上面就可以装填瓷球和催化剂了。催化剂支撑大梁和格栅要有足够的高温强度和刚度，即在420℃高温下弯曲变形也很小，且具有一定的抗腐蚀性能。因此，大梁、格栅和丝网的材质均为不锈钢，在设计中应考虑催化剂支撑盘上催化剂和磁球的重量、催化剂支撑盘本身的重量、床层压力降和操作液重等载荷，经过计算得出支撑大梁和格栅的结构尺寸。

5）催化剂卸料管：固定床反应器每一催化剂床层下部均安装有若干根卸料管，跨过催化剂支撑盘，物料分配盘及冷氢箱，通向下一床层，作为在反应器停工卸除催化剂的卸剂通道。

冷氢管：烃类加氢反应属于放热反应，对多床层的加氢反应器来说，油气和氢气在上一床层反应后温度将升高，为了下一床层继续有效的需要，必须在两床层间引入冷氢气来控制温度，将冷氢气引入反应器内部并加以散步的管子被称为冷氢管。冷氢管按形式分直插式、树枝状式和环形结构。

6）冷氢箱：实为混合箱和预分配盘的组合体，它是加氢反应器内的热反应物与冷氢气进行混合及热量交换的场所，其作用使将上层流下来的反应产物与冷氢管注入的冷氢在箱内进行充分混合，以吸收反应热，降低反应物温度，满足下一催化剂床层的反应要求，避免反应器超温。

7）冷氢箱的第一层为档板盘，挡板上开有节流孔，由冷氢管出来的冷氢与上一床层反应后的油气在挡板盘上先预混合，然后由节流孔进入冷氢箱。进入冷氢箱的冷氢气和上层下来的热油气经过反复折流混合，就流向冷氢箱的第二层-筛板盘，在筛板盘上再次折流强化混合效果，然后再做分配，筛板盘下有时还有一层泡帽分配盘对预分配后的油气再做最终的分配。

8）出口收集器：出口收集器是个帽状部件，顶部有圆孔，侧壁有长孔，覆盖有不锈钢网，其作用主要是阻止反应器底部的瓷球从出口漏出，并导出流体。反应器底部的出口收集器，用于支撑下部的催化剂床层，较小床层的压降和改善反应物料的分配。出口收集器与下端封头接触的下沿开有数个缺口，供停工时排液用。

9）热电偶：为监视加氢放热反应引起床层温度升高及床层截面温度分布状况而对操作温度进行监控。

四、反应器焊接缺陷分析

1）TP347不锈钢厚壁焊缝表面裂纹

渣油加氢热高分设备及管道热态考核的表面在对应法兰之间的焊缝及靠向同心异径管侧的母材上发现裂纹等线性缺陷。

缺陷说明及处理：管道使用的是国产347，在应用过程中管道上出现了大范围的缺陷，主要发生在弯头、三通、大小头上，冷态未发现，热态考核后发现裂纹缺陷。

TP347不锈钢厚壁焊缝表面裂纹，确定该裂纹为表面裂纹，选用打磨清除；打磨过程中，发现有裂纹扩展倾向，数量也增多，后采用先打磨裂纹周围区域，再打磨清除裂纹，效果良好。打磨后的厚度满足要求。

缺陷分析：认为可能使在成型过程中由于结构的变化，虽然经历过固溶化及稳定化处理，但仍有不均匀的现象产生，同时由于异径管壁厚较厚，线膨胀系数较大，在组焊的过程中，受到焊接拉应力影响，在焊缝及焊缝侧母材浅表面下形成微小裂纹，在常规PT中发现不了，但是热态考核后，与产生的热应力叠加相互作用，局部应力过大暴露出来。

2. 堆焊层点蚀缺陷

在对加氢反应器进行全面检验时发现内部经宏观检查发现堆焊层局部存在点蚀坑，蚀坑最深为1.1mm，其余均在0.4-1.0之间，堆焊层厚度为3.5+4mm（过渡层厚度3.5mm，材质为E309，表层厚度4mm，材质为E347），内壁未发现表面裂纹。

原因分析：对点蚀部位进行金相组织分析，分析为金相组织为奥氏体+铁素体（枝晶状），连续沟状组织（晶界被腐蚀，形成连续沟状组织），经了解，该反应器采用过约半年时间的脱氯处理工艺，初步判断该反应器内部堆焊层的点腐蚀为Cl-造成的腐蚀。

缺陷清除及返修：热处理脱氢处理，打磨清除缺陷，PT检测，进行测厚，对于≤7.5mm的采用手工电弧焊或氩弧焊进行补焊，然后打磨测铁素体和PT探伤。

作者简介：刘石（1984-），男，辽宁抚顺人，硕士研究生，研究员，主要焊接技术及生产方面工作。