加氢裂化装置急冷氢注入管道材料选用分析
本文结合某项目加氢反应器急冷氢注入管道，从工艺流程，管道布置，腐蚀选材，开停车注意事项等方面对冷氢管道的设计进行分析，改善冷氢注入的分支结构。旨在保障反应器和冷氢管道的安全运行。
标签：加氢裂化；反应器；急冷氢；氢气；氢腐蚀
在加氢装置中普遍存在给反应器注入急冷氢的管道，由于冷热温差很大，按照普通管线布置存在很大的安全风险，本文对这一情况引发的材料腐蚀进行深入的分析。
1 工艺流程
反应器是加氢裂化装置中的核心设备，操作条件为高温（400～500℃）高压（13～18MPa）。介质在反应器中反应会释放大量热，需向反应器注入冷氢控制催化剂床层温度，避免飞温等事故工况。
2 冷氢管道的布置
2.1 管道布置
冷氢管线温度一般以止回阀为界，止回阀后温度同反应器一致，阀前温度较高，所以冷氢管道上的止回阀应靠近反应器管口，减小管道受力。法兰靠近反应器布置，检修时把反应器隔离。调节阀组尽量安装于地面，以便在紧急状态下操作。
急冷氢注入反应器前的温度为90℃，反应器温度为450℃，冷热交汇易使法兰泄漏。因此管道布置一般采用π型补偿弯及合适的弹簧支吊架。
2.2 冷氢管道注入结构
如图所示为冷氢注入主管道的分支结构，与常规三通结构区别在于增加了内衬管，衬管一端与主管焊接，沿圆周均布开孔使衬管内外充满介质，不受外力。另一端为活动端，堆焊挡块，活动端可以吸收膨胀带来的热位移，这样冷氢不会直接接触主管道内壁，就不会产生热应力。注入点的上下游还应留有直管段以保证主管的流态稳定。
3 腐蚀机理
3.1 H2+H2S腐蚀
反应器流出物管线的腐蚀环境主要为高温H2+H2S腐蚀。在富氢环境中，原
子氢不断侵入硫化膜使其疏松多孔，因而腐蚀就不断进行。其腐蚀速率主要受H2S浓度、温度、加工物料的影响。若要明显改善钢的耐腐蚀能力，Cr含量至少需要12 %。加入Ni可从实质上改善钢的耐腐蚀能力。可根据Couper曲线来估算材料的腐蚀速率。
3.2 热应力腐蚀
注冷氢管道一般采用TP321或347，在正常工况下，完全可以抵抗介质的腐蚀。但注入的冷氢与主管有350℃以上的温差，大幅的温差使不锈钢内部产生拉应力。金属表面聚集了大量氢原子，氢原子融入晶格、非金属夹杂物、偏析等缺陷处，缺陷处的氢原子通过拉应力诱导扩散向裂纹尖端集聚，并在应力作用下加速扩展直至断裂。在拉应力的作用下，金属晶格膨胀会显著降低金属的塑性和抗拉强度[1]，抗氢致开裂与应力腐蚀开裂性能也会变差，此时氢与热应力起到了促进作用，腐蚀速率要比单独作用时更大。
3.3 开停车腐蚀
3.3.1 连多硫酸腐蚀
当反应器停工检修过程中，有水气冷凝下来，钢材与湿空气中的水和氧发生化学反应，就有连多硫酸生成，而产生腐蚀。连多硫酸应力腐蚀的特征是钢材在拉应力和腐蚀介质共同作用下发生的脆性开裂现象。稳定化奥氏体不锈钢对连多硫酸有一定的抗力，但仍需采取预防措施。主要措施为检修期间使用氮气密封和碱液洗涤等。
3.3.2 氫脆
为了节省投资，管道或局部会使用低合金钢堆焊TP347，在堆焊时必须注意氢脆的问题。氢脆是氢残留在钢中时表现出来的脆化现象。延伸率、断面收缩率和冲击韧性显著下降， 但若使氢较彻底地释放出来，钢材的力学性能能得到恢复。停工时如果冷却速度太快， 吸藏氢来不及逸散出去，残留在管道内壁就会产生氢脆。发生氢脆的温度一般在150℃以下。为防止氢脆，停工过程需增加24～48 小时高于260℃的恒温脱氢程序，确保冷却后所包含的氢低于安全浓度值。
4 管道材料选材及防护
加氢装置管道更多的采用TP321，因为TP347的焊接条件过于苛刻，容易产生延迟裂纹。而急冷氢管线考虑热传导和氢气的危险性，建议选用与反应器流出物管线相同的材质，确保温度降到200℃以下可选用碳钢或低合金钢。高温高压用TP321有以下几点要求：①化学成分S<0.02%，P＜0.025%；②晶粒度按ASTM E112标准进行检测，结果满足4～7级；③高温拉伸按ASTM E21进行试验，一般要求屈服强度大于140MPa；④非金属夹杂 按ASTM E45进行检验。A≤1.0级、B、C、D≤2.0级，且总和小于5级；⑤超声按ASTM E213 进行检验，人工缺陷深度小于壁厚的5%，且不大于1.0mm；⑥热处理固溶温度不低于1040℃，
水冷。稳定化温度900±10℃，最小保温时间；4.7分钟/mm，至少2小时，空冷；⑦硬度最高180HB；⑧晶间腐蚀；ASTM A262 E法。
参考文献；
[1]钟曼英，徐坚.氢对不锈钢堆焊层的力学性能和断裂形貌的影响[J].化工学报，2013（5）：122.
马越（1985- ），男，汉族，北京人，学士学历，中国寰球工程有限公司北京分公司，工程师，研究方向：石油化工管道材料。
