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1、一页3Cr - 1Mo低合金钢加氢裂化压力容器的脆化和寿命评估摘要被广泛用于炼油厂和石化厂里的压力容器的铬钼钢有氢化和回火脆化的潜力。在长期使用过程中，脆化导致的脆性断裂的临界尺寸减小和/或压力容器剩余寿命的减少。这个实验是研究高温和高压氢气对3Cr - 1Mo钢低合金钢材制造的容器的影响。检查表明，母材的裂纹最初由于焊接缺陷形成，并且计算表明裂纹不会扩展。因此，可以预测，压力容器操作在正常情况和定期监督下可以继续进行。关键词：加氢裂化压力容器; 3Cr - 1Mo钢低合金钢;回火脆化;裂纹增长1引言以前，石油行业对压力容器的材料选择主要集中在安全和经济问题上，这避免了突发设备故障。但是，最近
2、对当前工厂寿命的延长需要远远超过其原先预计的持续时间也成为一个重要的问题1。考虑到世界上的许多炼油厂和加工厂已经达到或超过其设计寿命的事实，焊接压力容器完整性的评估日益重要，容器中氢或含氢流体在高温下运转 2。在石化行业和炼油厂，低碳钢、低合金钢通常用于这些情况中。这钢材主要包括VCr, Mo或 V等重要的合金元 3。二页在石油化工行业越来越多的使用（FFS）评估的适应性，连同对工人的安全和工厂完整性的改进。（FFS）评估通过增加检测间隔节省了很多资金，避免必要的修理或增加了压力容器寿命。铬钼钢压力容器有的潜在回火脆化导致韧性下降，脆性断裂的临界裂纹尺寸减小。反应器的安全必须通过使用中的检查才
3、能得到保证，。如超声波测试，以及测试结果的分析来评估容器的剩余寿命6。回火脆化转变使韧性脆性转变温度达到更高的值，断裂韧性相应减少。在这种情况下，失效的风险不是发生在操作条件下而是发生在启动和关闭时。回火脆化的发生是由于诸如砷、锑、锡、硫、磷和杂质在热处理或高温使用中的晶界偏析7。 Hippsley和Lewandowski 8指出，.硫富集晶界被检测出在形核断裂前。Watanabe et al. 1提出了一种把杂质元素回火脆化的脆化因数J ，定义为其中各元素浓度以重量百分比表示。其它氢气或含氢化合物表面的退化是氢脆。这脆化的主要影响表现为降低塑性和降低裂纹扩展的强度临界应力 1,9。人们普遍认
4、为，导致回火脆化的元素提高了氢脆敏感性7。这个调查已经在一个厚壁加氢裂化压力容器中评估脆化和估算剩余寿命。 2材料和实验程序加氢裂化压力容器是由3Cr - 1Mo钢制造，使用了大约28年。正常工作的温度范围为380C至455 C，氢气压力为16.94MPa。压力容器内部是重叠的3-5mm厚347型不锈钢的焊接金属。表1列出了压力容器其它的重要特性。表1压力容器特性最大操作温度 455设计屈服强度(室温) 516.8 MPa设计屈服强度(470) 414.3 MPa设计Charpy energy(10) 47.45 J底部金属厚度 186 mm重叠厚度 35 mm容器外半径 2.81 m超声波检
5、测（SWUT）的波长较短的脉冲、磁性颗粒和染料渗透方法用于检测任何裂纹失效，用便携设备检测容器轴线部分的几个点的硬度包括焊接，热影响区（HAZ）和底部金属，评估化学分析的样品室取自压力容器不同部位的经研磨的粉末。实验和计算流程图如图1所示：图1.测试程序和计算的流程图结论容器的化学成分是通过原子吸收法分析的，结果如表2、表3所示，表中列出了压力容器布不同的区域的平均氏硬度值。由超声波技术发现的唯一显着的检测裂纹是在环形焊接的中部，它的尺寸为50毫米到 42毫米到12毫米。图2显示原理图形和裂纹的位置。三页表2容器的化学成分分析表3容器不同区域的平均硬度值4计算和脆化评估使用脆化因素和断裂力学来
6、评估压力容器的情况。在计算中，每当没有3Cr - 1Mo压力容器合金钢数据不足时就采用2.25Cr - 1Mo钢低合金钢的信息。图（1）显示了断裂力学基础上的断裂准，裂纹长度一半的计算,a6 是脆性断裂的临界裂纹尺寸。方程（2）是计算嵌入式裂纹的临界裂纹尺寸 其中是断裂强度， Q是缺陷形状参数，是外加应力。 关于硬度测量，屈服强度约430 MPa 10。根据表2的J 因素可以计算出来。四页这一因素揭示了压力容器回火脆化量，未使用的、先进的反应器种材料的值约100。据J 因素计算出断口转变温度（FATT）是如6下; 这种情况下可以得到两种压力源，一种是压力容器内部的外加应力，另一种是焊缝区的残余
7、应力。基于检测裂缝的形状和位置，环向应力是可以导致裂纹的外加应力的最重要的组成部分施。这种压力可以通过等式11计算出其中是环向应力，是内部压力，和分别为内外半径。关于美国石油学会（API），对含有裂纹缺陷12的部件的评定应考虑焊缝区的残余应力。方程（6）列示了如何计算焊缝中的残余应力 五页其中是设计屈服应力，是实际屈服应力。但和13表明，设备使用几年后残余应力会消失，所以在使用几年后不用考虑已被释放的焊缝残余应力。根据公式（7）裂纹形状参数（Q）为2.93 14,15。检测裂纹的应力强度因数计算如下 其中，为外加应力，为内部裂纹长度的一半。根据菲克定律，在裂纹内侧的氢含量为百万分之2ppm 1
8、，因此为 由于，裂纹不会扩展。未来计算裂纹的临界长度，应该从sharpy能量中获得，压力容器的上层CVN与KICUS相关，如下，并认为CVN值已经下降，28年后变为一半。 其中，是实际屈服应力，和的关系为所以内部裂纹临界长度为 由于厚度，压力容器失效是基于在达到破裂标准之前的裂纹。当，裂纹不会扩展，但是如果扩展，扩展比率为 因此，裂纹扩展速率是受限制的，根据上述断裂力学分析，预计压力容器的操作是安全的。5.讨论与结论检测到的裂缝成因不能被发现，因为没有方法。但是，考虑到他的位置（在焊道中），我们可以预测在焊接形成了热裂纹。根据断裂力学的方法，尽管硬化和发生氢脆，检测到的裂纹长度a = 5厘米与临界裂纹长度= 22.5厘米相差很大，其增长速度也非常低，如果压力容器失效，它会在损坏之前泄漏。因此，在日常监管下，压力容器可以在正常工作状态时工作。但另一方面，有关回火脆化的的重点应予以考虑。这意味着启动和关闭的过程应该与FAAT计算一致，大约是180-200 C.换言之，在启动和关闭的过程中压力容器内部压力应不应超过设计压力的301。致谢作者感谢the chief manager of Fars refinery工程师Baizaei为这项研究作出的努力，也感谢工程师米Shadravan和J. Mehraban的技术支持。