高压加氢装置管道材料工程设计研究

高压加氢装置管道材料工程设计研究

谭垒

身份证号码511324199408163399

摘要：高压加氢装置主要有加氢精制、加氢处理、加氢裂化、渣油加氢、润滑油加氢等几种类别，工况条件复杂、严苛，主要工艺特点是高温、高压、临氢、含硫及硫化氢等腐蚀性介质。通常加氢装置高压管道指不小于PN150的管道。加氢装置高压管道多，运行风险大，因此高压管道工程材料的设计是否合理，将直接影响装置的安全运行、工程投资及建设工期。本文针对高压加氢装置反应系统高压工艺管道的工程材料设计及相关工程问题进行分析与探讨。

关键词：加氢装置、管道材料、设计研究

一、管道选材原则

石油化工装置管道材料，应根据管道级别、设计温度、设计压力和介质特殊要求等设计条件，以及材料的耐腐蚀性能、加工工艺性能、焊接性能和经济合理性等选用。加氢装置高压管道的腐蚀环境比较复杂，主要腐蚀形式有高温氢损伤、高温硫腐蚀、氢／硫化氢腐蚀、湿硫化氢腐蚀、NH4Cl／NH4HS腐蚀、连多硫酸应力腐蚀开裂等，当加工高酸原油时还应考虑高温环烷酸腐蚀，因此选材时应特别注意材料的耐腐蚀性能。由于同一部位可能存在一种或多种腐蚀类型，因此在选材时应依据具体工况条件综合分析，一般按照下述原则进行。（1）操作温度不低于200℃的含有氢气介质的管道，应根据管道介质最高操作温度加20～40℃的裕量和相对应的氢分压，根据APIRP941中的Nelson曲线来选用合适的临氢用钢。（2）操作温度不低于240℃，介质中含有硫化物腐蚀介质的管道，应按照修正的McConomy曲线，介质中的硫含量和操作温度为参考，估算各钢种的腐蚀速率和腐蚀裕量，从而选择合适的管道材料。（3）操作温度不低于250℃，介质中含有高温氢和硫化氢的管道，应根据操作温度及介质中硫化氢的摩尔分数，按照Couper曲线计算相应材料高温氢／硫化氢环境下的腐蚀速率，选择合适的材料。（4）加氢装置空冷系统的介质中含有NH4Cl／NH4HS腐蚀介质，应根据压强平衡常数、介质流速、NH4Cl和NH4HS浓度等因素，选择合适的材料。（5）湿硫化氢环境下管道的选材既要考虑管道壁厚的均匀减薄又要考虑湿硫化氢应力腐蚀开裂。（6）可能产生连多硫酸应力腐蚀开裂的奥氏体不锈钢管道，应选用稳定型不锈钢或超低碳不锈钢。

二、对高压管道的工程设计研究

（一）管道元件制造

对于加氢装置高压用管道、管件、阀门等管道元件，除满足标准要求外，设计单位一般从原材料冶炼、化学成分、杂质元素含量、制造工艺等方面提出附加要求，以保证产品性能满足安全使用的要求。

（二）现场焊接

管道的安装绝大部分是在现场组焊，焊接质量是影响管道安装质量的关键因素。对于高压管道的环焊缝，一般采用单面焊，焊接工艺大多采用氩弧焊打底，然后进行手工焊填充和盖面。近年来随着装置大型化，为提高效率，部分管道采用了自动焊工艺。同时，对于焊接材料的选用、焊工的资质、焊接工艺的执行等均有比较严格的要求。

（三）无损检测

焊缝的无损检测，是保证焊接质量的一项重要措施。对于高压管道，一般要求100％无损检测。根据现行施工规范的要求，加氢装置厚壁管道对接焊缝要求采用射线检测（RT），对碳钢和合金钢管道角焊缝采用磁粉检测（MT），对奥氏体不锈钢及镍基合金管道角焊缝采用渗透检测（PT）。对于现场安装的对接环焊缝，当采用RT检测时，常采用双壁单影透照。受X射线机的能力限制，当管道壁厚大于25mm时，就只能采用γ射线检测，但是γ射线检测对安全防护要求严格，检测点附近若有其他正在运行装置或公共设施，其安全防护距离往往达不到要求。此外，由于RT检测具有放射性，检测一般安排在夜间现场无其他作业时进行，对工期有严重影响。因此，RT检测往往成为加氢装置厚壁管道施工后期的难点。

随着装置的不断大型化，以上问题越来越突出。近年来，一些新型的无损检测技术已应用于厚壁承压设备的焊缝检测，比如超声波衍射时差法（TOFD）和相控阵超声波检测（PAUT）。相对传统的超声波检测，TOFD，PAUT检测对缺陷定量准确，对缺陷性质有一定判断力，且有检测记录。但TOFD，PAUT仍未克服超声波检测的一些缺点，比如对检测图像的识别、缺陷性质的判断准确性受人为影响较大，检测设备投资高等。TOFD，PAUT检测目前仅在碳钢、合金钢管道上逐步使用，对于奥氏体不锈钢及镍基合金材料的厚壁管道，目前尚没有既满足规范要求又有较好检测效果的检测方法。针对装置大型化带来的管道对接焊缝无损检测的困难，以及新型检测技术的不断成熟，应对管道施工验收规范进行及时的修订，推动先进的无损检测技术应用于管道检测。

（四）焊后热处理

对于加氢装置高压碳钢管道，当应用于湿硫化氢环境或管道名义壁厚大于19mm时，焊后应进行消除应力热处理。对于铬钼合金钢管道，无论壁厚多厚，一般均要求进行消除应力热处理，以避免产生延迟裂纹。对于奥氏体不锈钢TP321，TP347管道，是否进行焊后稳定化热处理，目前存

在不同意见。加氢装置高压管道常用的稳定型奥氏体不锈钢TP321，TP347在370～870℃温度区间升温或降温时，会产生晶间腐蚀的敏感性问题，即此温度区间为奥氏体不锈钢的晶间腐蚀敏化区，而在加氢装置中此类不锈钢管道恰恰多在400℃以上运行，从而会有发生晶间腐蚀的倾向，对其抗腐蚀性能特别是停工期间抗连多硫酸应力腐蚀开裂的能力有较大影响。因此，对TP321，TP347进行稳定化热处理的优点是可以提高焊缝抗晶间腐蚀的能力，同时消除焊接残余应力，提高其抗应力腐蚀能力。但施工过程中也发现TP321，TP347材质管道焊缝经过稳定化热处理后，部分焊缝出现裂纹，且随着壁厚的增加，裂纹程度越严重。同时，稳定化热处理也增加了工程费用，延长施工工期。近年来，随着装置的大型化，高压加氢装置材料TP321，TP347不锈钢管道的公称直径和壁厚也不断增加，在现场稳定化热处理后管道的焊缝出现裂纹的机率呈上升趋势。

国外有文献基于工业经验推荐了TP321和TP347管道焊接状态下（未进行焊后热处理）在炼油工业的使用温度，具体如下：TP321不锈钢不进行焊后热处理可达427℃，TP347不锈钢不进行焊后热处理可达454℃。按照该文献，加氢装置中的大部分不锈钢管道可不进行焊后热处理，而在国内外工程项目中也有不进行焊后稳定化热处理且成功长期运行的工程实践。但国内加氢装置以往大多要求对TP321，TP347管道进行焊后稳定化热处理，因此，若不进行焊后稳定化热处理，部分业主担心出现连多硫酸应力腐蚀开裂和在温度较低的部位产生应力腐蚀的问题。因此，对于现场施工的TP321，TP347管道焊缝是否进行稳定化热处理，目前仍存在争议。

根据近几年的工程实践，对于壁厚大于30mm的不锈钢管道，是否进行焊后热处理，需要进行谨慎的风险评估。当TP321管道操作温度低于425℃，TP347管道操作温度低于450℃时，若不进行焊后热处理，需要从管道焊接工艺评定、焊接过程、材质（包括焊接材料）、装置停工期间的保护等方面进行控制。对此类管道若不进行焊后热处理，建议采取以下措施。（1）母材及焊接工艺评定的晶间腐蚀试验满足要求。（2）采用线能量较低的焊接工艺，并保证较低的层间温度。（3）母材的晶粒度应避免粗大，并应均匀，母材和焊接材料杂质元素的含量应尽量低。（4）停工期间应采取避免形成连多硫酸的措施。（5）焊缝的铁素体含量应控制在3～10FN。另一方面，如果需要对不锈钢管道进行焊后热处理，应尽可能采用整体热处理，可采用分段预制的方法。采用局部热处理时，需要避免壁厚方向的温度梯度过大。热处理后对焊缝清理并进行渗透检测（PT），以便及时发现可能产生的裂纹。

参考文献：

［1］姜万军.加氢装置厚壁管道无损检测方法的选择［J］.化工设备与管道，2018，55（6）：61-64.

［2］王庆晖，田波清.TP347不锈钢焊后稳定化热处理工艺［J］.电焊机，2016，46（4）：118.

［3］姜万军，王金富，司马靓明.加氢装置用奥氏体不锈钢管道焊后热处理探讨［J］.炼油技术与工程，2019，49（1）：46.