加氢装置用阀门的材料选择与质量控制.pdf

文章编号10025855 2010 05002304 作者简介 张清双 1971- , 男, 吉林长春人, 工程师, 从事新产品开发和技术管理工作。 加氢装置用阀门的材料选择与质量控制 张清双, 张建伟, 郭 宝, 孙东洋 北京市阀门总厂集团 有限公司, 北京 102601 摘要 介绍了加氢装置用阀门材料的选择依据、材料的质量控制要求以及材料必做的检验项 目。 关键词 加氢装置; 阀门; 材料; 质量控制; 检验 中图分类号TH134 文献标识码A M aterial selection and quality control of valves used in hydrogenation unit ZHANG Q ingshuang,ZHANG Jianw e,iGUO Bao,SUN Dongyang Beijing ValveM FG.Combine Co. ,L td,Beijing 102601,China Abstract M aterial Selection basis and quality contro l asw ell as som e test progra m s for valvesused in hydrogenation unitw as introduced . Key words hydrogenation uni; tvalve ;materia; lquality contro; ltest 1 概述 随着石化工业的发展和对石油产品需求结构的 变化,加氢工艺得到了快速发展和广泛应用,加氢 装置用阀门属于临氢、高温高压操作, 物流易燃易 爆, 因此加氢装置用阀门运行的安全性倍受关注。 近年来, 随着炼制加工高硫原油产品的增加,使加 氢装置用阀门的腐蚀加剧。加氢装置中阀门的主要 腐蚀形式有高温氢腐蚀、高温氢 高温硫化氢腐 蚀、低温 湿 硫化氢腐蚀和连多硫酸腐蚀等, 氢气在高温下的渗透力极强,因此阀门材料的选用 及质量控制极为重要。 2 材料选择 APIRP 941提供了炼油和石油化工厂高温高 压氢气和含氢流体的设备用钢的操作极限, 即纳尔 逊曲线。API RP 941已成为一个单独的指导性资 料, 它与正确的工程判断相结合, 可作为选择高温 高压临氢用阀门抗氢材料的准则。 纳尔逊曲线绘制了高温高压临氢作业的碳钢和 铬钼钢的操作极限 工艺过程温度和氢分压 , 超 过该曲线就可能发生高温氢腐蚀, 导致阀门表面脱 碳、内部脱碳和裂纹。试件和设备最少操作 1年以 上才绘出这些安全点,而事故操作点的标绘则不论 其操作时间的长短。钢材的化学成分应符合 ASTM 等材料标准的规定。由于纳尔逊曲线仅表示材料抗 高温氢腐蚀性能,在利用纳尔逊曲线选择临氢阀门 材料时还应注意其他因素的影响。如 系统中其 他腐蚀介质,如 H2S; 蠕变、回火脆性及其他高 温损伤机理; 可能的叠加影响, 如高温氢腐蚀和 蠕变之间的影响。 纳尔逊曲线上给出的安全温度点和大量数据操 作条件的波动范围为 11∀ , 故在选择材料时应增 加一定的安全裕量。如温度一般可取最高操作温度 加 28∀ , 压力取操作氢分压加 017 MPa 。 3 常用材料 加氢装置用阀门材料的选用应根据介质条件和 腐蚀环境综合确定。 高温条件下, 单纯的氢腐蚀可以按介质中的 氢分压和设计温度, 并附加一定的安全裕量,按纳 尔逊曲线选择抗氢材料。一般情况下,200∀ 以下可 以选用碳钢, 高于 200∀ 的抗高温氢腐蚀可根据纳尔 逊曲线选用 11/4Cr1/2 Mo及 21/4Cr1 Mo材料。 用于高温 H2 H2S环境中的阀门,首先应 232010年第 5期 阀 门 以介质中的氢分压和设计温度, 并附加一定的安全 裕量,根据纳尔逊曲线进行预选材,然后再以介质 中的 H2S含量和设计温度为参数, 根据 McConomy 曲线计算预选材质的腐蚀速率, 所选材质的腐蚀速 率不宜超过 025mm /a 。当选用奥氏体不锈钢时, 应选用 18Cr10NiT i或 18Cr10N i Cb等稳定型奥氏体 不锈钢。 4 质量控制 加氢装置用阀门属 A级管道阀门,其铸件和 锻件的质量是决定阀门质量的关键因素,因此, 铸 件和锻件的质量必须按标准规范加以控制。 41 铸钢件 碳素钢和合金钢应采用电炉、氧气转炉加炉外 精炼, 或电渣重熔法冶炼。不锈钢应采用电炉加炉 外精炼, 或电渣重熔法冶炼, 以减少钢中的杂质, 钢中的 S和 P等有害元素的含量控制在 002 以内。 1 碳素钢铸件 碳素钢铸件抗硫化氢腐蚀时应满足如下要求 应符合 NACEMR 0175和 NACEMR 0103的 规定; 必须是镇静钢; 碳当量 CE∃ 042 ,CE C Mn/6 Cr Mo V/5 Ni Cu/15 , 且 N i 08mm,该铸件应予以报废。 53 铸件检验要求 1 每批铸件至少抽验一次金相结构和浸蚀 试验,试验按 ASTM E 381标准进行。试验铸件应 无枝晶和柱状组织,不允许有尺寸大于 ASTM E 45标准中的 25级的偏析和带状不均匀组织, 不 允许有条状夹渣和裂纹,其非金属夹带物应不低于 ASTM E45标准表 3。试件应选在条件比较苛 刻的区域,如形状突变区。检查结果如不满足上述 的任何一条, 应加倍抽检数量, 如仍有不合格, 则 该批铸件应重新进行热处理或予以报废。 表 3 非金属夹带物 夹带物等级 硫化物∃ 15级 硅酸盐∃ 25级 氧化铝∃ 25级 球化氧化物∃3级 总级别数∃ 85级 2 承压铸件应逐件进行射线探伤检查, 检 查按 AS ME B 1634和 M SS SP- 54标准进行, 受 检查件应符合气孔 A 不低于 2级, 夹砂 B 不低于 2级,缩孔 CA、CB、CC、 CD 不低于 2级, 无热裂纹和冷裂纹 D、E,无嵌入物的要 求。 3 对碳素钢和合金钢承压铸件,应逐件进 行磁粉检查, 检查按 ASTM E 709和 M SS SP- 53 标准进行。检查结果应无任何热裂纹和冷裂纹, 任 何线性显示的缺陷长度不大于 2mm,单个圆形缺 陷的 尺寸不 大于 4mm,缺 陷累积 长度 在任何 100mm 100mm 的面积中不大于 2mm。 4 对不锈钢承压铸件,应逐件进行液体渗 透检查, 检查按 ASTM E 165和 M SS SP- 93标准 进行,检查范围为阀体、阀盖和闸板的外表面及可 触及的内表面,受检查零件应无任何热裂纹和冷裂 纹, 缺陷累积长度在任何 100mm 100mm 的面积 中不大于 2mm, 并符合表 4要求。 表 4 液体渗透检查 线性显示 材料厚度 mm 缺陷长度 mm 圆形显示 材料厚度 mm 缺陷直径 /mm ∃ 13 5∃ 13 5 13 25 13 25 8 注 对于线性显示, 各显示之间的分隔距离必须大于可验收的 显示长度。 在一条直线上, 边缘之间相隔∃ 2 mm 006in 的 4个或 更多的圆形显示为不合格。 5 不锈钢铸件晶间腐蚀试验按 ASTM A 262中的 E法进行。 54 锻件检验要求 1 每批锻件至少抽验一次金相结构和浸蚀 试验, 试验按 ASTM E 381标准进行,结果应符合 下列要求 对于碳素钢和合金钢晶粒度应不低于 ASTM E 112标准中的 5级要求,对于不锈钢应不低于 ASTM E 112标准中的 5级,当不锈钢锻件的厚度 大于 100mm 时,允许按不低于 7级评定; 无枝晶和柱状组织; 非金属夹带物应不低于 ASTM E 45标准 表 3; 不允许有尺寸大于 ASTM E 45标准中的 25级的偏析和带状不均匀组织; 斜探头检验时不允许出现任何裂纹,V形槽 深为工件壁厚的 3 ,最大值为 3mm; 无密集缺陷,50cm 2 范 围内的当量 直径 3mm 不超过 5个回波。 3 对碳素钢锻造承压部件的焊接端部和应 力集中区域,应逐件进行磁粉检查, 检查范围为阀 体、阀盖和闸板的外表面及可触及的内表面和阀 杆。检查按 ASTM A 275标准进行,检查部位应无 任何裂纹和白点, 其缺陷累积长度在任何 100 mm 下转第 37页 26 阀 门 2010年第 5期 图 8 流固耦合计算结果 从图 8可以看出,在出口部位,水的流速约为 189m /s, 结合阀体出口面积可求得出口流量约为 346L / s 。比实测值 394L / s低了 48L / s ,两者相 差 12 ,基本满足一般工业模拟要求。从图 9可 以看出, 水流对阀体冲击产生的应力分布不均, 由 于结构形状的突变而产生了应力集中。最大应力发 生在导槽和阀体相交处, 最大值为 10kPa ,远远小 于屈服强度。对比图 9和图 4 ,可以看出在静水压 力和水流冲击两种条件下, 阀体中央部位都承受着 图 9 阀体应力分布 比较高的应力。因此,在阀体结构设计时应重点校 核该位置的壁厚与应力值。从图 10可以看出,阀 体的变形呈带状分布。最大变形位置在阀体的出口 端,最大变形是 818 10 - 3mm, 能够满足使用的 刚度要求。 图 10 阀体变形 5 结语 阀体在流动介质冲击下的应力属于低应力范 围,对变形影响并不显著,所以阀体使用过程中能 够满足刚度和强度要求, 但要注意应力集中部位产 生疲劳裂纹,其影响使用寿命。当阀门壁厚波动 时,会对阀体强度和质量产生影响。 参考文献 ∗1 尚翠霞, 王勇, 谢玉东. 流体控制阀的流固耦合特性 ∗J . 山东大学学报 - 工学版,2008 ,38 611- 14. ∗2 俞树荣, 宗伟, 霍炬, 等. 大口径闸阀阀体强度分析 ∗J . 兰州理工大学学报,2007 ,33 564- 66. ∗3 杨源泉. 阀门设计手册 ∗D . 北京 机械工业出版社, 199243- 45 . 收稿日期201003 25 上接第 26页 100mm 的面积中不大于 2 mm, 并符合表 5要求。 表 5 磁粉检查 线性显示 材料厚度 mm 缺陷长度 mm 圆形显示 材料厚度 mm 缺陷直径 /mm ∃13 4∃13 4 13 25 13 25 7 注 对于线性显示, 各显示之间的分隔距离必须大于可验收的 显示长度。 在一条直线上, 边缘之间相隔∃2mm 的 4个或更多的圆 形显示为不合格。 4 对不锈钢锻造承压部件的焊接端部和应 力集中区域, 应逐件进行液体渗透检查,检查范围 为阀体、阀盖和闸板的外表面及可触及的内表面和 阀杆。检查按 ASTM E 165标准进行, 检查部位应 无任何裂纹和白点,缺陷累计长度在任何 100 mm 100mm 的面积不大于 2 mm, 并符合表 5要求。 6 结语 用于加氢装置的高温高压阀门, 因为系统临氢 并伴有硫化氢腐蚀, 所以应根据使用温度、氢分压 和 H2S分压按纳尔逊曲线及 M cConomy 曲线选择 抗氢腐蚀和抗硫化氢腐蚀的铸钢和锻钢, 加氢装置 用阀门材料的质量控制和检验应严格按照规范执 行,以避免因材料的质量问题引起事故。 参考文献 ∗1 李大东. 加氢处理工艺与工程 ∗M, 北京, 中国石化出版 社,2004. ∗2 吴伟阳,等. 高压加氢装置阀门的工况要求及技术分析 ∗J. 阀门,2006 6. ∗3 韩崇仁. 加氢裂化工艺与工程 ∗M, 北京, 中国石化出版 社,2004. ∗4 SH /T 3075- 2009 . 石油化工钢制压力容器材料选用规范 ∗S. ∗5 APIRP 941 , 炼油厂和石油化工厂用高温高压临氢作用钢 ∗S. 收稿日期201005 06 372010年第 5期 阀 门