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摘要：加氢处理是重质馏分油深度加工的主要工艺之一，它不仅是炼油工业生产轻质油品的重要手段，而且也成为石油化工企业的关键技术，发挥着其它工艺不可替代的作用。本文热壁加氢反应器在炼油工业中的重要性及使用环境作了叙述，可使初涉此设备工作技术入员对加氢反应器的作用、功能有个初步认识。文中分析了热壁加氢反应器的损伤机理，提出了对损伤的降低、避免措施、对反应器内易损伤部位结构的改进型设计和对反应器的运行保护措施，并论述了国内外现阶段对此设备的主要材料的开发与应用，对压力容器制造企业的热壁加氢反应器的设计、制造具有一定指导意义。
关键词：石油化工；重质馏分油深度加工；加氢反应器；选材
1 概述
加氢处理系统具有产品灵活的特点，采用用不同原料可以有选择地生产液化石油气、石脑油、喷气燃料、轻柴油以及润滑油料等多种优质石油产品，其尾油可作为生产乙烯的裂解原料或作为低硫的催化裂化原料。
2 加氢工艺技术
加氢工艺技术包括加氢处理和加氢裂化。加氢处理细分为催化汽油加氢处理、煤油加氢脱硫、柴油加氢脱硫、石脑油加氢脱硫、石蜡和凡士林加氢处理；加氢裂化细分为高压加氢裂化、中高压加氢裂化、渣油加氢裂化、馏分油加氢脱蜡。图1为通用型加氢裂化工艺流程示意图。
3 加氢反应器
3.1热壁加氢反应器的工作原理
原料油品与氢混合，从顶部进入反应器，在温度240～400℃、压力15～20MPa条件下，经过催化剂反应后，得到精制油品。在一台加氢反应器中，根据不同的反应过程或催化剂，将催化剂分为几段，反应过程中为防止物料过热，在设备中部位置另外通入冷氢，冷氢进入冷氢箱进行预分布，再进入下一级催化，产品——轻质油品、精制油品从反应器底部出来。
3.2加氢反应器可能发生的主要损伤型式及对策
3.2.1高温氢腐蚀（HA--HydrogenAttack）
（1）高温氢腐蚀形式
高温氢腐蚀形式有表面脱碳和内部脱碳与开裂。表面脱碳的影响一般很轻，不产生裂纹，其钢材的强度和硬度局部下降而延性有所提高；内部脱碳与开裂是由于氢扩散侵入到钢中发生反应生成甲烷，甲烷聚集于晶界空穴和夹杂物附近，形成很高的局部应力，使钢材产生龟裂、裂纹和鼓泡，并使钢材强度和韧性显著下降。由于这种损伤是发生化学反应的结果，所以它具有不可逆的性质，也称永久脆化现象。其实际的进展是甲烷气泡在晶界形核、成长及气泡串通产生晶间微裂纹，最终这些微裂纹能够连通而形成断裂通道。
（2）影响高温氢腐蚀的主要因素
影响高温氢腐蚀的主要因素如下：1）温度、压力和暴露时间的影响；2）合金元素和杂质元素的影响：不同合金元素的不同含量对抗氢腐蚀的效应各不相同，国内已在氢分压30MPa，加热100小时条件下对合金元素Ti、V、Nb、Mo、W、Cr、Mn、Si、Ni、Cu等对0.1%C钢的抗氢腐蚀进行了试验研究，做出了“抗氢温度界线与元素百分含量的关系曲线，供工程应用参考；3）热处理的影响；4）应力的影响。
（3）抗高温氢腐蚀的材料选用及注意要点
多年来世界各石油化工主要工程公司都是按照原称为“纳尔逊（Nelson）曲线来选择抗氢材料”。“纳尔逊（Nelson）曲线也是随着氢腐蚀研究的发展和新材料的开发应用而修订换版的，现在最新版的纳尔逊曲线为2008年颁布的APIRP（推荐准则）941“炼油厂和石油化工厂高温高压临氢作业用钢”标准上的图线。这些曲线图分别为：氢环境下钢的脱碳和开裂工作极限曲线、碳钢和低合金钢在高温高压氢环境下的操作极限、氢环境下各种钢的操作
极限、高温氢环境下C—0.5Mo和Mn—0.5Mo的脱碳试验曲线。在应用这些图线进行选材时，应该注意以下要点：1）纳尔逊曲线线只涉及到材料抗高温氢腐蚀的性能，它并不考虑在高溫时其他因素引起的损伤；2）由于纳尔逊曲线已经过多次修订，使用时应按照最新版的曲线选用，保证使用的可靠性；3）在实际应用中，焊缝部位的氢腐蚀更是不可忽视的；4）据此图线进行选材时，应尽量减少不利影响的杂质元素含量，注意控制非金属夹杂物的含量和作用应力水平以及进行充分的回火和焊后热处理等对提高钢材抗高温氢腐蚀都是有好处的；5）选材时要留有适当的裕量。
3.2.2氢脆
所谓氢脆，是由于氢残留在钢中所引起的脆化现象。产生了氢脆的钢材，其延伸率和断面收缩率显著下降。氢脆是可逆的，也称作一次脆化现象，氢脆发生的温度从室温50o的范围。随温度升高，氢脆效应下降，当温度超过71℃～82℃时不太容易发生。所以，实际装置中氢脆损伤往往都是发生在装置开、停工过程的低温阶段。为了避免氢脆发生应注意以下要点：1）钢材强度不要超过设计规定值。正确地施行PWHT，且控制焊接热影响区的硬度（21/4Cr-1Mo钢应控制≤220HB）；2）通过无损检测消除宏观缺陷；3）消除残余应力使负荷应力降低；4）开停工时的升降温度和升降压程序。5）在加氢反应器等临氢设备中还存在不锈钢氢脆损伤的现象，其部位多发生在反应器催化剂支持圈的角焊缝上及法兰梯形槽密封面的槽底拐角处。催化剂支撑结构处过去设计的支持圈与简体内壁连接结构见图2；改进后的结构见图3。
3.3加氢反应器材料（新Cr-Mo钢）的开发与应用
3.3.1国外的开发应用
从20世纪80年代初开始，美国石油学会的材料性能委员会（MPC）和日本几乎是同时进行了高温高压加氢反应器用新钢种的开发，相继取得成功。并很快地在工业装置的设备上应用，将加氢反应器技术推进到了一个新时代。
（1）实施方法
1）通过改变原钢号的热处理条件，以提高强度。如将原21/4Cr-lMo钢的回火温度由675℃降低到620℃，从而使抗拉强度由原来的515～690Mpa提高到585～760Mpa；2）在原钢号的基础上添加V，以实现高强度化，同时为了改善钢的其他性能，配套添加了某些合金元素。如cu、Ni、cb、Ti、B、ca等。 （2）开发的钢种
成功开发出的钢种包括增强型Cr-Mo钢：21/4Cr-lMo钢和改进型（Modified）Cr-Mo钢：3Cr一1Mo一1/4V—Ti—B钢、3Cr-lMo一1/4V—Cb—Ca钢、21/4Cr-1Mo一1/4V钢。增强型21/4Cr一1Mo钢是依靠降低原钢号的回火或焊后热处理温度来达到高强度化，因而它的抗氢脆敏感性和氢致裂纹扩展的能力都不及21/4Cr一1Mo钢，且抗氢腐蚀的极限温度也相对较低（被限制在440cC以下）。加钒的改进型Cr—Mo钢的优点体现在强度高、抗氢腐蚀性能大幅提高、抗氢脆性能明显改善、抗回火脆化性能更好以及抗氢致剥离裂纹能力优越。
3.3.2CrMo钢的临界剥离温度
3Cr一1Mo—l/4V—Ti—B钢与21/4Cr一1Mo钢堆焊Tp347不锈钢随环境氢分压增高，其剥离临界温度呈下降趋势。
3.4反应器内构件型式及作用
反应器内件设计性能的优劣将与催化剂性能一道体现出所采用加氢工艺的先进性。对于气液并流的下流式反应器的内件，通常都设有下列部件。
3.4.1入口扩散器
入口扩散器型式目前有双层水平档板式和长圆孔侧隙式两种，其作用在于防止高速流体直接冲击液体分配盘，影响分配效果，从而起到预分配的。
3.4.2气液分配器
气液分配器型式目前有抽吸喷射型和溢流型两种，其作用在于使进入反应器的物料均匀分散，与催化剂颗粒有效接触，从而充分发挥催化剂的作用。
3.4.3积垢篮
积垢篮置于催化剂床层的顶部，系由各种规格不锈钢金属丝网与骨架构成的篮筐，其作用在于为反应器进料提供更多的径向方向的流通面积，使催化剂床层可聚集更多的锈垢和沉积物而不致引起床层压降过分地增加。近年来有采用在顶部装填大孔隙惰性多孔球或脱金属催化剂措施而替代积垢篮。
3.4.4冷氢箱
冷氢箱结构由冷氢管、冷氢盘、再分配盘组成，其作用在于控制加氢放热反应引起的催化剂床层温升，使来自上面床层的反应物料和起冷却作用的冷氢充分混混合，并将具有均匀温度的气液混合物再均匀分配到下部的催化剂床层上。
3.4.5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，从简体上径向插入或从反应器顶封头上垂直方向插入热电偶。以往床层测温基本采用铠装热电偶。近年多数在采用铠装热电偶的同时，还采用了一种称为柔性热电偶的结构，它可在一个热电偶开口接管上设置高密度的测点，并具有快速反应时间（4～8s）和对床层温度飘移能迅速反應等特性，可对床层截面温度进行许多点测量，因而可对工艺过程进行有效的控制。另外，为了监控反应器器壁金属的温度情况也往往在反应器外表面的筒体圆周上或封头和开口接管的相关部位设置一定数量的表面热电偶。
3.4.6出口收集器
出口收集器用于支承下部的催化剂床层，以减轻床层的压降和改善反应物料的分配。
3.5反应器结构设计原则
反应器结构设计原则如下：1）圆筒壳体：应尽量不开大孔（如入孔等）；2）简体与封头采用过渡设计；3）开头补强计算：采用JB4732密集补强；4）冷氢管的设计：需要保温；5）保温结构设计：使壳体金属温度均匀，温差尽量小；6）高压法兰设计：一定要考虑管道载荷。
4 结束语
石油化工重质馏分油深度加工的主要工艺——加氢处理是炼油工业生产轻质油品的重要手段，而且也成为石油化工企业的关键技术。加氢反应器又是加氢处理工艺装置中的关键核心设备。根据加氢反应器的主要损伤型式，论述加氢反应器的选材及新铬一钼钢的开发与应用，并且对反应器内易损伤部位结构提出改进型设计，针对反应器的运行环境的特殊性提出了开停工的保护意见，给加氢反应器的设计、制造给予了一定的技术指导，以利设计、制造的加氢反应器质量更优，使用寿命更长。
参考文献：
[1]《炼油厂工艺与设备——加氢装置静设备》——中国石化工程建设公司：张迎恺编
关键词：石油化工；重质馏分油深度加工；加氢反应器；选材
1 概述
加氢处理系统具有产品灵活的特点，采用用不同原料可以有选择地生产液化石油气、石脑油、喷气燃料、轻柴油以及润滑油料等多种优质石油产品，其尾油可作为生产乙烯的裂解原料或作为低硫的催化裂化原料。
2 加氢工艺技术
加氢工艺技术包括加氢处理和加氢裂化。加氢处理细分为催化汽油加氢处理、煤油加氢脱硫、柴油加氢脱硫、石脑油加氢脱硫、石蜡和凡士林加氢处理；加氢裂化细分为高压加氢裂化、中高压加氢裂化、渣油加氢裂化、馏分油加氢脱蜡。图1为通用型加氢裂化工艺流程示意图。
3 加氢反应器
3.1热壁加氢反应器的工作原理
原料油品与氢混合，从顶部进入反应器，在温度240～400℃、压力15～20MPa条件下，经过催化剂反应后，得到精制油品。在一台加氢反应器中，根据不同的反应过程或催化剂，将催化剂分为几段，反应过程中为防止物料过热，在设备中部位置另外通入冷氢，冷氢进入冷氢箱进行预分布，再进入下一级催化，产品——轻质油品、精制油品从反应器底部出来。
3.2加氢反应器可能发生的主要损伤型式及对策
3.2.1高温氢腐蚀（HA--HydrogenAttack）
（1）高温氢腐蚀形式
高温氢腐蚀形式有表面脱碳和内部脱碳与开裂。表面脱碳的影响一般很轻，不产生裂纹，其钢材的强度和硬度局部下降而延性有所提高；内部脱碳与开裂是由于氢扩散侵入到钢中发生反应生成甲烷，甲烷聚集于晶界空穴和夹杂物附近，形成很高的局部应力，使钢材产生龟裂、裂纹和鼓泡，并使钢材强度和韧性显著下降。由于这种损伤是发生化学反应的结果，所以它具有不可逆的性质，也称永久脆化现象。其实际的进展是甲烷气泡在晶界形核、成长及气泡串通产生晶间微裂纹，最终这些微裂纹能够连通而形成断裂通道。
（2）影响高温氢腐蚀的主要因素
影响高温氢腐蚀的主要因素如下：1）温度、压力和暴露时间的影响；2）合金元素和杂质元素的影响：不同合金元素的不同含量对抗氢腐蚀的效应各不相同，国内已在氢分压30MPa，加热100小时条件下对合金元素Ti、V、Nb、Mo、W、Cr、Mn、Si、Ni、Cu等对0.1%C钢的抗氢腐蚀进行了试验研究，做出了“抗氢温度界线与元素百分含量的关系曲线，供工程应用参考；3）热处理的影响；4）应力的影响。
（3）抗高温氢腐蚀的材料选用及注意要点
多年来世界各石油化工主要工程公司都是按照原称为“纳尔逊（Nelson）曲线来选择抗氢材料”。“纳尔逊（Nelson）曲线也是随着氢腐蚀研究的发展和新材料的开发应用而修订换版的，现在最新版的纳尔逊曲线为2008年颁布的APIRP（推荐准则）941“炼油厂和石油化工厂高温高压临氢作业用钢”标准上的图线。这些曲线图分别为：氢环境下钢的脱碳和开裂工作极限曲线、碳钢和低合金钢在高温高压氢环境下的操作极限、氢环境下各种钢的操作
极限、高温氢环境下C—0.5Mo和Mn—0.5Mo的脱碳试验曲线。在应用这些图线进行选材时，应该注意以下要点：1）纳尔逊曲线线只涉及到材料抗高温氢腐蚀的性能，它并不考虑在高溫时其他因素引起的损伤；2）由于纳尔逊曲线已经过多次修订，使用时应按照最新版的曲线选用，保证使用的可靠性；3）在实际应用中，焊缝部位的氢腐蚀更是不可忽视的；4）据此图线进行选材时，应尽量减少不利影响的杂质元素含量，注意控制非金属夹杂物的含量和作用应力水平以及进行充分的回火和焊后热处理等对提高钢材抗高温氢腐蚀都是有好处的；5）选材时要留有适当的裕量。
3.2.2氢脆
所谓氢脆，是由于氢残留在钢中所引起的脆化现象。产生了氢脆的钢材，其延伸率和断面收缩率显著下降。氢脆是可逆的，也称作一次脆化现象，氢脆发生的温度从室温50o的范围。随温度升高，氢脆效应下降，当温度超过71℃～82℃时不太容易发生。所以，实际装置中氢脆损伤往往都是发生在装置开、停工过程的低温阶段。为了避免氢脆发生应注意以下要点：1）钢材强度不要超过设计规定值。正确地施行PWHT，且控制焊接热影响区的硬度（21/4Cr-1Mo钢应控制≤220HB）；2）通过无损检测消除宏观缺陷；3）消除残余应力使负荷应力降低；4）开停工时的升降温度和升降压程序。5）在加氢反应器等临氢设备中还存在不锈钢氢脆损伤的现象，其部位多发生在反应器催化剂支持圈的角焊缝上及法兰梯形槽密封面的槽底拐角处。催化剂支撑结构处过去设计的支持圈与简体内壁连接结构见图2；改进后的结构见图3。
3.3加氢反应器材料（新Cr-Mo钢）的开发与应用
3.3.1国外的开发应用
从20世纪80年代初开始，美国石油学会的材料性能委员会（MPC）和日本几乎是同时进行了高温高压加氢反应器用新钢种的开发，相继取得成功。并很快地在工业装置的设备上应用，将加氢反应器技术推进到了一个新时代。
（1）实施方法
1）通过改变原钢号的热处理条件，以提高强度。如将原21/4Cr-lMo钢的回火温度由675℃降低到620℃，从而使抗拉强度由原来的515～690Mpa提高到585～760Mpa；2）在原钢号的基础上添加V，以实现高强度化，同时为了改善钢的其他性能，配套添加了某些合金元素。如cu、Ni、cb、Ti、B、ca等。 （2）开发的钢种
成功开发出的钢种包括增强型Cr-Mo钢：21/4Cr-lMo钢和改进型（Modified）Cr-Mo钢：3Cr一1Mo一1/4V—Ti—B钢、3Cr-lMo一1/4V—Cb—Ca钢、21/4Cr-1Mo一1/4V钢。增强型21/4Cr一1Mo钢是依靠降低原钢号的回火或焊后热处理温度来达到高强度化，因而它的抗氢脆敏感性和氢致裂纹扩展的能力都不及21/4Cr一1Mo钢，且抗氢腐蚀的极限温度也相对较低（被限制在440cC以下）。加钒的改进型Cr—Mo钢的优点体现在强度高、抗氢腐蚀性能大幅提高、抗氢脆性能明显改善、抗回火脆化性能更好以及抗氢致剥离裂纹能力优越。
3.3.2CrMo钢的临界剥离温度
3Cr一1Mo—l/4V—Ti—B钢与21/4Cr一1Mo钢堆焊Tp347不锈钢随环境氢分压增高，其剥离临界温度呈下降趋势。
3.4反应器内构件型式及作用
反应器内件设计性能的优劣将与催化剂性能一道体现出所采用加氢工艺的先进性。对于气液并流的下流式反应器的内件，通常都设有下列部件。
3.4.1入口扩散器
入口扩散器型式目前有双层水平档板式和长圆孔侧隙式两种，其作用在于防止高速流体直接冲击液体分配盘，影响分配效果，从而起到预分配的。
3.4.2气液分配器
气液分配器型式目前有抽吸喷射型和溢流型两种，其作用在于使进入反应器的物料均匀分散，与催化剂颗粒有效接触，从而充分发挥催化剂的作用。
3.4.3积垢篮
积垢篮置于催化剂床层的顶部，系由各种规格不锈钢金属丝网与骨架构成的篮筐，其作用在于为反应器进料提供更多的径向方向的流通面积，使催化剂床层可聚集更多的锈垢和沉积物而不致引起床层压降过分地增加。近年来有采用在顶部装填大孔隙惰性多孔球或脱金属催化剂措施而替代积垢篮。
3.4.4冷氢箱
冷氢箱结构由冷氢管、冷氢盘、再分配盘组成，其作用在于控制加氢放热反应引起的催化剂床层温升，使来自上面床层的反应物料和起冷却作用的冷氢充分混混合，并将具有均匀温度的气液混合物再均匀分配到下部的催化剂床层上。
3.4.5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，从简体上径向插入或从反应器顶封头上垂直方向插入热电偶。以往床层测温基本采用铠装热电偶。近年多数在采用铠装热电偶的同时，还采用了一种称为柔性热电偶的结构，它可在一个热电偶开口接管上设置高密度的测点，并具有快速反应时间（4～8s）和对床层温度飘移能迅速反應等特性，可对床层截面温度进行许多点测量，因而可对工艺过程进行有效的控制。另外，为了监控反应器器壁金属的温度情况也往往在反应器外表面的筒体圆周上或封头和开口接管的相关部位设置一定数量的表面热电偶。
3.4.6出口收集器
出口收集器用于支承下部的催化剂床层，以减轻床层的压降和改善反应物料的分配。
3.5反应器结构设计原则
反应器结构设计原则如下：1）圆筒壳体：应尽量不开大孔（如入孔等）；2）简体与封头采用过渡设计；3）开头补强计算：采用JB4732密集补强；4）冷氢管的设计：需要保温；5）保温结构设计：使壳体金属温度均匀，温差尽量小；6）高压法兰设计：一定要考虑管道载荷。
4 结束语
石油化工重质馏分油深度加工的主要工艺——加氢处理是炼油工业生产轻质油品的重要手段，而且也成为石油化工企业的关键技术。加氢反应器又是加氢处理工艺装置中的关键核心设备。根据加氢反应器的主要损伤型式，论述加氢反应器的选材及新铬一钼钢的开发与应用，并且对反应器内易损伤部位结构提出改进型设计，针对反应器的运行环境的特殊性提出了开停工的保护意见，给加氢反应器的设计、制造给予了一定的技术指导，以利设计、制造的加氢反应器质量更优，使用寿命更长。
参考文献：
[1]《炼油厂工艺与设备——加氢装置静设备》——中国石化工程建设公司：张迎恺编