異構化反應器破裂檢查及適用性評估

吳永豪 1、蕭祝螽 2、陳志豪 3

1工業技術研究院資深研究員

2工業技術研究院工程師 3能源研究中心研究員

摘要

某石化廠的異構化反應器於定期檢修時在銲道內壁處發現疑似裂縫。以往的檢修

常規要求反應器一旦出現裂縫就會磨除或銲補。該槽體內部充滿珍珠粉觸媒，是否開

槽檢修將影響工廠營運至鉅。是故，本研究先以相控陣超音波法精確量出裂縫及局部

結構尺寸及相對位置，再結合檢測結果建構的 FEM 模型、破裂力學及破損機制來評

估該反應器的適用性。綜合分析係以安全係數 SF 為基準，推斷該反應器的內壁裂縫

尚處於安全許可範圍並判定異構化廠可重啟運轉。相較於以往的在役檢修作業，本案

參酌 API 579 標準所採取的決策為廠方節省了巨額的開槽檢修及停機損失。

關鍵字：反應器、銲道、相控陣超音波、破裂力學、適用性、異構化

Inspection of Crack and FFS Assessment of Isomeric RPV

Yung-How Wu1, Chu-Chung Hsiao

2, Chih-How Chen

3

1, 2Industrial Technology Research Institute

3Energy Research Center

ABSTRACT

Weld cracks were found on the inner surface of an isomerization reactor in a scheduled

outage. According to regular maintenance operation, surface cracks were ground or weld

repaired once found on refinery RPV. Since it is full of pearl powder catalyst inside, vessel

open and repair process may affect the plant's operations and cost a lot. PAUT was then

applied to acquire carefully the size and relative position of the crack and the local vessel

structure. FFS of the reactor was assessed in terms of FEM model based on PAUT results,

fracture mechanics and damage mechanism analysis. Results confirmed the crack in safe

margin with safety factor SF as a benchmark and the isomerization plant was then returned

to service. Compared to former maintenance, great maintenance and downtime cost were

saved in this case referring to API 579 standard.

Keywords: RPV, Weld, PAUT, Fracture Mechanics, FFS, Isomerization

1、前言

異構化製程[1]係用來提高汽油產品的辛烷值，反應裝置與普通的加氫精製相似，但

製程中只是將直鏈的碳氫化合物轉變成分支型。以丁烷異構化為例，丁烷進料經脫異丁

烷塔分離出異丁烷，再與氫混合後經加熱進入反應器，反應壓力約 2.1～2.8MPa，溫度

145～205C。異構化製程主要依據產品辛烷值及觸媒間的既定反應平衡溫度關係來操

控，理想的操控必須兼顧最大的產能及最小的能源消耗。為加速反應器中固態觸媒的反

應速率，通常會加入高分子氯化物，同時，加入氫氣的作用則是藉以減少觸媒表面的碳

附著及掌控反應溫度變化，因此會伴隨產生氯化氫而有金屬腐蝕破裂的風險。本異構化

反應器於停機大修時以傳統 UT 法在下層周向銲道內壁發現兩個較明顯的裂縫，若依據

以往的檢修常規，反應器一旦出現裂縫就會磨除或銲補，惟因該槽體內部充滿珍珠粉觸

媒，是否開槽檢修將影響工廠營運至鉅。是故，本案先以相控陣超音波法精確量出裂縫

(長×深≒40mm×5mm)及局部結構尺寸及相對位置，再結合檢測結果建構的 FEM 模型、

破裂力學及破損機制來評估並參考 API 規範來確認該反應器的適用性。

(a) (b)

圖一：(a)國內某異構化廠，(b)反應器本體 5 個銲道中的底部周向銲道發現裂縫。

2、API 裂縫適用性評估(FFS)作業[2,3]

API 規範中針對加壓構件中出現裂縫狀瑕疵的適用性評估可涵蓋的加壓構件包括

壓力容器、管線和儲槽等。其中提供了 Level 1、Level 2 及 Level 3 三個階段的適用性評

估作業方式並規定如下：

(1) 適用於構件不在潛變範圍操作且動態負載效果不顯著時(例如地震、衝擊、水鎚等)。

(2) 當裂縫狀瑕疵不會因負載狀況或環境的影響而造成裂縫成長時，係採用 Level 1、

Level 2 作業來評估。反之，若預期瑕疵在使用中會成長，則應使用 Level 3 作業來

評估或進一步估算剩餘壽命。

(3) 當 Level 1 和 Level 2 法不適用或評估結果過度保守時，應執行 Level 3 評估且通常

包括下列情況：

(i) 幾何形狀或負載情況複雜，需以先進的應力分析來定義瑕疵位置的應力狀態。

(ii) 確定或預期該瑕疵可能因負載(循環應力)或環境情況而成長，且需評估剩餘壽

命或線上監測時。

(iii) 瑕疵位置的應力、材料破裂韌性或材料降伏或拉伸強度梯度高時。

3、反應器裂縫 PAUT 檢測[4]

本反應器檢測的範圍包括各周向及縱向銲道本體及其熱影響區，銲道兩側皆須掃

瞄，檢測重點在於找出異構化廠可能發生的疲勞裂縫並量出尺寸。配合現場作業時程，

檢測期間交互採用單晶脈衝回波（Pulse Echo, PE）及相控陣超音波檢測（Phased Array

Ultrasonic Testing, PAUT）兩種方法交互驗證。檢測前先依據銲道設計圖、探頭規格及

參考規塊規劃 PAUT 的檢測參數。受測的吸附槽母材為 A-516-70，壁厚 36mm，銲道開

槽方式為雙 V，外壁開槽角度為 70，內壁開槽角度為 60，內壁銲冠較外壁為寬，如圖

二所示。現場檢測採用了三套超音波系統，包括：GE USN 58L 傳統脈衝回波儀、GE

Phasor XS 及 AGR TD Handy-Scan 兩套相控陣超音波檢測儀器，分別搭配 Phasor XS 的

4MHz-16 晶片 PAUT 探頭及 TD Handy-Scan 的 5L16-A1(5MHz -16 晶片)PAUT 探頭，並

規劃探頭設定如圖三所示。

(a) (b)

圖二：(a)異構化反應器銲道結構及(b)以同材質 A-516 製作的對接人工缺陷詴片。

(a) (b)

圖三：(a) GE Phasor XS 及 TD Handy-Scan 兩種 PAUT 系統的探頭設定，(b)人工缺陷詴

片的檢測效能驗證。

現場檢測前，先以詴片人工凹槽確認了凹槽缺陷的角隅反射、尖端繞射訊號及對應

的銲道位置。現場檢測則在反應器編號 A107 的 C1 銲道發現兩處明顯的內壁裂縫，長×

深各為 40mm×4.4mm 及 35mm×5.4mm。圖四是現場檢測分別自銲道兩側確認裂縫之一

的結果。

(a) (b)

圖四：(a)異構化反應器現場檢測，(b)編號 A107 的 C1 銲道自兩側確認裂縫之一的結果。

4、反應器裂縫應力分析[5,6]

反應器內含觸媒且亟需回復運轉，所發現之裂縫雖無法開槽確認，但此次 PAUT 結

果已明確斷定兩處裂縫皆位於內壁銲冠上並獲得詳細的尺寸及位置記錄。據此，本案得

以參照 API 規範的評估邏輯採行 Level 2 的應力分析如下：

(1) 具有裂縫之壓力容器模型

如圖一所示，如該反應器含 5 個銲道(3 道周向, 2 道縱向)。若考慮二維度模型並假

設在銲道位置產生裂縫，可考量 Case A、Case B 兩種簡化模型(圖五)，再由二維度簡化

模型延伸至三維度的周向裂縫或軸向裂縫，裂縫深度及銲冠高度如圖六所示。

(a) (b)

圖五：兩種具裂縫之壓力容器二維模型: (a) Case A，(b) Case B。

(a) (b)

圖六：(a)周向銲道裂縫模型深度 a、銲冠高度 d 及(b)C1 銲道裂縫與周邊結構組合。

(2) 考慮破裂力學理論之應力分析

以破裂力學處理裂縫尖端附近的應力在數學上是定義尖端附近具一奇異應力場，並

以一破裂力學參數：應力強度因子(stress intensity factor, SIF)來代表該奇異點應力場的大

小，而具裂縫材料之可容許應力強度因子(critical SIF)訂為材料參數：破裂韌度(fracture

toughness)。當材料受力之裂縫尖端應力強度因子值超過破裂韌度時，裂縫會失穩而成

長。對於韌性材料，若其應變能釋放率(strain energy release rate)小於該材料之臨界值時，

裂縫即停止進展而不致於整體破壞(global failure or fracture)。

假設裂縫座標系統如圖七所示，在一般荷重下，以極座標表示之裂縫尖端附近之應

力場可寫為：

0,2 2

I III IIij ij ij ij

K Kr f f O r

r r

, (1)

其中， IK 、 IIK 分別為 I、II 型應力強度因子， , ,i j x y ， 0

ij 為非奇異應力項， O r

代表高階項， I

ijf 、 II

ijf 為角函數。考量裂縫以張裂模式(mode I)為主控，經座標

轉換後可將周向應力寫為：

,2

Kr O r

r

, (2)

其中， K 稱為等效應力強度因子(effective SIF)：

3 3cos sin cos

2 2 2I IIK K K

. (3)

x

y

r

θcrack

圖七：裂縫尖端座標系統

假定裂縫會沿最大周向應力垂直方向擴展，則從式(3)之極大值，可得裂縫擴展方向

為：

2 2

1 82 tan

4

I I II

c

II

K K K

K

. (4)

且當裂縫開始擴展時，等效應力強度因子即為破裂韌度( IcK )：

maxIcK K . (5)

將式(4)代入式(3)可得最大等效應力強度因子為 ：

3 2 2

3

22 2 2 2

4 2 3 8

12 8

II I I II

eff

I II I I II

K K K KK

K K K K K

, (6)

其中， 0IIK 。因此，在一般荷重狀況下，若式(6)計算值大於或等於材料之破裂

韌度值時，裂縫不穩定，裂縫會擴展。本研究檢視在不同銲冠高度及不同裂縫深度下之

最大等效應力強度因子，而安全係數則可利用下式定義：

SF Ic

eff

K

K . (7)

本案假設材料為線彈性，應力分析採用的各項參數如表一。

表一：應力分析採用參數

參數 數值

楊氏係數* (E) 200 GPa

泊松比 ( ) 0.3

操作壓力 (P0) 10 MPa

銲冠高度 (d) 0.10 mm ~ 10 mm

裂縫深度 (a) 0.10 mm ~ 15 mm

破裂韌度* (KIc) 50 MPa/m0.5

*http://en.wikipedia.org/

(3) A107 反應器計算結果與分析

圖八為 Case A 在銲冠高度 4 mm 時，裂縫深度分別為 4 mm 及 10 mm 下容器整體之

von Mises 應力分佈。可以發現，在裂縫較淺的案例(4 mm)中，尖端附近的應力(尖端位

置除外)並非最大，甚至較部分銲道邊緣小，顯示淺裂縫對整體壓力結構受力影響不大，

反之，在裂縫較深的案例(10 mm)中，尖端附近的應力為最大，會影響應力分佈狀態，

顯示該裂縫已不可忽視。

σmax

σmax

(a) (b)

圖八：Case A 之 von Mises 應力分佈(σmax指最大位置、單位: Pa)，裂縫尺寸分別為(a) a=4

mm、d=4 mm，(b) a=10 mm、d=4 mm。

周向裂縫 Case A 之等效應力強度因子分佈圖如圖九所示，其中安全係數(SF)定義如

式(6)(不考慮材料塑性變形)。結果顯示應力強度因子與銲冠高度呈反向關係，與裂縫深

度則呈正向關係。依據定義，當 SF < 1 時，裂縫不穩定，會開始延伸擴展，結果呈現現

有裂縫狀況仍處穩定範圍，在不改變操作壓力下，此裂縫是安全的，尚不致延伸破壞。

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014

a (m)

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

d (

m)

2<SF<5

SF>5

圖九：Case A 在不同銲冠高度 d 及裂縫深度 a 下之最大等效應力強度因子分佈(單位:

MPa)。

4、結論

(1) 本案採用相控陣超音波法精確量出異構化反應器局部結構及銲道裂縫的尺寸與相對

位置，並結合破裂力學及參考 API 579 規範來確認該反應器的適用性。藉此提供業

主採取重啟運轉的決策，節省了巨額的開槽檢修及停機損失。

(2) 台灣勞檢單位及石化廠至今仍沿用多年的檢修常規，一旦發現結構出現裂縫就採取

磨除或銲補作業。國外對於反應器等構件的在役檢測已普遍採用 FFS 規範來判定適

用性，對於類似異構化反應器的案例而言，開槽檢修與否將影響工廠營運至鉅。在

當今能源產業的安全與營運效益必須兼顧的環境下，本案例值得國內管制及技術相

關單位做參考。

5、參考文獻

(1) DAVID S. J. & PETER R. PUJAD´O, Handbook of Petroleum Processing, Springer, 2006,

pp. 400-416.

(2) API 579 Recommended Practice for Fitness For Service, API, 2006.

(3) API 571 Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry, API,

2006.

(4) 吳永豪、蕭祝螽，「中油吸附槽銲道相控陣超音波檢測」，工業技術研究院報告，中

油公司，2012 年 4 月。

(5) Hanshell RD, Shaw KG. Crack tip finite elements are unnecessary. International Journal

for Numerical Methods in Engineering, Vol. 9, pp. 495~507, 1975.

(6) Boresi, A.P., Chong K.P., Elasticity in engineering mechanics, John Wiley & Sons, New

York, 2000.