孔令雷 陳 玲

（化學(xué)工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心）

PTA氧化反應(yīng)器泄漏失效分析

孔令雷*陳 玲

（化學(xué)工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心）

分析了氧化反應(yīng)器泄漏失效的原因。由于制造時(shí)焊縫內(nèi)部存在未焊透、夾渣等缺陷，加上長(zhǎng)期受含固體顆粒物料的沖刷，造成角焊縫嚴(yán)重減薄。在開(kāi)車時(shí)升溫升壓工況下，角焊縫承受載荷時(shí)撕裂。提出了有效的預(yù)防措施，可避免類似事故的發(fā)生。

氧化反應(yīng)器 鈦襯里 沖刷腐蝕 泄漏 未焊透 裂紋

中石化某化工廠一套PTA裝置的3臺(tái)氧化反應(yīng)器 （設(shè)備編號(hào)為 1HR-301A、 1HR-301B、1HR-301C）并聯(lián)運(yùn)行。2011年6月，使用單位臨時(shí)停車進(jìn)行氧化反應(yīng)器攪拌軸軸封、電機(jī)檢修，檢修合格后開(kāi)車。在升溫升壓過(guò)程中，反應(yīng)器A和反應(yīng)器C的下封頭檢漏孔均發(fā)生泄漏，其中反應(yīng)器C較為嚴(yán)重，反應(yīng)器A則輕微泄漏，反應(yīng)器B無(wú)泄漏跡象。于是，使用單位緊急停車，并通知檢驗(yàn)單位提前進(jìn)行全面檢驗(yàn)。本文對(duì)這次泄漏事故進(jìn)行案例分析。

1 設(shè)備技術(shù)資料

氧化反應(yīng)器是PTA裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其內(nèi)部反應(yīng)主要包括四個(gè)步驟，即對(duì)二甲苯 （PX）→對(duì)甲基苯甲醛 （TALD）→對(duì)甲基苯甲酸 （p-TA，又稱PT酸）→對(duì)羧基苯甲醛 （4-CBA）→對(duì)苯二甲酸 （TA）。這四個(gè)氧化反應(yīng)是串聯(lián)反應(yīng)，一般以醋酸為溶劑，以醋酸鈷、醋酸錳和氫溴酸 （或者四溴乙烷）為催化劑。氧化反應(yīng)器 （1HR-301A、B、C）的技術(shù)資料如表1所示。

氧化反應(yīng)器襯里的環(huán)、縱焊縫均采用搭接焊，焊接節(jié)點(diǎn)如圖1、圖2所示。

這3臺(tái)氧化反應(yīng)器上次的全面檢驗(yàn)情況如下。2007年7月的檢驗(yàn)由化學(xué)工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行，主要問(wèn)題是：3臺(tái)氧化反應(yīng)器下封頭襯里存在多處機(jī)械碰傷凹坑。其中1HR-301B由于攪拌軸的長(zhǎng)短軸連接螺栓剪切斷裂，長(zhǎng)軸墜落，葉片在筒體、下封頭襯里上造成多處深碰傷和劃傷，深度0.5～2 mm；缺陷打磨補(bǔ)焊后復(fù)檢合格。安全狀況等級(jí)定為2級(jí)，下次檢驗(yàn)日期為2011年7月。

表1 氧化反應(yīng)器性能參數(shù)

圖1 蓋板焊節(jié)點(diǎn)剖面

圖2 蓋板焊的環(huán)、縱焊縫 （俯視圖）

2 檢驗(yàn)內(nèi)容及檢驗(yàn)結(jié)果

2.1 檢驗(yàn)內(nèi)容

（1）宏觀檢查； （2）厚度測(cè)定； （3）內(nèi)表面襯里蓋板焊焊縫100%滲透檢測(cè)； （4）下封頭外表面直探頭超聲波檢測(cè) （檢查碳鋼基層腐蝕情況）；（5）襯里及焊縫金相檢驗(yàn)，即完好部位與裂紋部位對(duì)比； （6）外表面壁厚測(cè)定； （7）外表面碳鋼層環(huán)、縱焊縫磁粉檢測(cè)； （8）外表面碳鋼層環(huán)、縱焊縫超聲波檢測(cè)。

2.2 檢驗(yàn)結(jié)果

外表面壁厚測(cè)定、環(huán)縱焊縫磁粉檢測(cè)、環(huán)縱焊縫超聲波檢測(cè)均未見(jiàn)異常，內(nèi)表面檢驗(yàn)結(jié)果如下。

（1）下封頭中心?1000 mm范圍內(nèi)，沿?cái)嚢栎S攪拌方向，蓋板焊迎料側(cè)焊縫及部分蓋板母材沖刷減薄嚴(yán)重，實(shí)測(cè)厚度最小值僅1.4 mm （正常部位3.0 mm左右），見(jiàn)圖3。

圖3 蓋板焊迎料側(cè)焊縫及部分蓋板母材沖刷減薄情況

（2）對(duì)下封頭及部分下部筒體蓋板焊焊縫進(jìn)行滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：三條焊縫 （迎料側(cè)）存在裂紋，最長(zhǎng)300 mm （斷續(xù)），見(jiàn)圖4。部分焊縫有泄漏跡象（停車后物料由襯里夾層反滲），見(jiàn)圖5。

圖4 焊縫中的裂紋

圖5 焊縫中的泄漏部位

（3）金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，正常部位微觀金相組織為α-鈦，組織分布均勻，未見(jiàn)明顯異常，見(jiàn)圖6；裂紋部位從微觀形貌來(lái)看，裂紋主要是沿晶界方向擴(kuò)展的，且裂紋尖端無(wú)分叉，可見(jiàn)該裂紋的形成與介質(zhì)中的氫原子基本無(wú)關(guān)，見(jiàn)圖7。

圖6 正常部位金相組織 （100×）

圖7 裂紋部位金相組織 （150×）

（4）由于停車處理及時(shí)，泄漏持續(xù)時(shí)間較短（泄漏后2 h即停車），超聲波檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)下封頭碳鋼基層有明顯的腐蝕空洞。

3 裂紋產(chǎn)生的原因

（1）該容器自1989年9月投用以來(lái)，運(yùn)行時(shí)間已長(zhǎng)達(dá)近22年，且2002年工藝改造后設(shè)備負(fù)荷由70%提到90%，2006年又提到110%，屬超負(fù)荷運(yùn)行。攪拌軸下部葉片的攪拌作用使物料 (含固體顆粒)對(duì)下封頭中心附近的蓋板焊焊縫及母材形成側(cè)向沖刷，迎料側(cè)焊縫及部分蓋板母材減薄嚴(yán)重，其所能承受的載荷強(qiáng)度大大降低，在開(kāi)車升溫升壓過(guò)程中受到拉應(yīng)力后極易造成撕裂。

（2）從下封頭蓋板拆除后及裂紋打磨補(bǔ)焊的情況看，實(shí)際的蓋板焊角焊縫根部存在未焊透、夾渣等現(xiàn)象，其中根部未焊透高度超過(guò)1 mm，而整個(gè)角焊縫高度為3 mm，即角焊縫高度的1/3基本未焊透，且還伴隨夾渣等缺陷，造成角焊縫根部應(yīng)力嚴(yán)重集中，其所能承受的載荷強(qiáng)度大大降低，見(jiàn)圖8。

由圖8可以看出，實(shí)際承受載荷的蓋板焊焊縫厚度最薄處已不足0.5 mm。

圖8 蓋板焊角焊縫

（3）現(xiàn)行開(kāi)車工藝的升溫升壓時(shí)間已由工藝改造前的8 h縮短為約4 h，縮短近一半。短時(shí)間內(nèi)的升溫升壓加劇了本來(lái)就已經(jīng)很薄弱的蓋板焊焊縫的開(kāi)裂。焊縫開(kāi)裂基本上都發(fā)生在設(shè)備開(kāi)車階段。

（4）攪拌軸下部葉片與水平面的傾角不同，對(duì)下部襯里的沖刷也不同，傾角越大，沖刷越強(qiáng)。反應(yīng)器C的傾角最大，反應(yīng)器A次之，反應(yīng)器B最小。反應(yīng)器A、C兩臺(tái)為后來(lái)國(guó)內(nèi)廠家測(cè)繪后制作的，測(cè)繪存在誤差，導(dǎo)致下部葉片傾角與原設(shè)計(jì)相比偏大。反應(yīng)器B為原裝廠制作，只進(jìn)行了維修，未進(jìn)行更新。反應(yīng)器A、C兩臺(tái)由于傾角偏大，對(duì)下部沖刷較反應(yīng)器B嚴(yán)重得多，與實(shí)際泄漏現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)。反應(yīng)器B沖刷較輕，但隨著時(shí)間推移，也存在襯里角焊縫開(kāi)裂的可能性。

（5）檢驗(yàn)檢測(cè)人員經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)沖刷減薄程度未定量分析，只憑以往檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)焊縫進(jìn)行了滲透檢測(cè)。當(dāng)然，滲透檢測(cè)時(shí)焊縫是完好的，但問(wèn)題是減薄了的焊縫在開(kāi)車加載時(shí)隨時(shí)可能開(kāi)裂。

4 缺陷修復(fù)

由修理單位更換一條嚴(yán)重減薄的蓋板，對(duì)其余三條蓋板焊焊縫采用鈦焊進(jìn)行了堆焊加強(qiáng)，且是在裂紋打磨消除后進(jìn)行堆焊的。

5 對(duì)使用單位的建議

（1）在容器及攪拌軸維護(hù)檢修時(shí)須采取措施，防止襯里造成碰傷、劃傷。

（2）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡檢。

（3）具備開(kāi)罐條件時(shí)應(yīng)對(duì)下部襯里及焊縫重點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)。

（4）改進(jìn)開(kāi)停車工藝，使之與設(shè)備現(xiàn)狀相適應(yīng)。

（5）條件具備時(shí)對(duì)下封頭減薄嚴(yán)重的襯里蓋板進(jìn)行更換。

Leakage Analysis of the Oxidation Reactor for PTA Production

Kong LingleiChen Ling

The leakage analysis of the oxidation reactor was performed,it was found that the defects in the welds such as incomplete penetrations and slag inclusions and combining with the persistent erosion from materials containing solid particles had caused serious thinning of fillet welds,then tearing of the fillet welds occurred under heavy loads at elevated temperature and pressure.Effective precautions to such failure are introduced at the end to avoid similar accidents.

Oxidation reactor;Titanium lining;Erosion-corrosion;Leakage;Incomplete penetration;Crack

TQ 052.6

2014-04-21）

*孔令雷，男，1973年生，高級(jí)工程師。南京市，210036。