劉宏戰(zhàn)

摘 要：反應(yīng)釜作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中重要的生產(chǎn)設(shè)備，在運(yùn)行過程中難免地會出現(xiàn)一些問題，影響了生產(chǎn)安全性。為此，本文結(jié)合實(shí)際案例，對某化工企業(yè)1臺反應(yīng)釜筒體下部出現(xiàn)過熱變形、壁厚減薄等現(xiàn)象進(jìn)行檢驗(yàn)，從材料、介質(zhì)以及加熱方式因素等方面入手，對其失效原因進(jìn)行了分析，并提出了相關(guān)的處理措施。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)釜；檢驗(yàn)；失效分析；處理

引言

反應(yīng)釜是工業(yè)生產(chǎn)中用作化學(xué)反應(yīng)的容器，通常根據(jù)不同的工藝條件需求進(jìn)行容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)工藝要求的加熱、蒸發(fā)、冷卻及低高速的混配功能。由于反應(yīng)釜長期處于高溫高壓的工況下，在使用過程中往往會出現(xiàn)過熱變形、壁厚減薄、材料性能劣化等現(xiàn)象，倘若不及時解決，將會嚴(yán)重威脅著壓力容器的安全使用，甚至有可能造成非常嚴(yán)重的后果。因此，使用反應(yīng)釜時應(yīng)要加強(qiáng)檢驗(yàn)、使用等管理，避免發(fā)生安全事故。

1.實(shí)際案例

1.1設(shè)備概況

某化工企業(yè)1臺“改質(zhì)瀝青反應(yīng)釜”進(jìn)行了定期檢驗(yàn)。該臺壓力容器于2012年10月開始投用。該釜結(jié)構(gòu)如圖1所示，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

由于該容器為直接受火焰加熱容器，容器下封頭局部和整個筒體被保溫墻體所包圍。整個釜體的安裝穿越2層工作平臺，燃燒室安置在第二層平臺上，在頂層工作平臺上有上封頭、人孔、安全附件及攪拌設(shè)施。該釜加熱使用的燃燒介質(zhì)為經(jīng)過簡單凈化后的焦?fàn)t煤氣，可燃成分主要為CH4，H2，CO等，火焰溫度達(dá)到980℃、煙室煙道溫度達(dá)到700℃、介質(zhì)溫度390℃，每天24h運(yùn)行。每次持續(xù)一個半月，加熱過程中，在容器內(nèi)頂部產(chǎn)生的氣態(tài)閃蒸油為易燃易爆介質(zhì)且含有H2S成分，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速3r/min。原設(shè)計(jì)每天處理原料200t，現(xiàn)每天處理400t。使用中容器內(nèi)壁有局部結(jié)焦現(xiàn)象，厚度可達(dá)30mm，每一個半月停機(jī)后采用機(jī)械方法進(jìn)行內(nèi)部除焦。

1.2檢驗(yàn)結(jié)果

通過檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

（1）內(nèi)外部宏觀檢驗(yàn)中，有兩處變形部位：①在距下封頭與筒體連接的環(huán)焊縫1600mm長度范圍內(nèi)的筒體上，存在弧長約1700mm的大面積環(huán)向帶狀過熱變形區(qū)，面積約2.72m2（波數(shù)為2），變形部位最大深度約50mm、最小壁厚18.3mm。此處筒體外壁正對燃燒室（以下簡稱Ⅰ號變形區(qū)）；②在Ⅰ號變形區(qū)對面距下封頭與筒體連接的環(huán)焊縫1600～2650mm范圍內(nèi)，筒體上存在弧長約1050mm的大面積環(huán)向帶狀過熱變形區(qū)，面積約1.1m2（波數(shù)為1）變形部位最大深度約30mm、最小壁厚22.6mm。此處外壁正是高溫?zé)煔獾谝粋€轉(zhuǎn)向部位（以下簡稱Ⅱ號變形區(qū)）。

（2）硬度檢驗(yàn)中，檢驗(yàn)其硬度值為內(nèi)壁HB139、外壁HB184。Ⅰ號變形區(qū)域最深處進(jìn)行硬度檢測分別為內(nèi)壁HB324、外壁HB433；Ⅱ號變形區(qū)內(nèi)壁HB320、外壁HB398。經(jīng)對比表明變形區(qū)域硬度值明顯偏高。

（3）金相檢查中，發(fā)現(xiàn)晶界出現(xiàn)燒熔組織結(jié)構(gòu)，符合金屬過燒組織特征，材料性能嚴(yán)重劣化。

（4）最小壁厚18.3mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于30mm的設(shè)計(jì)壁厚。強(qiáng)度校核后，剩余壁厚已不滿足安全運(yùn)行的要求。

2.原因分析

2.1材料因素

15CrMoR屬于一種中溫抗氫鋼，熱處理常采用正火+回火，在550℃以下時，具有較高的持久強(qiáng)度，但在長時間的恒溫、恒應(yīng)力作用下會緩慢產(chǎn)生塑性變形的蠕變現(xiàn)象。不同材料出現(xiàn)蠕變的溫度是不同的。合金鋼當(dāng)溫度超過350～400℃時出現(xiàn)蠕變。一般來說，金屬只有當(dāng)溫度超過0.3～0.4Tm時才會出現(xiàn)較為明顯的蠕變（Tm為材料的熔點(diǎn)，以K為單位）。從表1可見該釜長期在300～400℃溫度下運(yùn)行，蠕變因素對變形失效影響較大。

2.2介質(zhì)因素

該反應(yīng)釜使用的介質(zhì)是煤焦瀝青，常溫下為黑色固體，無固定的熔點(diǎn)，受熱后軟化，高溫時呈液態(tài)，低于180℃不易流動，密度達(dá)到1.2kg/m3。反應(yīng)釜的作用是通過加溫加壓去除其中的閃蒸油。盡管容器內(nèi)部裝設(shè)了3層攪拌裝置，但由于這種介質(zhì)比熱容較小不利于熱量的吸收和傳導(dǎo)，筒體下部局部高溫的存在，造成瀝青在容器內(nèi)壁上結(jié)焦，厚度能達(dá)到3～4cm，形成隔熱層，不利于熱量的傳遞。熱量大量聚集給過燒、蠕變提供了溫度條件。

2.3加熱方式因素

該容器為直接受火焰加熱容器，加熱方式及煙氣流程如圖2。

在立式容器的外圍300mm處砌上兩周耐火墻，在筒體下部建立燃燒室，焦?fàn)t煤氣直接接觸容器壁側(cè)向進(jìn)行加熱，每天工作24h?；鹧鏈囟冗_(dá)到900℃左右，煙道溫度達(dá)到700℃，煙道出口溫度可達(dá)500℃。使用中，超設(shè)計(jì)溫度長期運(yùn)行。這種加熱方式熱量過于集中，局部溫度過高造成容器筒體局部過熱變形。

2.4煙氣流程因素

使用中的煙氣流程如圖2所示，安裝保溫墻時未按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工。高溫?zé)煔馕茨茉诘?層實(shí)現(xiàn)熱量交換直接上升進(jìn)入第2層，在第2層轉(zhuǎn)煙室繞筒體旋轉(zhuǎn)180°后進(jìn)入第3層，在第3層旋轉(zhuǎn)90°后進(jìn)入第4層，在第4層旋轉(zhuǎn)90°后進(jìn)入第5層，旋轉(zhuǎn)180°后進(jìn)入煙囪排放。這樣的煙氣流程布置不科學(xué)，在第1層高溫?zé)煔饣緵]有圍繞筒體旋轉(zhuǎn)進(jìn)行熱量交換，致使高溫?zé)煔庠谶M(jìn)入第2層轉(zhuǎn)彎處溫度仍然很高造成此處過熱變形，每層煙道都有煙氣短路現(xiàn)象發(fā)生，不能實(shí)現(xiàn)熱量的充分交換，換熱效率低下，同時造成能源的浪費(fèi)。

3.處理措施及結(jié)果

原反應(yīng)釜報(bào)廢處理后，該使用單位新購入一臺反應(yīng)釜進(jìn)行安裝，結(jié)合現(xiàn)場條件對新安裝的反應(yīng)釜加熱裝置及煙道進(jìn)行了設(shè)計(jì)改造，改造后如圖3。

在第1層煙道直接受火焰加熱的筒體外壁鋪設(shè)一層擋火墻讓熱量均勻分配，不再直接沖刷筒體。并在第1層煙氣入口上部和每層側(cè)面增加擋煙墻使高溫?zé)煔鈬@筒體螺旋360°進(jìn)入第2層，同理圍繞筒體依次進(jìn)入3，4，5層，形成煙氣圍繞筒體螺旋上升的態(tài)勢最后排出煙道。這樣設(shè)計(jì)，最大限度地延長了煙道流程，防止了煙氣短路現(xiàn)象發(fā)生，并提高了攪拌設(shè)備的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了熱量的充分交換，大大提高了換熱效率，改造后升溫速度明顯提高，煤氣使用量減小，煙氣出口溫度降低。經(jīng)過一年多運(yùn)行，檢查未見變形現(xiàn)象發(fā)生。整改結(jié)果不僅延長了設(shè)備使用壽命，節(jié)約了企業(yè)成本；而且熱能達(dá)到充分利用，節(jié)約了能源，減少了污染。

4.結(jié)語

總而言之，反應(yīng)釜是一種反應(yīng)設(shè)備，在使用中一定要十分注意，否則會因?yàn)槎喾矫嬖蛟斐蓳p壞，最終影響設(shè)備的正常運(yùn)行。本文通過對反應(yīng)釜過熱變形失效原因進(jìn)行分析，結(jié)果表明：加熱方式和煙氣流程布置存在的缺陷是造成反應(yīng)釜變形失效的主要原因。并對新安裝的反應(yīng)釜進(jìn)行了設(shè)計(jì)改造，確保了設(shè)備的安全運(yùn)行，企業(yè)也獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮樂軍，余永增，劉洪濤，尹金明.催化劑反應(yīng)釜密封系統(tǒng)失效分析與改造[J].石油化工設(shè)備.2011， 40 （2） ：92-95

[2] 王齊莉.反應(yīng)釜釜體變形的CFD分析及改進(jìn)[J].科學(xué)與財(cái)富.2012（12）：301-301