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(guò)程中難免地會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題,影響了生產(chǎn)安全性。為此,本文結(jié)合實(shí)際案例,對(duì)某化工企業(yè)1臺(tái)反應(yīng)釜筒體下部出現(xiàn)過(guò)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(duì)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(zhǎng)期處于高溫高壓的工況下,在使用過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱變形、壁厚減薄、材料性能劣化等現(xiàn)象,倘若不及時(shí)解決,將會(huì)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(shí)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(tái)“改質(zhì)瀝青反應(yīng)釜”進(jìn)行了定期檢驗(yàn)。該臺(tái)壓力容器于2012年10月開(kāi)始投用。該釜結(jié)構(gòu)如圖1所示,相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(gè)筒體被保溫墻體所包圍。整個(gè)釜體的安裝穿越2層工作平臺(tái),燃燒室安置在第二層平臺(tái)上,在頂層工作平臺(tái)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(guò)簡(jiǎn)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(gè)半月,加熱過(guò)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(gè)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(guò)檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)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(zhǎng)度范圍內(nèi)的筒體上,存在弧長(zhǎng)約1700mm的大面積環(huán)向帶狀過(guò)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(duì)燃燒室(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Ⅰ號(hào)變形區(qū));②在Ⅰ號(hào)變形區(qū)對(duì)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(zhǎng)約1050mm的大面積環(huán)向帶狀過(guò)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€(gè)轉(zhuǎn)向部位(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Ⅱ號(hào)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(hào)變形區(qū)域最深處進(jìn)行硬度檢測(cè)分別為內(nèi)壁HB324、外壁HB433;Ⅱ號(hào)變形區(qū)內(nèi)壁HB320、外壁HB398。經(jīng)對(duì)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(guò)燒組織特征,材料性能?chē)?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(shí),具有較高的持久強(qiáng)度,但在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下會(huì)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(guò)350~400℃時(shí)出現(xiàn)蠕變。一般來(lái)說(shuō),金屬只有當(dāng)溫度超過(guò)0.3~0.4Tm時(shí)才會(huì)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(jiàn)該釜長(zhǎng)期在300~400℃溫度下運(yùn)行,蠕變因素對(duì)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(wú)固定的熔點(diǎn),受熱后軟化,高溫時(shí)呈液態(tài),低于180℃不易流動(dòng),密度達(dá)到1.2kg/m3。反應(yīng)釜的作用是通過(guò)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(guò)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(zhǎng)期運(yùn)行。這種加熱方式熱量過(guò)于集中,局部溫度過(guò)高造成容器筒體局部過(guò)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(shí)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](méi)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(guò)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(shí)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(gòu)入一臺(tái)反應(yīng)釜進(jìn)行安裝,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)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(shì)最后排出煙道。這樣設(shè)計(jì),最大限度地延長(zhǎng)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(guò)一年多運(yùn)行,檢查未見(jiàn)變形現(xiàn)象發(fā)生。整改結(jié)果不僅延長(zhǎng)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(yǔ)
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(huì)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(guò)對(duì)反應(yīng)釜過(guò)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(duì)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(huì)效益。
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