閆風(fēng)影，曹磊，沈冬奎(山東省安泰化工壓力容器檢驗中心，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

聚合釜是PVC聚合生產(chǎn)線上的重要設(shè)備之一，進(jìn)行聚合反應(yīng)時可以單釜間歇進(jìn)行，也可以多釜串聯(lián)連續(xù)進(jìn)行[1]。聚合釜中一般安裝攪拌器和擾流板，促進(jìn)物料接觸，加速反應(yīng)進(jìn)行。生產(chǎn)中聚合釜操作可以分為四個工況，準(zhǔn)備-初始升溫-聚合-泄壓冷卻，運(yùn)行工況比較復(fù)雜，工作環(huán)境較為惡劣，在使用過程中出現(xiàn)缺陷的幾率比較高，而設(shè)備的安全運(yùn)行直接關(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量和生產(chǎn)成本。

1 設(shè)備缺陷確定

2020年5月我單位對某化工廠的五臺聚合釜進(jìn)行了定期檢驗，5臺聚合釜系同一設(shè)計院設(shè)計，同批制造、安裝、投用，其具體參數(shù)、上次檢驗情況如表1所示。

表1 聚合釜基本參數(shù)

1.1 檢測手段

根據(jù)聚合釜結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、使用情況和上次檢驗結(jié)果，檢驗人員制定了相應(yīng)的檢驗方案，考慮到上次定期檢驗中缺陷出現(xiàn)的位置、聚合釜間歇操作的工況、聚合釜中介質(zhì)的特性以及聚合釜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將檢驗的重點放在容器內(nèi)表面和內(nèi)部構(gòu)件的無損檢測上。通過對聚合釜內(nèi)、外表面的宏觀檢驗，發(fā)現(xiàn)容器內(nèi)部個別深入容器內(nèi)部的細(xì)小接管頭部存在彎曲的現(xiàn)象，如圖1所示。按檢驗方案規(guī)定，對聚合釜封頭和夾套的四個方位進(jìn)行壁厚測量，具體測量值詳如表2所示，測厚結(jié)果未見異常。

圖1 宏觀檢查缺陷

表2 壁厚測量結(jié)果

因為聚合釜介質(zhì)的高腐蝕性，聚合釜多是采用復(fù)合板結(jié)構(gòu)，外部使用碳鋼承受壓力，內(nèi)壁采用不銹鋼應(yīng)對介質(zhì)的強(qiáng)腐蝕性，從而延長設(shè)備使用壽命，降低制造成本[2]。對于不銹鋼表面缺陷的檢驗多是采用滲透檢測，直觀、簡潔且對結(jié)構(gòu)沒有太大的限制。通過對聚合釜內(nèi)表面的滲透檢測，發(fā)現(xiàn)多處缺陷，如圖2所示。

圖2 滲透檢測缺陷

1.2 缺陷類型

聚合釜在長期使用后，內(nèi)表面會出現(xiàn)腐蝕和創(chuàng)傷面掛膠等現(xiàn)象，從而影響釜壁的傳熱性能，進(jìn)而影響反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，為避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，本次檢驗的5臺聚合釜內(nèi)表面均進(jìn)行了鏡面拋光處理[3]。本次檢驗過程中發(fā)現(xiàn)鏡面上多處存在明顯的劃痕，類似于粗糙的顆?？焖偻ㄟ^鏡面時留下的痕跡。另外筒體內(nèi)壁的裂紋也是比較明顯的，有的斷斷續(xù)續(xù)長達(dá)20 cm，有的深度深達(dá)2 mm，甚至有的明顯已經(jīng)穿透防腐層，進(jìn)入碳鋼層。在擾流板的焊縫處裂紋多是沿焊縫的方向，縱向存在，而在筒體內(nèi)壁的裂紋多是橫向裂紋。

1.3 缺陷位置

本次定期檢驗的5臺聚合釜設(shè)計、制造、安裝均是相同的廠家，且同時投入使用。對5臺設(shè)備的內(nèi)壁和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行滲透檢測，將出現(xiàn)的缺陷情況進(jìn)行匯總，如表3所示。

表3 滲透檢測發(fā)現(xiàn)表面缺陷匯總

在環(huán)焊縫和接管周圍出現(xiàn)的裂紋，很大一部分是成片出現(xiàn)的，部分是斷續(xù)的連成線。在擾流板周圍出現(xiàn)的裂紋則多是單獨的裂紋，或者斷續(xù)的連成線。

2 缺陷形成原因分析

聚合釜在使用過程屬于間歇操作，經(jīng)常要進(jìn)行加壓、泄壓、升溫、降溫，加之設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，內(nèi)部構(gòu)件較多，存在不連續(xù)性，這就造成了設(shè)備要承受更大的疲勞應(yīng)力和溫差應(yīng)力，容易出現(xiàn)缺陷。

2.1 操作工況對缺陷產(chǎn)生的影響

在聚合釜底部有一個大型的攪拌器，正常反應(yīng)時，攪拌器高速運(yùn)轉(zhuǎn)，加速物料的混合和換熱，同時帶動的高速旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)對突出和不連續(xù)的結(jié)構(gòu)也造成了一定的沖刷和撞擊力。在本次定期檢驗中發(fā)現(xiàn)，凸出的接管和擾流板的焊縫處存在多處劃痕，設(shè)備內(nèi)壁鏡面也存在部分劃傷，對不銹鋼表層氧化膜的破壞，加速了腐蝕介質(zhì)對設(shè)備的腐蝕作用。如圖2所示的部分缺陷可以看出，裂紋的產(chǎn)生是從外表面開始。物料的高速湍流運(yùn)轉(zhuǎn)，以及物料中可能存在的硬性顆粒，對不連續(xù)結(jié)構(gòu)造成了沖刷，造成金屬表面鈍化的防腐表面破壞，在局部應(yīng)力和強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的共同作用下，設(shè)備出現(xiàn)多處片狀裂紋。

設(shè)備的操作工況一直存在升-降壓和升-降溫，這使得設(shè)備一直承受的交變的拉-壓應(yīng)力，而焊縫的殘余應(yīng)力將交變載荷的應(yīng)力水平進(jìn)一步提高，為裂紋的產(chǎn)生提供了源頭。

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)對缺陷產(chǎn)生的影響

聚合釜襯里材料是S30408，筒體材料是Q345R，裂紋形成后，在交變載荷和強(qiáng)腐蝕環(huán)境下共同作用，裂紋進(jìn)一步向筒體延伸擴(kuò)展，如果裂紋穿透襯里層，介質(zhì)直接接觸筒體，沒有了防腐層的保護(hù)，裂紋擴(kuò)展速度將大大提升，直至貫穿筒體，造成不可挽回的損失。筒體內(nèi)復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過焊接方式連接的各個部件，導(dǎo)致焊接區(qū)域存在較大的殘余應(yīng)力，在介質(zhì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下對部件施加的作用外力的聯(lián)合作用下，在焊縫區(qū)域產(chǎn)生疲勞，產(chǎn)生了較為明顯的應(yīng)力腐蝕，加速了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)張。

3 主要預(yù)防措施

3.1 加強(qiáng)定期檢驗

定期進(jìn)行開釜檢查，檢驗重點放在上次檢驗出現(xiàn)缺陷的位置，對于出現(xiàn)裂紋的位置要充分地進(jìn)行打磨消除，必要時割開夾套，確認(rèn)裂紋延伸深度，確定缺陷危害程度，避免采取簡單的局部補(bǔ)焊掩蓋裂紋，進(jìn)而產(chǎn)生更加嚴(yán)重的破壞。

3.2 嚴(yán)格焊接規(guī)程

要充分考慮釜體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格采用評定合格的焊接工藝進(jìn)行施焊和補(bǔ)修。特別是施焊比較困難的部位，要更加嚴(yán)格地按照操作規(guī)程進(jìn)行。對于異種鋼焊接，要注重殘余應(yīng)力消除等操作規(guī)程，嚴(yán)格進(jìn)行焊前和焊后的熱處理工藝，確保焊接質(zhì)量。

3.3 優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)

進(jìn)入21世紀(jì)，中國的PVC工藝快速發(fā)展，聚合釜的生產(chǎn)能力一再被提升，從小型釜到大型釜，從夾套換熱到攪拌型傳熱，聚合釜的性能得到了很大的提升。在提升聚合釜制造水平的同時，也要充分考慮內(nèi)部構(gòu)件所造成的高應(yīng)變區(qū)，優(yōu)化設(shè)計，盡量減少應(yīng)力集中[4]。

4 結(jié)語

該化工廠對上述定期檢驗的5臺聚合釜的裂紋缺陷進(jìn)行了返修，嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程進(jìn)行補(bǔ)焊或者打磨消除，消除深度在應(yīng)力允許范圍內(nèi)，進(jìn)滲透檢測復(fù)驗后，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)表面缺陷。綜合評定，定為2級，檢驗周期為3年。