超高压聚乙烯反应器检验与安全分析

超高压聚乙烯反应器检验与安全分析

合肥通用机械研究所压力容器检验站󰀁胡明东󰀁杜护军󰀁崔󰀁军󰀁王家辉

中石油兰州石化公司󰀁王乐福󰀁马润生󰀁马建华󰀁张󰀁健

摘󰀁要:针对我国20

世纪60年代由英国(ICI)西蒙-卡夫斯公司引进的超高压聚乙烯反应器的结构

特点,结合具体实例介绍超高压聚乙烯反应器的检验与安全分析。

关键词:反应器;检验;安全分析

中图分类号:TQ051󰀁3󰀁󰀁文献标识码:B󰀁󰀁文章编号:1001-4837(2002)10-0047-05

Inspection&SafetyAnalysisonPolyethyleneHigh-PressureReactor

HefeiGeneralMachineryResearchInstitute󰀁HUMing-dong󰀁DUHu-jun󰀁CUIJun󰀁WANGJia-hui

PetrochinaLanzhou󰀁WANGLe-fu󰀁MARun-sheng󰀁MAJian-hua󰀁ZHANGJianAbstract:ThepaperinvestigatethestructurecharactersofthepolyethylenereactorimportedfromSIMON-CARVESLTD.oftheU.K.in1960s.Onthebasisofparticularfieldworkitintroducesinspection&safetyanalysisofthereactor.

Keywords:reactor;inspection;safetyanalysis

,

󰀁󰀁1󰀁前言

兰州石化公司石油化工厂20世纪60年代由英国(ICI)西蒙-卡夫斯公司引进的釜式生产高压聚乙烯装置,于1966年动土兴建,1970年建成投产。现有250升超高压反应器7台,运行三十多年来反应器的安全状况明显下降。受兰州石化分公司石油化工厂委托,合肥通用机械研究所压力容器检验站于2001年对该厂超高压聚乙烯反应器(68146T)进行了检验与安全分析。

1󰀁1󰀁超高压聚乙烯反应器(68146T)概况及主要技术参数

设计单位:英国(ICI)西蒙-卡夫斯公司;设计日期:1964年11月;设计压力:225󰀁4MPa(2300kgf/cm2);设计温度:300󰀂;设计最大工作压力:196MPa(2000kgf/cm2);实际最高工作压力:147MPa(1500kgf/cm2);实际工作温度: 285󰀂;工作介质:乙烯、聚乙烯;主体材质:英国BS970En25(T)(相当于中国的

33CrNi3MoA);公称壁厚:101󰀁6mm;内径:305mm;外径:508mm;高度:5312mm(筒体3505mm);容积:

250L;制造单位:英国钢厂;出厂日期:1982年;投用日期:1983年。

1󰀁2󰀁可能出现的问题

(1)反应器内部的分解爆破,产生瞬时高温、高压,可能导致筒体尺寸的变化;

(2)反应器内部的分解爆破,产生瞬时高温、高压,可能导致筒体内壁表面材料硬化、渗碳,甚至产生裂纹或大面积损伤;

(3)反应器内部的分解爆破,产生瞬时高温、高压,会降低材料的塑性;

(4)操作条件的改变,特别是筒体内外壁温差的减小会使筒体内外壁应力发生变化;

(5)设备的开停车、分解爆破、超压爆破会出现压力和温度的波动,在筒体的内壁特别是开孔部位产生疲劳裂纹;

(6)反应器筒体和电机罩可能会存在着不同程

!47!CPVT󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁超高压聚乙烯反应器检验与安全分析󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vol19.No102002

度的机械损伤及螺纹丝孔损坏等缺陷;

(7)筒体上开孔的扩大有可能对强度产生不利的影响。

1󰀁3󰀁检验与安全分析依据(或参照)的标准、规范和文件

(1)∀锅炉压力容器安全监察暂行条例#;(2)∀超高压容器安全监察规程(试行)#;(3)JB4730∃94∀压力容器无损检测#;(4)YB/T5148∀金属平均晶粒度测定法#;(5)中石化总公司∀聚乙烯装置超高压容器和管道的安全技术规程#;(6)∀高压聚乙烯反应器筒体制造、验收、维修技术条件#(1972);(7)∀超高压容器设计#;(8)超高压聚乙烯反应器(68146T)有关资料及图纸。

󰀁󰀁2󰀁检验工作内容

根据本台超高压聚乙烯反应器(68146T)可能出现的问题,依据∀锅炉压力容器安全监察暂行条例#、∀超高压容器安全监察规程(试行)#和中石化总公司∀聚乙烯装置超高压容器和管道的安全技术规程#等文件我们编制了超高压聚乙烯反应器(68146T)检验与安全分析实施方案,对本台反应器进行了原始资料审查、内外部表面检查、壁厚测定、磁粉检测、渗透检测、超声检测、硬度测定、金相检验、热处理、耐压试验、声发射检测、强度校核、有限元计算,并根据超高压反应器正常运行时每隔一段时间要分解爆破1次(爆破时瞬时温度超过1000󰀂,瞬时压力达1750MPa),为掌握分解爆破时热循环对超高压反应器材料33CrNi3MoA钢组织和性能的影响,特进行模拟试验研究。

2󰀁1󰀁内外部表面检查

(1)该反应器结构为整体锻造(无焊缝),平盖封头,筒体与电机罩、筒体与底盖以及电机罩与顶盖的连接方式均为锯齿型夹紧圈连接,筒体侧壁开设有进料孔和测温孔;

(2)筒体内外壁表面光滑、无腐蚀、无损伤;筒体上端和下端波形环座表面未发现损坏现象;上次检验发现损坏而由G1%改成M36&2的筒体凸台处的进气丝孔(9#点),此次检验未发现损坏现象;筒体其余光孔及螺纹孔部位均未发现损伤;筒体锯齿型部位局部有损伤;

(3)上端盖表面、上端盖波形环座表面和压力表孔及中间测温孔均未发现腐蚀与损伤;

(4)电机罩上端有四个电极插孔,其中a、b电

!48!极插孔内壁有电弧灼伤,本次检验发现a、b电极插孔内壁相贯线区域有铜熔进电机罩本体;

(5)下端盖表面、波形环座表面及通孔均未发现腐蚀与损伤,丝孔部位因担心拆卸螺栓损伤螺纹此

次未拆卸(上次检验曾因拆卸螺栓后丝孔损伤而进行改造过);

(6)锯齿形夹紧圈内表面未发现腐蚀、损伤及变形,外表面在锯齿形夹紧圈结合处有大锤敲击痕迹;安全线夹圈内外表面和爆破帽座及󰀁51通孔均未发现表面裂纹、腐蚀,安全线夹圈两法兰外表面有碰伤痕迹;主螺栓未发现表面裂纹,但局部有损伤,已由车间负责更换;

(7)对筒体和筒体、电机罩及端盖的波形环座内径进行了测量。2󰀁2󰀁壁厚测定

筒体和电机罩共测壁厚44点,实测最小壁厚为102mm,均大于公称壁厚101󰀁6mm。

2󰀁3󰀁磁粉检测(1)筒体

1)热处理前对筒体外表面进行100%磁轭法探伤,未发现缺陷磁痕;

2)热处理后对筒体内表面进行100%偏置芯棒法探伤并用内窥镜观察、外表面进行100%磁轭法探伤,均未发现缺陷磁痕;

3)耐压试验后对筒体内表面进行100%偏置芯棒法探伤并用内窥镜观察、筒体内表面两端距端面500mm范围内进行磁轭法探伤并用放大镜观察、外表面进行100%磁轭法探伤,均未发现缺陷磁痕。

(2)电机罩

1)热处理前对电机罩外表面进行100%磁轭法探伤,未发现缺陷磁痕;

2)热处理后对电机罩外表面进行100%磁轭法探伤,未发现缺陷磁痕。

3)耐压试验后对电机罩外表面进行100%磁轭法探伤、电机罩内表面距端面500mm范围内进行磁轭法探伤并用放大镜观察,发现两个电极插孔(A孔、B孔)内壁在有铜熔进电机罩母材的交界区域有裂纹(此两个电极插孔曾由于电极打火造成灼伤,内壁电极孔边有铜熔进电机罩母材)。

A孔:在有铜熔进电机罩母材的交界面处发现1条裂纹(长4mm),裂纹垂直于交界面呈放射状,打磨未消除(打磨深度<2mm);B孔:在有铜熔进电机罩母材的交界面附近的电机罩母材上发现2处裂纹

第19卷第10期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁压󰀁󰀁力󰀁󰀁容󰀁󰀁器󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁总第119期

(共10条,长2~5mm),已打磨消除(打磨深度<2mm);在铜熔进电机罩母材的交界面处发现8条裂纹(长2~5mm),裂纹沿电机罩母材且垂直于交界面呈放射状,打磨未消除(打磨深度<2mm)。

(3)端盖

耐压试验前、后分别对上、下端盖(共2个)表面进行磁轭法探伤,均未发现缺陷磁痕。(4)锯齿形夹紧圈、安全线环夹圈和侧壁孔加强环

1)耐压试验前分别对锯齿形夹紧圈(上部、中部、下部共6个)、安全线环夹圈(共2个)和侧壁孔加强环(共3个)的表面进行磁轭法探伤,均未发现缺陷磁痕;

2)耐压试验后分别对安全线环夹圈和中锯齿型夹紧圈的表面进行磁轭法探伤,均未发现缺陷磁痕。

2󰀁4󰀁渗透检测(1)筒体

1)热处理前、后分别对筒体外壁锯齿形部位、波形环座、两爆破孔内壁进行渗透探伤,均未发现缺陷显示迹痕;

2)耐压试验后对筒体波形环座、两爆破帽孔内壁喇叭口、小径向孔(共8个小径向孔)内壁及喇叭口进行渗透探伤,均未发现缺陷显示迹痕。

(2)电机罩

1)热处理前对电机罩外壁锯齿形部位进行渗透探伤,未发现缺陷显示迹痕;

2)热处理后对电机罩外壁锯齿形部位、波形环座以及距端面500mm范围的内壁进行渗透探伤,均未发现缺陷显示迹痕;

3)耐压试验后对电机罩波形环座以及距端面500mm范围的内壁进行渗透探伤,均未发现缺陷显示迹痕。

(3)端盖、锯齿形夹紧圈、安全线环夹圈和侧壁孔加强环

分别对上、下端盖和锯齿形夹圈(共6个)、安全线环夹圈和侧壁孔加强环部位、波形环座进行渗透探伤,均未发现缺陷显示迹痕。

(4)锯齿形夹紧圈

耐压试验前分别对锯齿形夹紧圈(共6个)的锯齿部位进行渗透探伤,均未发现缺陷显示迹痕。

2󰀁5󰀁超声检测(1)筒体

1)热处理前、后分别对筒体进行100%超声波

探伤,均未发现超标缺陷。

2)耐压试验后对筒体进行超声波探伤抽查,未发现超标缺陷;

3)耐压试验后对筒体锯齿型部位齿根进行超声

波探伤,未发现超标缺陷;

(2)电机罩

1)热处理前、后分别对电机罩进行100%超声波探伤,均未发现超标缺陷;

2)耐压试验后对电机罩进行100%超声波探伤,未发现超标缺陷;

3)耐压试验后对电机罩锯齿型部位齿根进行100%超声波探伤,未发现超标缺陷。

(3)端盖

对上、下端盖进行超声探伤,未发现超标缺陷。(4)锯齿形夹紧圈、安全线环夹圈和侧壁孔加强环

1)耐压试验前分别对锯齿形夹紧圈(上部、中部、下部共6个)、安全线环夹圈(共2个)和侧壁孔加强环(共3个)进行超声波探伤,均未发现超标缺陷;

2)耐压试验后分别对安全线环夹圈和中锯齿型夹紧圈进行100%超声检测,未发现超标缺陷。

2󰀁6󰀁硬度测定

分别对筒体内壁母材、外壁母材、端面母材,电机罩内壁母材、外壁母材、端面母材,端盖内壁母材、外壁母材,以及筒体外壁爆破帽口边缘母材、电机罩内壁电极孔附近裂纹尖端部位母材进行硬度测定,共测108处。所测定的各部位硬度值除电机罩内壁电极孔附近裂纹尖端部位偏高外,其余均正常。测定结果如下:

(1)热处理前

1)筒体内壁母材、外壁母材和端面母材的硬度值分别为HB307~326、HB287~326、HB314~324;

2)电极罩内壁母材、外壁母材的硬度值分别为HB311~328、HB309~322;

3)上端盖内壁母材、外壁母材和下端盖内壁母材、外壁母材的硬度值分别为HB312~327、HB313~327、HB308~322、HB309~327。

(2)热处理后

1)筒体内壁母材、外壁母材、端面母材和外壁爆破帽口边缘母材的硬度值分别为HB301~314、HB290~319、HB302~319、HB290~314;

2)电极罩内壁母材、外壁母材、端面母材和内壁

!49!CPVT󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁超高压聚乙烯反应器检验与安全分析󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vol19.No102002

电极孔附近裂纹尖端部位母材的硬度值分别为HB306~318、HB301~317、HB311~316、HB366~388。

2󰀁7󰀁金相检验

热处理前、后分别对筒体内外壁母材、筒体端面母材、电机罩内外壁母材、电机罩端面母材和端盖内外壁母材进行金相检验,共检验14处,所检验各部位金相组织均为:索氏体+贝氏体(回火),见图1、图2。分析结果如下:

(1)所检验各部位金相组织均正常;(2)热处理前所检验各部位母材实际晶粒度约为6级,热处理后所检验各部约为7级;(3)所检验各端面部位靠内壁侧未见明显增碳现象;(4)电机罩内壁电极孔附近裂纹尖端主要呈沿晶开裂特征。

187MPa以前的声发射活动主要来自锯齿型夹紧圈、安全线环夹圈和侧壁孔加强环,从整个升压、保压过程的声发射检测结果来看,声发射信号与这些区域严重摩擦机制有关,建议在后续复检中进一步验证。声源区域及其严重次序结果见表1。

表1

序号阵列号123456

1-21-21-21-22-33-4

声源部位下锯齿型夹紧圈侧壁孔加强环安全线环夹圈中锯齿型夹紧圈下侧中锯齿型夹紧圈上侧上锯齿型夹紧圈

声源严重次序461523

重点复查重点复查建议

󰀁󰀁3󰀁安全分析

3.1󰀁静强度校核情况

(1)由于各工况压力的降低,本设备筒体的爆破安全系数比原设计值大;

(2)现操作状态下筒体的初始屈服安全系数小于设计值,建议操作时控制筒体的内、外壁温差不低于20󰀂时(内高外低);

(3)使用条件下筒体及其它部件的应力均低于

图1

原设计值。

3󰀁2󰀁扩大螺纹孔对设备的影响

(1)对螺纹孔的扩孔要求为:仅加大螺纹的尺寸,螺纹的螺距和深度不变,原密封结构也保持不变。在这种情况下,扩孔前后密封结构中紧固件、垫片施加于筒体的外载荷大小未变,紧固件施加于筒体螺纹的密封压紧力位置随螺纹外圆扩大,开孔处承受内压的有效截面积减小。

(2)由于扩孔前后孔的尺寸很小,均相当于在无

图2

限大平板上开孔,按弹性力学的分析,其在开孔面上的影响范围为开孔半径的4倍,在外载荷一定的情况下,开孔边缘最大应力是不变的。显然当开孔直径加大时,开孔截面的平均应力将要增大,当开孔尺寸变化不大时,平均应力的增加有限。有限元计算结果也表明,扩孔后局部薄膜应力和总应力略有增加,局部弯曲应力产生很小的变化。因此,将孔扩大到M45&2是可行的,即本设备在现有M36&2螺纹的基础上可再扩孔三次,尺寸分别为M39&2、M42&2和M45&2,可以满足使用要求。

3󰀁3󰀁电机罩电极插孔及其附近结构有限元计算

2󰀁8󰀁热处理

(1)整体热处理零件:反应器筒体、电机罩;(2)升温速度:60󰀂/h;

(3)热处理温度范围:560~580󰀂;(4)保温时间:8h;

(5)冷却方式: 40󰀂/h,冷至300󰀂出炉。2󰀁9󰀁耐压试验

(1)试验压力:224MPa(2280kgf/cm2);(2)试验介质:50%煤油和50%变压器油;(3)试验结果:合格。2󰀁10󰀁声发射检测

!50!第19卷第10期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁压󰀁󰀁力󰀁󰀁容󰀁󰀁器󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁总第119期

(1)电机罩电极插孔处的裂纹经分析,采用将电极插孔与筒体内壁相贯部位倒55∋的锥角消除裂纹的方案最佳。为比较裂纹消除前后该部位的应力状况,进而判定电机罩可否继续使用,需对其进行有限元计算分析。

(2)有限元计算程序的选择

本次分析计算属于热-力分析,即由反应器电机罩的温度边界条件计算出电机罩上的温度分布值,然后由此温度值再加内压等其它载荷可计算出电机罩及电极插孔附近结构上的应力值。采用美国ANSYS公司的有限元分析软件-ANSYS做前后处理与分析计算。

(3)有限元应力计算结果和分析结论

1)未倒锥角和倒锥角两种情况下,电极插孔部位的最大应力值略有增加,若不考虑材料的累计损伤,其对结构的疲劳寿命影响较小;

2)电机罩的电极插孔应采用倒锥角的方法消除裂纹,加工精度、粗糙度应达到原图样要求。在限定的尺寸内如不能消除裂纹,则建议电机罩报废;如在限定的尺寸内能消除裂纹,可考虑继续使用。鉴于电极插孔已经出现过裂纹的实际情况,用户应定期严格地对该部位进行检验。

3󰀁4󰀁模拟试验结果

对于33CrNi3MoA钢,随着模拟分解爆破的热循环次数的增加,材料的强度和硬度值略有变化,材料未见明显渗碳现象,冲击韧性值提高较大,断裂韧性值(CTOD)略有提高,而疲劳裂纹扩展速率(da/dN)没有明显变化。󰀁󰀁4󰀁结语

根据以上对超高压聚乙烯反应器(68146T)进行的原始资料审查、内外部表面检查、壁厚测定、磁粉检测、渗透检测、超声检测、硬度测定、金相检验、热处理、耐压试验、声发射检测、强度校核及有限元计算等结果,该设备检验与安全分析结论为:

(1)在加大螺纹的尺寸,螺纹的螺距和深度不变,原密封结构也保持不变的情况下,该反应器在现M36&2螺纹的基础上可再扩孔三次,尺寸分别为M39&2、M42&2和M45&2;

(2)电机罩更换后(或采取措施消除两个电极插

孔内壁边的裂纹并修复合格)该超高压反应器可继续使用,下次检验日期为2004年9月或分解爆破10次(应重点检查筒体和电机罩开孔部位内壁有无裂纹);

(3)应严格控制操作参数,并严格按照超高压聚乙烯反应器操作规程和∀超高压容器安全监察规程(试行)#及中石化总公司∀聚乙烯装置超高压容器和管道的安全技术规程#等有关标准、法规和规范进行操作和检验。具体要求为:1)操作时控制筒体的内、外壁温差不低于20󰀂(内高外低);2)分解爆破达到10次后,必须进行全面检查,并应进行热处理和耐压试验;3)操作压力:Pw 147MPa,操作温度:Tw 285󰀂,工作介质:乙烯、聚乙烯。

参考文献

[1]󰀁超高压容器安全监察规程(试行)[S].1993.

[2]󰀁聚乙烯装置超高压容器及管道安全技术规程[S].中石

化上海设备失效分析及预防研究中心,1999,8.[3]󰀁邵国华主编.化工设备设计全书.超高压容器设计

[M].上海科学技术出版出版,1983.

[4]󰀁兰州石油化工机器厂、兰州石油机械研究所合编.超高

压反应器设计[M],1974.

[5]󰀁兰州石油机械研究所、兰州石油化工机器厂、通用机械

研究所、兰化公司设计院1972年联合提出.高压聚乙烯反应器筒体制造、验收、维修技术条件[M].[6]󰀁JB4732∃95.钢制压力容器-分析设计标准[S].[7]󰀁BS5500∃1978.非直受火压力容器[S].[8]󰀁ASME-(-2.锅炉及压力容器规范[S].

[9]󰀁合肥通用机械研究所压力容器检验站.MK)超高压反

应器检验及安全性分析综合报告[R],2001,11.[10]󰀁合肥通用机械研究所压力容器检验站.MK)超高压

反应器强度校核报告[R],2001,11.

[11]󰀁合肥通用机械研究所压力容器检验站.MK)超高压

反应器有限元计算报告[R],2001,11.

[12]󰀁合肥通用机械研究所压力容器检验站.MK)超高压

反应器电机罩电极插孔及其附近结构的有限元计算报告[R].2001,12.收稿日期:2002-08-13

作者简介:胡明东,男,1962年生,高级工程师,合肥通用机械研究所压力容器检验站副站长,长期从事在用压力容器及压力管道检验工作。通讯地址:安徽省合肥市长江西路888号,邮编:230031。

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