超高压反应器的安全评定及检测

1 前言
本厂装置的超高压管式反应器，的经验表明：超高压内管在长期使用中有可能会因外表面的腐蚀诱发裂纹最终导致泄漏。

目前装置的超高压反应器已经使用了15年，内管外表面目前的腐蚀状况如何？
另外反应器的内管在制造时为了提高抗疲劳能力，曾对其进行自增强处理，使其内壁产生较高的压缩残余应力，此残余应力和正常操作时由内压和温差产生的应力叠加，可使反应管内壁处于较低应力水平。

但随着运行期间的增加，自增强产生的残余应力由于多种原因会逐步衰减。

现在反应管已运行15年，残余应力衰减后对反应管的继续安全使用有多大影响？
进行下述内容的试验研究：
1）选取一套冷却器的一根超高压管做外套管局部解剖后，对内管表面进行检查（包括表面腐蚀形貌、超声波测厚、表面硬度、表面金相复膜）。

检查完成进行液压试验。

了解冷却器内管外表面的腐蚀状况。

选取工况条件最为苛刻的一根管子作为代表，以得到偏保守的结果。

2）应用解析法、轴对称有限元法和三维有限元法对1套超高压管式反应器和3套超高压管式冷却器分别进行应力分析和强度校核。

作为安全评价的依据。

3）对套管冷却水质、超高压内管外壁水垢和腐蚀产物进行分析。

分析内容包括水中的O-、Cl-含量及pH值以及腐蚀产物的主要组分。

4）依据材料损伤累积原理对反应管进行寿命估算，并假设已存在微裂纹的情况下依据该类材料的疲劳裂纹扩展速率估算剩余寿命，为安全评价提供依据。

5）根据检测和研究需要，进行同种材料的小试样试验。

包括材料的理化、力学性能和断裂韧性等等。

6）对设备进行安全评估。

综合上述各项研究结果，对设备继续运行给出安全性评价意见。

2 检验结果
2.1现场检验结果
2.1.1外观检验
（1）反应管
外观目视检查发现反应管的外壁有轻微的均匀锈蚀和少许点蚀，内壁光滑未见腐蚀产物。

（2）冷却管外观目视检查发现冷却管的外壁有明显的均匀锈蚀和点蚀，内壁与反应管相似。

2.1.2 超声波测厚
现场超声波测试见图2.6 ,测厚仪型号为LA-30 ,测量数据见表2.1~2.2。

表2.1 反应管壁厚的测量数据
测量方向测点编号2# 测点编号3# 测点编号4# 0o 29.4 mm 28.9 mm 29.6 mm 90o 29.2 mm 29.2 mm 29.1 mm 180o 29.8 mm 29.4 mm 29.3 mm 270o 29.5 mm 29.6 mm 29.7 mm 平均值29.5 mm 29.3 mm 29.4 mm
注: 测量方向以管子从左到右看，进水口法兰朝上，最上为
0，逆时针依次为0
90，0
180，0
270。

表2.2 冷却管壁厚的测量数据
测量方向夹套开口位
置编号2# 夹套开口位
置编号3#
夹套开口位
置编号4#
0o 11.3 mm 10.4 mm 10.6 mm 90o 11.4 mm 11.3 mm 11.3 mm 180o 11.7 mm 11.5 mm 11.3 mm 270o 11.6 mm 11.5 mm 11.5 mm 平均值11.5 mm 11.2 mm 11.2 mm
注: 测量方向以管子从左到右看，进水口法兰朝上，最上为
0，逆时针依次为0
90，0
180，0
270。

2.1.3表面硬度测量
硬度计型号为HLN-11 ,测量数据见表2.3~2.4。

表2.3 反应管外表面硬度（HL）测量数据
测量位置
测量次数
2# 3# 4#
1 613 613 610
2 607 581 571
3 611 597 622
4 618 602 621
5 604 614
6 582 622
平均值606 598 610
换算HB 327 316 332
表2.4 冷却管外表面硬度（HL）测量数据
测量位置
测量次数
2# 3# 4#
1 539 556 576
2 497 567 576
3 56
4 561 576
4 522 527
5 512 532
6 516 534
平均值533 540 534
换算HB 292 299 292
2.1.4表面金相检验
现场分别取超高压反应管和冷却管各一根，每根超高压管各取二点，进行表面金相检验，表面金相检验采用复膜法进行。

检验的超高压管。

对超高压管外壁进行打磨、抛光并用4%硝酸酒精浸蚀，清洗后采用醋酸纤维复膜，固化后取下，在光学显微镜下进行观察。

图2.9 反应管表面金相组织（点2）
图2.10 反应管表面金相组织（点1）
图2.11 冷却器管表面金相组织（点1）
图2.12 冷却器管表面金相组织（点2）
检验结果显示，反应管和冷却管外表面金相组织均为回火索氏体+铁素体。

2.1.5 压力试验
根据“聚乙烯装置超高压容器及管道安全技术规程”的要求，对冷却器管进行压力试验，试验压力为200MPa。

在冷却管压力试验过中，采用电阻应变测试技术，对冷却管外壁应力进行测试。

测试在现场进行。

在试验管外壁选择二点，用502快干胶贴上直角应变花，二应变片的轴向分别为冷却管的轴向和环向，见图2.13。

另选一段4333M4钢管贴温度补偿片，连接导线至电阻应变仪，见图2.14。

试验在现场进行，压力源由厂里提供，见图2.15。

测试过程为每加压50MPa ，保压5分钟后进行应变测试，直至200MPa 。

试验结果见表2.5。

表2.5 应力测试结果
试验
压力
MPa
测点一
测点二 轴向
应变
με
环向
应变
με 轴向
应力
MPa 环向
应力
MPa 轴向
应变
με 环向 应变 με 轴向 应力 MPa 环向 应力 MPa 50 40 128 17.4 32.3 39 138 17.8 34.6 100 79 282 36.1 70.7 77 295 36.5 73.6 150 117 436 54.7 108.9 117 455 55.9 113.4 200
158
588
73.8
146.9
156
612
74.8
152.4
图2.17 应变测试结果
图2.18 应力测试结果
由图2.17和图2.18可见，二测点测得的应力较为接近，应力随压力的增加线性增加，略低于理论计算值。

打压至表压200MPa（见图2.16），冷却管没有出现泄漏和明显变形，无异常现象发生。

2.2 实验室检测
2.2.1材料理化性能
由于在用反应管和冷却管不能取样，于是选取了一根新的4333M4钢管进行理化性能检验，以获得可供参照的材料性能。

检测结果如下：
实测材料的化学成分分析结果见表2.6。

表2.6 化学成分分析结果 wt%
C Mn Si Cr Mo Ni P S Cu Sn As Sb Al
实测0.34 0.85 0.29 0.79 0.39 1.86 0.008 0.005 0.11 0.006 0.005 0.001 0.025
规定
0.3~
0.38
0.70~
1.00
0.15~
0.35
0.70~
0.90
0.35~
0.45
1.65~
2.00
《0.01
5
《0.00
5
《0.1
5
《0.0
2
《0.00
9
《0.00
5
0.02~
0.04 按ASTM A370标准进行力学性能及冲击性能测试，试验结果见表2.7。

表2.7 力学性能及冲击性能测试结果
试样编号0.2（MPa）b (MPa) （﹪）（﹪）冲击功（J）
1 1005.9 1084.1 20.5 64 97.6
2 995.5 1065.2 19.4 6
3 95.2
3 1002.9 1073.6 22.8 6
4 91.1
平均1001.4 1074.3 20.9 64 94.6
规定≥950 1030~1170 ≥16 ≥50
平均60 单个最小42
对钢管横截面进行硬度测试，测得的硬度值为329~335HB，平均为337HB，符合相关标准规定硬度为300~360HB的要求。

2.2.2断裂韧度测试
断裂韧度测试参照ASTM E813-89标准，试验温度为室温，试验在INSTRON 8032材料试验机上进行，测得的J R阻力曲线见图2.20。

试样采用拱形三点弯型式，直接从钢管上截取，尺寸为全厚度试样，见图2.19，试样尺寸见表2.8。

表2.8 拱形三点弯试样的尺寸
R1, mm R2, mm H, mm B, mm
39.8 17 28 12
图 2.19 拱形三点弯试样简图
图2.20 JR 阻力曲线
根据J R 阻力曲线的特征值J 1C ，由式C
C J E
J K 1211)(ν
-=
估算材料的K 1C 值，结果见表2.9。

表2.9 断裂韧度测试结果
J R 阻力曲线方程 相关系数 R J 1C , MPa.m 断裂韧度K 1C ,Mpa √m
J R =0.2869(△a)
0.7758
0.9751
0.098
148.95
该结果表明，4333M4钢管具有较高的断裂韧性值。

2.2.3腐蚀产物分析
现场检验显示，反应管表面腐蚀轻微，可见红色防锈涂料，而冷却管外壁发生了较为明显的均匀腐蚀。

从冷却管外壁取腐蚀产物，进行X 射线衍射分析，分析腐蚀产物的结构，并对冷却器水中的溶解氧和氯离子含量以及水的PH 值进行分析。

腐蚀产物X 射线衍射谱线图见图2.21。

测试结果表明，冷却器外壁腐蚀产物为Fe 3O 4即铁锈。

图2.21 腐蚀产物结构分析谱线
质谱法测试水中氯离子含量，测得的谱线见图2.22。

测试结果表明，水中氯离子含量为93ppm。

依据GB6920-86和GB11913-89标准测试水的pH值和水中的溶解氧，测试结果见表2.10。

表2.10pH值和溶解氧测试结果
检验项目测试结果分析方法
Ph 8.41 GB6920-86
DO mg/L 6.85 GB11913-89
图2.22质谱法测试结果
3 计算结果
3.1应力分析和强度校核
采用理论分析、二维轴对称有限元分析和三维轴对称有限元分析相结合的方法，对不同载荷工况下超高压管式反应器和冷却器分别进行了详细的应力分析，并在此基础上进行了静强度校核，得到以下主要结论：
（1）在详细的应力分析之后，采用第三强度理论对超高压反应管进行了强度校核，结果表明：无论内压载荷下的反应管，还是不考虑自增强残余应力时内压和温度同时作用下的反应管，均能满足强度校核条件，在工作载荷工况下超高压反应管是安全的。

（2）同样对高压管式冷却管在详细的应力分析之后，采用第三强度理论进行了强度校核，结果表明：无论内压载荷下的高压管式冷却管，还是不考虑自增强残余应力时内压和温度同时作用下的冷却管，均能满足强度校核条件，在工作载荷工况下高压管式冷却管是安全的。

（3）对不同载荷工况下超高压反应管，无论采用二维轴对称有限元分析方法，还是采用三维轴对称有限元分析方法，计算得到的结果是一致的，表明所用有限元分析方法得到的计算结果是可靠的。

3.2反应管剩余寿命分析
目前尚未发现超高压管上存在裂纹类缺陷，考虑到装置已运行15年，根据对损伤累积的原理，
假设超高压管已萌生裂纹，依据该类材料的疲劳裂纹扩展速率对反应管进行剩余寿命估算的结果如下。

根据同类材料的试验结果，对于4333M4这样的超高强度钢疲劳裂纹扩展速率取：da/dN=8.34×10-15ΔＫ4.51。

按照最保守的假使，即自增强残余应力已全部衰减，并取最苛刻的工况条件内压和外热温差应力联合作用。

计算中内压取实际的操作压力270MPa，外热温差取100℃，径比k=2.16。

同时假设存在一个深1.8mm表面长4mm的内表面裂纹，（作这样的裂纹尺寸假设是考虑到对这样尺寸的裂纹工程上是可检测出的），计算其疲劳裂纹扩展寿命的结果为：
按Newman式，N=9400次
按岩馆式， N=11700次
由此可见，即使是最小的计算值也达9000多次，取20倍的安全系数，可得允许的开停车次数为450次，即使每年开停车30次，也可使用15年。

上述估算假定残余应力全部衰减到零，而实际上残余应力虽会衰减，但在无特殊操作工况（如分解反应）的条件下会逐渐稳定在某一应力水平的。

因此反应管的疲劳裂纹扩展寿命将比上述的估算值长。

4 综合分析
由现场检测可见，两种管子的内壁完好无损，反应管的外表面状况良好。

冷却管的外表面由于水质控制不如反应管，导致产生了均匀腐蚀和局部坑蚀，但深度≯1mm。

分析表明腐蚀产物是由水中的氧引起的Fe3O4即铁锈。

未发现裂纹类表面缺陷。

超声波测厚的结果表明反应管的最小壁厚28.9mm （标称壁厚29mm），冷却管的最小壁厚10.4mm（标称壁厚10.95mm）。

径比仍处于原设计的范围内。

材料表面硬度与新材料的硬度相当。

金相组织正常。

说明反应管和冷却管虽经长期运行，但材料本身组织、性能尚未发生变化。

只要材料的力学性能不发生明显变化，实际径比处于原设计的范围内，则不管残余应力是否衰减，对于爆破和全屈服的安全系数均能满足原设计要求。

应力分析和强度校核计算表明无论是在内压载荷下还是不考虑自增强残余应力时内压和温度同时作用下的反应管和冷却管，均能满足强度校核条件，在目前工作载荷工况下均是安全的。

另外，4333M4钢的韧性良好，其断裂韧性为148.95MPa，由断裂力学分析所得的临界裂纹尺寸大于壁厚，所以反应管和冷却管的疲劳失效模式将是LBB（先漏后破）。

并且即使在内壁已存在小裂纹和残余应力衰减到零的情况下，对实际的起动——停止工况条件，仍有足够的疲劳扩展寿命。

参考文献
[1] 《超高压管式反应器和管式冷却器应力分析和强度校核》.
[2] 《工业金属管道设计规范》GB50316-2000.
[3] 《在役超高压反应器安全分析和评定》汲寿广，大庆石油学院 , 2000.
[4] 《超高压自增强反应器的安全评定方法》汲寿广，大庆石油学院 .
[5] 《超高压容器（化工设备设计全书）》邵国华，化学工业 2002.8 .
致谢
在论文完成之际,我要特别感谢我的指导老师秦玉尧教授的热情关怀和悉心指导。

在我撰写论文的过程中，秦教授倾注了大量的心血和汗水，无论在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的成文定稿方面，我都得到了秦教授的悉心细致的教诲和无私的帮助，在此我表示真诚的感谢。

在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵意见，同时还得到了许多的同事、朋友的大力支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。

感谢所有关心、支持、帮助我的良师益友。

最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出意见的各位专家、教授表示衷地感谢。