反應釜過熱變形失效原因分析及處理

劉宏戰

摘 要：反應釜作為現代工業生產中重要的生產設備，在運行過程中難免地會出現一些問題，影響了生產安全性。為此，本文結合實際案例，對某化工企業1臺反應釜筒體下部出現過熱變形、壁厚減薄等現象進行檢驗，從材料、介質以及加熱方式因素等方面入手，對其失效原因進行了分析，并提出了相關的處理措施。

關鍵詞：反應釜；檢驗；失效分析；處理

引言

反應釜是工業生產中用作化學反應的容器，通常根據不同的工藝條件需求進行容器的結構設計與參數配置，實現工藝要求的加熱、蒸發、冷卻及低高速的混配功能。由于反應釜長期處于高溫高壓的工況下，在使用過程中往往會出現過熱變形、壁厚減薄、材料性能劣化等現象，倘若不及時解決，將會嚴重威脅著壓力容器的安全使用，甚至有可能造成非常嚴重的后果。因此，使用反應釜時應要加強檢驗、使用等管理，避免發生安全事故。

1.實際案例

1.1設備概況

某化工企業1臺“改質瀝青反應釜”進行了定期檢驗。該臺壓力容器于2012年10月開始投用。該釜結構如圖1所示，相關數據見表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、安全附件及攪拌設施。該釜加熱使用的燃燒介質為經過簡單凈化后的焦爐煤氣，可燃成分主要為CH4，H2，CO等，火焰溫度達到980℃、煙室煙道溫度達到700℃、介質溫度390℃，每天24h運行。每次持續一個半月，加熱過程中，在容器內頂部產生的氣態閃蒸油為易燃易爆介質且含有H2S成分，攪拌機轉速3r/min。原設計每天處理原料200t，現每天處理400t。使用中容器內壁有局部結焦現象，厚度可達30mm，每一個半月停機后采用機械方法進行內部除焦。

1.2檢驗結果

通過檢驗，發現存在以下問題：

（1）內外部宏觀檢驗中，有兩處變形部位：①在距下封頭與筒體連接的環焊縫1600mm長度范圍內的筒體上，存在弧長約1700mm的大面積環向帶狀過熱變形區，面積約2.72m2（波數為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）；②在Ⅰ號變形區對面距下封頭與筒體連接的環焊縫1600～2650mm范圍內，筒體上存在弧長約1050mm的大面積環向帶狀過熱變形區，面積約1.1m2（波數為1）變形部位最大深度約30mm、最小壁厚22.6mm。此處外壁正是高溫煙氣第一個轉向部位（以下簡稱Ⅱ號變形區）。

（2）硬度檢驗中，檢驗其硬度值為內壁HB139、外壁HB184。Ⅰ號變形區域最深處進行硬度檢測分別為內壁HB324、外壁HB433；Ⅱ號變形區內壁HB320、外壁HB398。經對比表明變形區域硬度值明顯偏高。

（3）金相檢查中，發現晶界出現燒熔組織結構，符合金屬過燒組織特征，材料性能嚴重劣化。

（4）最小壁厚18.3mm，遠遠小于30mm的設計壁厚。強度校核后，剩余壁厚已不滿足安全運行的要求。

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，具有較高的持久強度，但在長時間的恒溫、恒應力作用下會緩慢產生塑性變形的蠕變現象。不同材料出現蠕變的溫度是不同的。合金鋼當溫度超過350～400℃時出現蠕變。一般來說，金屬只有當溫度超過0.3～0.4Tm時才會出現較為明顯的蠕變（Tm為材料的熔點，以K為單位）。從表1可見該釜長期在300～400℃溫度下運行，蠕變因素對變形失效影響較大。

2.2介質因素

該反應釜使用的介質是煤焦瀝青，常溫下為黑色固體，無固定的熔點，受熱后軟化，高溫時呈液態，低于180℃不易流動，密度達到1.2kg/m3。反應釜的作用是通過加溫加壓去除其中的閃蒸油。盡管容器內部裝設了3層攪拌裝置，但由于這種介質比熱容較小不利于熱量的吸收和傳導，筒體下部局部高溫的存在，造成瀝青在容器內壁上結焦，厚度能達到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，焦爐煤氣直接接觸容器壁側向進行加熱，每天工作24h。火焰溫度達到900℃左右，煙道溫度達到700℃，煙道出口溫度可達500℃。使用中，超設計溫度長期運行。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計圖紙進行施工。高溫煙氣未能在第1層實現熱量交換直接上升進入第2層，在第2層轉煙室繞筒體旋轉180°后進入第3層，在第3層旋轉90°后進入第4層，在第4層旋轉90°后進入第5層，旋轉180°后進入煙囪排放。這樣的煙氣流程布置不科學，在第1層高溫煙氣基本沒有圍繞筒體旋轉進行熱量交換，致使高溫煙氣在進入第2層轉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象發生，不能實現熱量的充分交換，換熱效率低下，同時造成能源的浪費。

3.處理措施及結果

原反應釜報廢處理后，該使用單位新購入一臺反應釜進行安裝，結合現場條件對新安裝的反應釜加熱裝置及煙道進行了設計改造，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面增加擋煙墻使高溫煙氣圍繞筒體螺旋360°進入第2層，同理圍繞筒體依次進入3，4，5層，形成煙氣圍繞筒體螺旋上升的態勢最后排出煙道。這樣設計，最大限度地延長了煙道流程，防止了煙氣短路現象發生，并提高了攪拌設備的轉速，實現了熱量的充分交換，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。經過一年多運行，檢查未見變形現象發生。整改結果不僅延長了設備使用壽命，節約了企業成本；而且熱能達到充分利用，節約了能源，減少了污染。

4.結語

總而言之，反應釜是一種反應設備，在使用中一定要十分注意，否則會因為多方面原因造成損壞，最終影響設備的正常運行。本文通過對反應釜過熱變形失效原因進行分析，結果表明：加熱方式和煙氣流程布置存在的缺陷是造成反應釜變形失效的主要原因。并對新安裝的反應釜進行了設計改造，確保了設備的安全運行，企業也獲得了良好的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

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