聚合反應釜噴射器失效原因分析

劉邦 郭明鑫 李齊 于東林

摘 要：針對某合成樹脂廠膠乳聚合反應釜噴射器泄漏失效頻率高、對生產影響大的問題，本文對噴射器失效進行了研究，通過實際考察和對比，并通過模擬分析和失效點金相組織分析，得出現有噴射器失效原因是高壓汽蝕和氫化腐蝕。通過對噴射器材料選擇和結構合理設計，對原有噴射器做了設計改造，經實際使用證明，改造后的噴射器，使用可靠性比較好，有效解決了噴射器失效頻率高的生產隱患問題。

關鍵詞：高壓汽蝕 氫化腐蝕 泄漏失效 材料選擇結構設計

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（a）-0081-03

某石化生產廠合成樹脂車間膠乳聚合反應釜是合成樹脂工藝的關鍵設備，反應釜單元的任何管路和設備失效或故障，都會給生產和生產安全造成不同程度的影響。該廠反應釜進料高壓噴射器經常發生泄漏失，平均每月泄漏兩次。反應釜進料高壓噴射器泄漏，需要聚合單元停車，以便對泄漏的高壓噴射器進行補焊，嚴重影響了正常生產，也拉高了生產能耗和生產成本，影響產品質量的穩定性；同時，噴射器的泄漏，也是生產的安全隱患。

1 噴射器泄漏模式和工況分析

膠乳反應釜噴射器泄漏，都是在同一個位置發生，而且都是噴射性點泄漏，如下圖1所示。噴射器的工況是，噴射管內是常溫工藝水，進口壓力為0.6MPa，噴射壓力為1.0MPa；蒸汽溫度120℃、壓力0.4MPa，如圖2所示。

2 噴射器失效原因分析

從膠乳反應釜噴射器工況情況和失效模式，對噴射器失效原因從結構、工況和選材三個方面進行分析。

2.1 噴射器結構分析

高壓噴射器的結構形式如圖3所示，其中，①處為工藝水進入，②處為進高壓蒸汽進入。

從結構分析，改變噴射器噴射段、射流段長度，可以改變噴射器工作時的受力狀態和工藝狀態。

2.2 噴射器工況

利用ANASYS 軟件對噴射器工況模擬，顯示其沖蝕情況分析（如圖4所示）。

從工作應力上看，噴射器噴射段處于增壓過程，工作應力最高，但工作介質溫度相對于射流段低；射流段工作應力不僅較高，僅次于噴射段應力，而且工作介質溫度較高。應力狀況分析如圖5所示。

從噴射器壓力變化上看，噴射器射流段出口處壓力突變較大，壓力突然升高，這是由于工藝水經加熱，產生蒸汽，隨工藝水流動至該處時，形成瞬時高壓；同時由于工藝水水溫升高，該段水壓處于下降過程，溶解氣體的能力下降。這樣，造成汽蝕，如圖6所示。

從噴射器沖蝕情況模擬來看，噴射器在噴射段的沖蝕程度小于射流段的沖蝕程度，射流段點泄漏處的沖蝕最為嚴重。這是由于射流段的工藝水溫度升高，導致該段材料溫度相應升高，材料耐沖蝕能力下降；同時由于工藝水在射流段后經變徑段，流入等徑工藝管，發生流態變化，在變徑前形成回流，尤其形成水蒸氣回流，對泄漏點處形成沖蝕。

2.3 噴射器材質分析

噴射器采用304鋼制造，在噴射器泄漏點進行材質分析，其掃描電鏡下的微觀形貌如圖7所示。

從噴射器射流段泄漏點材料金相組織來看，材料發生明顯的腐蝕。這是由于泄漏點處，一方面由于該點受高壓汽蝕，誘發點腐蝕；另一方面水蒸氣會對該段形成氫化腐蝕，并在高壓汽蝕性點腐蝕情況下，氫化腐蝕明顯；在高壓汽蝕和氫化腐蝕影響下，腐蝕點處材料均一性和成分發生變化，加劇該處腐蝕。

3 噴射器改造

經上述噴射器失效原因分析，對噴射器做如下改造。

在結構上，改變噴流管的噴射段和射流段長度，如圖8所示。噴射段長度由原來的115mm改為125mm，射流段長度L1由原來的670mm改為660mm，目的是減小射流段回流影響，總長度L0不變。

在選材上，噴射器選用與304L鋼來制造，高溫穩定性好，抗沖蝕能力強，抗氫化腐蝕性能良好。

4 結語

通過對膠乳反應釜噴射器的結構分析、工況分析和材料分析，對點泄漏故障頻發的高壓噴射器進行了新的選材設計和結構設計；按照改造后的設計，制作新的噴射器，安裝使用后，到目前為止，已經正常使用近一年時間，沒有發生噴射器泄漏失效。

通過噴射器技術改造，提高了設備可靠性和工藝穩定性，降低了設備維護費用，也降低了工藝生產產能消耗，取得了良好經濟效益。

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