PVC大型聚合釜缺陷檢測及分析

閆風影，曹磊，沈冬奎(山東省安泰化工壓力容器檢驗中心，山東 濟南 250014)

0 引言

聚合釜是PVC聚合生產線上的重要設備之一，進行聚合反應時可以單釜間歇進行，也可以多釜串聯連續進行[1]。聚合釜中一般安裝攪拌器和擾流板，促進物料接觸，加速反應進行。生產中聚合釜操作可以分為四個工況，準備-初始升溫-聚合-泄壓冷卻，運行工況比較復雜，工作環境較為惡劣，在使用過程中出現缺陷的幾率比較高，而設備的安全運行直接關系到產品的產量和生產成本。

1 設備缺陷確定

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

表1 聚合釜基本參數

1.1 檢測手段

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

圖1 宏觀檢查缺陷

表2 壁厚測量結果

因為聚合釜介質的高腐蝕性，聚合釜多是采用復合板結構，外部使用碳鋼承受壓力，內壁采用不銹鋼應對介質的強腐蝕性，從而延長設備使用壽命，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、簡潔且對結構沒有太大的限制。通過對聚合釜內表面的滲透檢測，發現多處缺陷，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，內表面會出現腐蝕和創傷面掛膠等現象，從而影響釜壁的傳熱性能，進而影響反應的轉化率，為避免這種現象的發生，本次檢驗的5臺聚合釜內表面均進行了鏡面拋光處理[3]。本次檢驗過程中發現鏡面上多處存在明顯的劃痕，類似于粗糙的顆粒快速通過鏡面時留下的痕跡。另外筒體內壁的裂紋也是比較明顯的，有的斷斷續續長達20 cm，有的深度深達2 mm，甚至有的明顯已經穿透防腐層，進入碳鋼層。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臺聚合釜設計、制造、安裝均是相同的廠家，且同時投入使用。對5臺設備的內壁和內部結構進行滲透檢測，將出現的缺陷情況進行匯總，如表3所示。

表3 滲透檢測發現表面缺陷匯總

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

2 缺陷形成原因分析

聚合釜在使用過程屬于間歇操作，經常要進行加壓、泄壓、升溫、降溫，加之設備結構較為復雜，內部構件較多，存在不連續性，這就造成了設備要承受更大的疲勞應力和溫差應力，容易出現缺陷。

2.1 操作工況對缺陷產生的影響

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

設備的操作工況一直存在升-降壓和升-降溫，這使得設備一直承受的交變的拉-壓應力，而焊縫的殘余應力將交變載荷的應力水平進一步提高，為裂紋的產生提供了源頭。

2.2 設備結構對缺陷產生的影響

聚合釜襯里材料是S30408，筒體材料是Q345R，裂紋形成后，在交變載荷和強腐蝕環境下共同作用，裂紋進一步向筒體延伸擴展，如果裂紋穿透襯里層，介質直接接觸筒體，沒有了防腐層的保護，裂紋擴展速度將大大提升，直至貫穿筒體，造成不可挽回的損失。筒體內復雜的內部結構，通過焊接方式連接的各個部件，導致焊接區域存在較大的殘余應力，在介質高速運轉下對部件施加的作用外力的聯合作用下，在焊縫區域產生疲勞，產生了較為明顯的應力腐蝕，加速了裂紋的產生和擴張。

3 主要預防措施

3.1 加強定期檢驗

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

3.2 嚴格焊接規程

要充分考慮釜體內部結構，嚴格采用評定合格的焊接工藝進行施焊和補修。特別是施焊比較困難的部位，要更加嚴格地按照操作規程進行。對于異種鋼焊接，要注重殘余應力消除等操作規程，嚴格進行焊前和焊后的熱處理工藝，確保焊接質量。

3.3 優化設計結構

進入21世紀，中國的PVC工藝快速發展，聚合釜的生產能力一再被提升，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，也要充分考慮內部構件所造成的高應變區，優化設計，盡量減少應力集中[4]。

4 結語

該化工廠對上述定期檢驗的5臺聚合釜的裂紋缺陷進行了返修，嚴格按照焊接工藝規程進行補焊或者打磨消除，消除深度在應力允許范圍內，進滲透檢測復驗后，未發現超標表面缺陷。綜合評定，定為2級，檢驗周期為3年。