一臺反應釜腐蝕開裂情況的分析和預防研究

肖杰，王宏虎

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院泰州分院，江蘇 泰州 225300）

1 前言

從廣義上來說，在其內部發生物理反應或者是化學反應的容器都可以被稱為反應釜，其作用一般是對其內容物進行加熱、蒸發或冷卻和充當反應容器。隨著我國工業發展進程的不斷加快，反應釜也得到了越來越多的應用，作為石油煉制、化學工業、醫用制藥和橡膠制造等生產領域的重要生產工具，反應釜在硫化、縮合、烴化等生產工藝中都發揮著重要作用。但在實際的生產過程中，由于反應釜大多都處于高溫、高腐蝕性等的生產條件中，而且生產環境十分復雜，在生產過程中會發生多樣的化學反應，以上種種原因都會造成反應釜的腐蝕開裂，嚴重時甚至會導致生產事故的發生。因此，需要對反應釜腐蝕開裂的原因進行分析，并采取有效的措施進行預防。

2 反應釜簡介

我市一化工廠有一臺2007年生產并于當年投入生產使用的反應釜，設計壓力容器內為-0.1～3.3MPa,夾套為0.66MPa；工作壓力容器內為-0.1～3.0MPa,夾套為0.6MPa。設計溫度容器內為290℃,夾套290℃；工作溫度容器內為230℃,夾套為230℃。內筒筒體和下封頭材質為16MnR+ N6（24+4）,上封頭材質為16MnR,厚度為28mm，夾套材質為Q235-B。內筒內介質為氫氣、甲醇、氫氧化鈉溶液（濃度＜30%），夾套內介質為導熱油。16MnR之間用焊條J507、N6和16MnR，間用牌號為ERNi-1焊絲，容器不進行熱處理。在上封頭和筒體之間的對接焊縫上加焊一塊厚度2.5mm、寬40mm的N6蓋板。裂紋產生部位示意圖如圖1。

圖1 裂紋產生部位結構示意圖

2012年10月，一次生產過程中，發現在上封頭與筒體連接的焊縫及附近的母材部位有蒸汽泄漏，進行內部檢查時，發現在上封頭與筒體連接的焊縫的蓋板的上口與上封頭焊接的搭接縫沿封頭（16MnR）側的融合線整圈裂開，在筒體與封頭的焊縫及兩側母材也發現了多條裂紋，在開裂處附近對筒體與封頭的焊縫兩側進行測厚檢驗時發現，開裂部位的最小厚度僅為10mm，而其他部位上封頭的厚度約為25mm左右。

3 反應釜腐蝕開裂的原因分析

3.1 設計、選材不合理

設計時，設計者知道介質對容器有腐蝕性，所以筒體和下封頭采用16MnR+ N6復合材料，而上封頭采用16MnR，另外，由于設計者擔心上封頭腐蝕后在焊縫部位形成界面突變（截面不連續），產生應力集中，所以在焊縫部位加上一蓋板，但在使用5年后，上封頭的厚度僅為25mm，腐蝕速率達到每年0.6mm，而蓋板的焊接熔深大約為2mm，所以腐蝕量超過2mm的情況下，蓋板根本不起作用，另外，設計者對介質在高溫環境下對上封頭的腐蝕情況認識不夠。

3.2 制造工藝的影響

反應釜封頭可通過旋壓或者沖壓形成封頭，但通常選用旋壓工藝形成的封頭，但是，由于旋壓法的固有特性，在加工過程中經常會造成材料發生不均勻的塑性變形，從而產生加工殘余應力，內表面受拉，外表面受壓。旋壓封頭冷加工成型，加工硬化會使材料的塑形降低，而此時的殘余應力將對封頭的脆斷傾向、疲勞壽命以及應力腐蝕開裂產生較大的影響。另外，由于封頭與筒體采用焊接方式連接，而對接接頭由焊縫金屬、熔合區、熱影響區和鄰近的母材所組成。焊接接頭中的化學成分、金相組織和力學性能一般是不均勻的，另外，由于筒體與封頭的厚度較厚，焊接時分多層多道焊接，加上焊接完成后焊縫不進行消應力處理，所以焊縫部位存在較大的焊接殘余應力。

3.3 高溫下的堿環境致使蓋板和上封頭腐蝕

反應釜在化工領域有著廣泛的應用，當反應釜作為承載化學反應的容器時，其內部經常會充滿各種堿溶液，且反應通常需要較高的反應溫度。以下的氫氧化鈉溶液，夾套內的介質則為一般的導熱油。對該反應釜的開裂原因進行分析，不難發現，這就是屬于典型的反應釜在高溫堿環境下發生的腐蝕開裂。在工業生產中氫氧化鈉的應用范圍很廣，在溫度較低時，低濃度的氫氧化鈉溶液并不會對鐵基合金造成很強烈的腐蝕作用，但是，前文中已經提到，該反應釜的生產溫度在230℃左右，屬于較高溫度，而在高溫情況下，氫氧化鈉溶液對鐵基合金的腐蝕作用大大增強。在生產過程中，高溫環境下的氫氧化鈉溶液會不斷腐蝕上封頭致使其厚度均勻減薄。該反應釜的上封頭與筒體的焊縫上加焊的蓋板與上封頭間的角焊縫焊腳的熔深約為2mm左右，當上封頭的腐蝕量超過蓋板角焊縫焊腳的熔深時，在蓋板的角焊縫和上封頭間就形成了一條縫隙，而蓋板與筒體的復合層材質均為N6,在介質中沒有腐蝕，這樣在蓋板與上封頭間就形成了一個死角，死角內的氫氧化鈉濃度會越來越高，加上該容器長期在230℃左右溫度下使用，所以腐蝕的速度也越來越快。當腐蝕達到一定量時，在某些由于制造過程中應力集中的部位就會產生裂紋。

3.4 操作人員未嚴格執行操作規程

在事后分析該反應釜發生腐蝕開裂的原因時，發現在生產過程中存在一些工作人員未嚴格按照要求對反應釜進行定期檢查和監測的現象。作為化學工業等諸多領域的重要生產設備，對反應釜進行實時監測、定期檢查和維護是必不可少的，特別是針對這種介質對容器有一定腐蝕性的容器，平時一定要定期進行檢查，及時發現問題；另外，操作人員在投料時未嚴格執行每次的投料量，所以在攪拌器的作用下，介質經常超過蓋板部位，加速了焊縫部位的腐蝕。

4 結語

為了預防反應釜在運行中出現腐蝕開裂，根據前文分析，應做到以下幾方面：（1）設計選材時，一定要充分了解在設計溫度范圍內介質對容器的腐蝕情況。根據介質的情況合理地選用容器的材料。（2）對初次使用的容器，特別是介質對容器有腐蝕性的容器，在平時的使用過程中，特別是在第一個法定檢驗周期內，要加強檢查和監測的力度。經常對耐腐蝕的厚度進行檢查，及時了解耐腐蝕層的腐蝕或磨損情況。（3）生產過程中要求操作人員要嚴格執行操作規程，嚴格執行工藝要求的加料順序和加料量。