高壓聚乙烯超高壓管式反應器全壽命周期管理探討

耿東方唐迎迎

（國能榆林化工有限公司 陜西榆林 719319）

1 概述

管式法工藝最初由BASF 公司開發，目前，該公司仍在出售技術。BASF、DSM、EniChem 和Exxon 均開發了單線能力達20萬t∕a以上的現代管式反應器。目前，國內高壓聚乙烯裝置開車運行約30 套，總產能約450 萬t∕年。高壓聚乙烯反應系統有兩種，一種是釜式反應器，另一種是超高壓管式反應器。目前，國內選擇超高壓管式反應器的裝置占比80%以上。高壓聚乙烯工藝技術近10年在國內快速發展，近十年增加產能約240 萬t∕年，占比總產能約53%，尤其是近年煤化工技術在國內得到快速發展，以國能榆林、新疆公司為代表的新型煤化工企業得到快速發展［1-2］。

超高壓管式反應器是高壓聚乙烯裝置核心設備，其運行工況極其苛刻，操作維護難度極大。目前，超高壓管式反應器全部采用進口設備。超高壓管式反應器設計壓力360MPa，最大操作溫度300℃，設備制造難度極大。超高壓管式反應器生產廠家主要集中在與高壓聚乙烯專利商早期合作開發的幾個少數廠家，主要品牌是德國伍德、德國巴斯夫、奧地利BHDT、美國KMT等。目前，國內還沒有超高壓管式反應器制造使用業績。隨著近年國內高壓聚乙烯項目持續快速開展，對超高壓管式反應器設備需求持續加大，由于超高壓管式反應器生產廠家有限，設備、備件采購最終用戶都處于一種比較被動的地位，因此，對于超高壓管式反應器全壽命周期管理就顯得尤為重要。

這里，以國能榆林高壓聚乙烯工藝展開介紹，采用專利商Basell公司管式反應專利技術，德國Basell公司最先進的LUPOTECH TS?高壓聚乙烯管式反應器技術，由德國UHDE工程公司承擔工藝包設計及超高壓管道詳細設計，由中國寰球大慶石化工程分公司承設計。榆林化工公司LDPE 裝置采用德國Basell 公司的LUPOTECH TS?高壓管式反應器技術，超高壓管式反應器包含預熱器、反應器（其中反應器分4個區）、后冷器3個部分。以榆林化工公司LDPE 超高壓管式反應器準規格為例，規格型號DN75、PN3600。超高壓管式反應器由帶有夾套的高壓管組成，內部高壓管連接在一起，設備整個放在鋼結構上。夾套側的介質和高壓管側的介質是逆向流動。不同的一列反應器滿足不同的工作。超高壓反應器主要指1 區42 根反應管，2 區36 根反應管，3區30根反應管，4區18根反應管，反應器預熱器36根，后冷器30根，共計192根。由于LDPE 裝置工藝特點，正常生產過程中，反應器操作溫度在290～310℃、壓力在250～270MPa。裝置于2015年12月25日一次性投料試車，開車至今運行超過5年，裝置中的高壓反應器、預熱器、后冷器由德國伍德公司生產制造［3-4］。

2 超高壓管式反應器管理現狀

通過調研目前國內LDPE 裝置，超高壓管式反應器各省管理不統一，有的省將超高壓管式反應器劃歸為壓力容器，但是在容規上對于壓力超過100MPa的壓力容器也未有明確要求。省特檢院在辦理壓力容器使用證時，也僅是依據外商提供的資料給予辦理壓力容器使用證。

有的省份將超高壓管式反應器劃歸為壓力管道，但是容規對于超高壓壓力管道的定義為42MPa。辦證也是類似上述情況。最新的容規已經明確，超高壓管式反應器不需要辦理使用證，但是對于超高壓管式反應器的安全性評價仍然沒有明確。國內各家緊緊依據外觀檢測，依據開車早的裝置運行經驗管理，缺乏有效的檢測手段及措施，超高壓管式反應器的全壽命管理仍是在探索中推進。

榆林化工LDPE裝置開工至今運行整體平穩，由于裝置運行特點，同時，考慮超高壓管式反應器內物料發生過分解反應，部分超高壓管式反應管受到高壓、高溫等因素影響，可能會影響超高壓管式反應管使用壽命。目前，需要專業手段對超高壓管式反應器安全評價，以確保超高壓管式反應器運行可靠。榆林化工LDPE 裝置，除R1301R1反應器的1個180°彎頭及2件透鏡墊于2019年7月被替換外，其他所有反應器、預熱器和后冷器的高壓部件均已經服役5年半以上，未作任何檢測。

3 超高壓管式反應器常見失效形式

超高壓管式反應器裝置運行中可能出現的4種損傷如下。

（1）疲勞裂紋：沿高壓管和彎頭軸向出現裂紋，三通（方箱）上出現裂紋，螺紋處出現裂。

（2）內表面硬化：隨嚴重分解反應出現，硬化層深度達幾毫米，裂紋可能出現在硬化層上。

（3）停車腐蝕：出現在有夾套和無夾套的管子交界，冷熱交變，產生有機酸并冷凝，局部發生并發展。

（4）頻繁超溫超壓分解對反應器影響較大，雖然目前還未有定量的研究，但是頻繁的溫超壓分解將嚴重影響反應器的服役周期。

同時，超過3年的超高壓管式反應器有突然失效的風險。由于超高壓管式反應器極其苛刻的運行工況，在超高壓管式反應器全壽命周期管理過程中，存在很大的不確定性，如何開展全壽命周期管理是一個永恒的課題，也是保證超高壓管式反應器長周期平穩運行的基礎。

4 超高壓管式反應器全壽命管理探究

4.1 超高壓管式反應器安裝質量控制

超高壓管式反應器的安裝質量控制是超高壓管式反應器全過程壽命管理探究的一項重要內容。關于超高壓管式反應器安裝質量控制，重點做好以下工作。

（1）做好超高壓管式反應器到貨驗收工作。專業技術人員依據合同，清點到貨超高壓管式反應器部件到貨情況。

（2）做好超高壓管式反應器到貨部件防護工作。安裝期是當地的雨季，所以必須有足夠的防風、防雨用品。每個小組都有防雨、防風棚，還要準備遮蓋高壓管道防雨棚布。當日施工前，要根據天氣情況做好防風、防雨準備。螺紋法蘭的安裝盡量在室內進行。

（3）做好超高壓管式反應器螺紋法蘭的安裝、組對等預安裝工作。要在現場創造條件，高質量開展超高壓管式反應器螺紋法蘭的安裝、組對等預安裝工作需特別注意以下兩點：一是超高壓管式反應器部件防護油脂的清理時間，要保護性安裝不能過早清理保護油脂，同時要防止油脂粘黏雜物；二是做好預安裝后的半成品防護工作。

（4）做好超高壓管式反應器法蘭螺栓預緊和液壓緊固工作。依據超高壓管式反應器操作維護手冊，需特別注意以下兩點：第一，重視管托管支架的安裝。螺栓預緊力施加應按給定值的25%、50%、75%、100%分步進行，最終預緊力需進行測量；第二，經驗值。透鏡墊同心度數據要控制在外商技術要求精度的最大范圍1∕4以內。

（5）做好超高壓管式反應器無應力配管安裝工作。

（6）配合好超高壓管式反應器吹掃工作。需提前要把超高壓管式反應器安裝施工方案與超高管式反應器吹掃方案一起統統，避免因吹掃頻繁拆裝超高壓管式反應器部件。

（7）做好氣密、液壓試壓工作。依據超高壓管式反應器升壓曲線進行，第一次升壓對于整個超高壓管式反應器系統可靠性具有重要意義，尤其是對于超高壓管式反應器自增強等影響巨大。

4.2 超高壓管式反應器運行維護

超高壓管式反應器運行維護是全壽命周期管理中一項重要任務，主要做好以下工作。

（1）由于高壓聚乙烯裝置運行特點，裝置運行工況極其苛刻，開停車次數相對較多，尤其裝置開車初期，有的裝置年開停車次數甚至到達20次以上，頻繁開停車會給超高壓管式反應器帶來潛在的不良影響。

（2）反應器夾套熱水系統水質控制，確保水質氧含量、pH 值等關鍵數據指標可控，防止超高壓管式反應器夾套管點蝕等。

（3）尤其要關注，因超溫超壓分解導致的裝置緊急停車，重點標記發生分解的超高壓管式反應器部位，擇機定期檢查。

（4）要關注超高壓管式反應器相關聯鎖投用情況，為了短期效益解除聯鎖運行是絕對禁止的。

4.3 超高壓管式反應器安全性評價

目前，對于超高壓管式反應器安全狀況，缺少評價手段，尤其是現在環保壓力極大的情況下，如何確保LDPE裝置超高壓管式反應器長周期穩定運行、如何避免反應器備件過度更換是一個亟待解決的課題。亟須一種科學的檢測手段可以定量、直觀地評價超高壓反應器的安全狀況運行狀態。可以定量研究超高壓管式反應器自增強變化情況（超高壓反應管內壁硬化情況）、超高壓管式反應器內壁腐蝕情況、破壞性晶相分析超高壓反應管部分連接透鏡墊硬化情況及發生分解后，分解位置對于反應管的性能影響等。目前，常用的檢測方法如下。

旋轉渦流檢測。旋轉渦流—內窺鏡檢測方法是由BASF 無損檢測功能中心針對LDPE 裝置檢驗開發的，能有效檢測高壓夾套管內表面軸向裂紋和腐蝕缺陷的檢驗工具。預熱器、反應器、后冷器和中間冷卻器的高壓管通常配有水夾套，所以無法從管外側對管內表面實施檢測。而管內表面承受應力最高并與介質接觸，是疲勞裂紋和腐蝕的發源地。可以從管內側實施檢測的旋轉渦流和內窺鏡解決了此問題。

相控陣超聲波檢測。相控陣超聲波檢測原理：相控陣（Phased Array）超聲檢測技術是利用延遲電路的電子技術來控制相控陣探頭合成的來實現超聲波發射、接收的方法。相控陣探頭有多個小晶片，其每一個晶片被獨立激發，根據各晶片相對于被檢目標的不同聲程施加不同的延遲時間，以實現聲束的角度和聚焦點的變化。

目前，主要檢測評價還是依賴原設備廠家，尤其是處于壟斷地位的超高壓管式反應器制造廠家，如BASF或UHDE 反應器專用渦流檢測、相控陣超聲、磁粉探傷、應力分析、破壞性晶相分析（超過壓反應管部分連接透鏡墊）、BASF 或UHDE 反應器評價指標、UHDE 設計指標、高清內窺鏡檢測、自增強分析、金屬材料理化分析。

4.4 超高壓管式反應器預知維護

榆林化工LDPE 裝置超高壓管式反應器操作壓力一般在270MPa左右，最高工作壓力340MPa，設計壓力360MPa。超高壓管式反應器運行壓力極高，運行工況極其苛刻，預知維護對于超高壓管式反應器長周期安全平穩運行具有重要意義，尤其是超高壓管式反應器一旦失效，造成的后果將是災難性的，這就要求超高壓管式反應器專業技術管理人員具備一定的專業素養。依據超高壓管式反應器運行數據收集及檢測結果，科學研判推行超高壓管式反應器預知檢修，這里需要說明的一點，超高壓管式反應器的預知檢修，既要防止維修不足也要防止過度檢修。具體怎樣做好這項工作是一個復雜的命題，需要做好以下工作。

（1）超壓管式反應器操作維護手冊是重要抓手，因為超高壓管式反應器的特殊性。目前，超高壓管式反應器企業標準是最高標準。預知維護要嚴格依據操作維護手冊。

（2）要借鑒開車時間早于榆林化工裝置的運行維護經驗，尤其要與國內同類設備用戶交流，舉一反三地通過運行數據及故障情況進行比對交流，為下一步決策提供充分的依據。

（3）要與原設備廠家增加信息交流，尤其是設備備件產品升級換代較快，了解超高壓管式反應器的運行維護前言信息，因為超高壓管式反應器部分關鍵數據廠家保密，最終用戶無法拿到核心數據。目前，如德國伍德、巴斯夫等超高壓管式反應器制造廠家都在積極開展超高壓管式反應器安全性評價，如果可能，可依托原設備廠家，對榆林化工超高壓管式反應器運行到一定階段開展安全性評價。

（4）科學合理儲備部分超高壓反應器備件，同時，要對國內同類裝置超高壓管式反應器備件情況摸底，以備不時之需。

（5）由于高壓聚乙烯裝置運行結構特點，裝置開停車次數較多，尤其要利用短暫的停車機會，定期檢查超高壓管式反應器管件密封點泄露情況；定期檢查受壓元件的腐蝕和侵蝕情況；定期檢查檢查反應器系統的最小壁厚情況，如果壁厚太薄，則需要及時更換備件。

（6）重視超高壓管式反應器檔案資料管理，建立超高壓管式反應器設備技術檔案，動態管控，做好超高壓管式反應器原始施工數據、運行周期內關鍵運行參數、檢修內容、安全性評價、檢修記錄等關鍵數據等的收集；定期召開專題會，分析比對，尤其是重點關注本次運行周期內變化較大的數據，重視細微的參數數據變化，做到隱患早發現早處理，嚴禁超高壓管式反應器帶病運行，確保超高壓管式反應器全壽命周期安全可靠運行［5-6］。

5 結語

超高壓管式反應器全壽命管理是一個動態變化的課題。對于超高壓管式反應器全壽命管控，由于極其苛刻額運行條件，專業技術人員要對超高壓管式反應器要心存敬畏之心，時時以如臨深淵、如履薄冰的態度，以科學的運行維護方法，尊重客觀規律，運用現代化檢測方法，對超高壓管式反應器定期開展安全評價，通過動態管控及合理的預知檢修，保障超高壓管式反應器全壽命周期、安全平穩、長周期運行。